Energies Renouvelables

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Prparation lagrgation de Gnie Electrique 2010

Ressources nergtiques renouvelables et solutions lectriquesGnralits sur lnergie, conversion (1 Arognrateurs lectriques Gnration photovoltaque(2me partie)re

partie)

(3me partie)

Stockage dnergie lectrique

(4me partie)

Ecole Normale Suprieure de Cachan, mars 2010 ISBN : 978-2-909968-88-9Bernard MULTON

Units dnergieSystme international : le joule J 1 J = 1 newton x 1m = 1 volt x 1 ampre x 1 seconde = 1 V x 6,2.1018 lectrons 4,18 J accroissent de 1C un gramme deau Facture dlectricit : le kilowatt.heure kWh 1 kWh = 3600 000 J = 3,6 106J (MJ) Carburants : tonne quivalent ptrole tep 1 tep 11 600 kWh

PuissanceLe watt : 1 watt = 1 J/s ou 1 Wh/hBernard MULTON

Equivalences1 Wh = 3600 J (1 TWh = 1012 Wh, 1 EJ = 1018 J) 1 t.e.p. 11 600 kWh (tonne quivalent ptrole) 1 baril (159 l ou 140 kg) 1700 kWh 1 BTU (British Thermal Unit) 252 cal 1050 J 1 quad BTU : 1015BTU = 290.109 kWh1 BTU = nergie pour accrotre de 1F une livre (pound, 453 grammes) deau

Valeurs nergtiques PCI/PCS de quelques combustiblesUranium natur. (fission) Hydrogne Fuel Essence GPL : Propane ButaneSelon les gisements : Gaz naturel : 37 42 MJ/m3 Ptrole brut : 1 1,07 tep/tonne Charbon : 0,44 0,64 tep/tonne

116 000 kWh/kg 34/39 kWh/kg 11,6/12,4 kWh/kg 12,4/13,4 kWh/kg 12,8/13,8 kWh/kg 12,7/13,7

Gaz Naturel Charbon Bois Bagasse Ordures mnagres

13,8/15,3 kWh/kg 7 9 / 9 10 kWh/kg 2 4 kWh/kg 2,2 kWh/kg 0,3 0,5 kWh/kg

PCI = pouvoir calorifique infrieur (lower heating value: LHV) PCS = pouvoir calorifique suprieur (higher heating value : HHV)Bernard MULTON

Formes de lnergie Chaleur Travail mcanique Rayonnement Chimique Electricit Matire : E = m.c2Dans lunivers, la matire se dgrade inexorablement en chaleur.

Bernard MULTON

Cycles de vie de lnergie : exemplesRactions nuclaires de fusion dhydrogne dans les toiles

Rayonnement transmis dans lespace et intercept par la terre

vaporation condensation Photosynthse de leau

Effet photo-lectrique

coulement (mcanique) Biomasse (chimique) CHALEUR

lectricit

Bernard MULTON

Conversion dnergie et rendement nergtiqueLnergie ne se perd pas, elle se transforme ou se convertitLors dune conversion, une partie de lnergie est perdue ou dissipe Exemple : moteur thermique explosion pour la propulsion dune voiture chaleur Carburant(combustion)Pertes par frottements chaleur

nergie mcanique transmise aux roues

Chaleur

nergie mcanique

Moteur explosion

Transmission mcanique

Rendement

=

Wutile Wfournie

Allure typique du rendementExemple dun moteur (extrapolable aux autres convertisseurs dnergie) En simplifiant au maximum : - pertes en charge : fonction du couple (ou de leffort) - pertes vide : fonction de la vitesse Raisonnement instantan : en puissance (et non en nergie) Modle simplifi : - pertes en charge fonctions du couple : - pertes vide fonctions de la vitesse : Puissance utile : Pu = C. Rendement : =Pu C = Pu + p ch + p 0 C. + k1.C 2 + k 2 . 2Bernard MULTON

p ch k1.C 2p 0 k1. 2

Rendement :

=

F.v F.v + k1.F2 + k 2 .v 2

A v ou F donn, la courbe du rendement passe par un maximum :

(C) max =Cte 100%

Le rendement dune conversion nergtique, dpend du point de fonctionnement, ici (C,). Allure identique en fonction de la vitesse.

CCopt

Cette courbe de rendement est en ralit assez gnrique, au-del de cet exemple

Sur un cycle temporel {C(t) , (t)} , le rendement nergtique ncessite de connatre la fonction (C, )Bernard MULTON

Exemple de cycle automobile :

Source : http://www.dieselnet.com/standards/cycles/

Courbes iso-rendement dun moteur combustion interne essence Vitesse de rotation du moteur

Source : IFP

Couple du moteurSource : http://www.dieselnet.com/standards/cycles/

Calcul du rendement sur cycle

Les diffrents rendements dun convertisseur dnergieInstantan(puissances)

=

Pu Pabs Pu .dt

Sur cycle (de fonctionnement)(nergies)

=

cycle

Pabs .dtcycle

=

Wu Wabs

Sur cycle de vie

=

Wu Wabs + W fabrication + recyclage

(nergies incluant celle de production et recyclage)Bernard MULTON

Cot (conomique) dune transformation nergtiqueRessource primaireWp

Convertisseur dnergie= Wu Wp

Energie utile (travail)Wu

Rendement nergtique de conversion

Le cot du convertisseur dnergie augmente avec sa puissance. Exemples de cots dinvestissement : arognrateur terrestre de grande puissance, environ 1,2 /W centrale thermique cycles combins au gaz naturel, environ 0,7 /W

Exemples de calculs conomiques simplifis de cot de production lectriqueCentrale au gaz cycles combins : 0,7 /W fonctionnement en pointe 1000 h/an dure de vie 20 ans rendement 58% Prix du gaz : 3,5 c/kWhPCI (PCI = Pouvoir Calorifique Infrieur)part du prix due au combustible est de 3,5 c/0,58 = 6 c/kWhe part de linvestissement (hors intrts demprunt, maintenance) : avec 1000 heures par an (1 watt produit 20 kWh) 0,7 /20 = 3,5 c/kWhe Total : 9,5 c/kWhe

Eolienne : 1,2 /W sur le site de Plouguin (Bretagne) : productivit annuelle 2260 h quivalentes pleine puissance dure de vie 20 anspart du prix due la ressource primaire (vent) = 0 c/kWhe part de linvestissement (hors intrts demprunt, maintenance) : avec 2260 heures par an (1 watt produit 45,2 kWh) 1,2 /45,2 = 2,7 c/kWhe = total

Transports : raisonnement du puits la roue

Source : J. Beretta (PSA) 2007 (JEEA)

Mmes questions avec les vhicules tout lectriques ou air comprim : Comment est produit le carburant, llectricit.. ? Quel est le rendement de charge ou de la compression (air comprim) ? Quel est le rendement de la chane de traction? Le produit des rendements est parfois trs faible, bien plus que celui des chanes de traction traditionnelle Alors, si la ressource primaire est conventionnelle (fossiles), les solutions faible rendement ont peu dintrt sinon celui de dporter les pollutions ailleurs.Bernard MULTON

Bilan nergtique sur cycle de vieCas des transports terrestre, bilan du puits la roue (well to wheel)Intrinsquement le rendement dune propulsion pile combustible peut sembler meilleur : Mais Comment produit-on lhydrogne ? Comment le stocke t-on ? (comprim, liqufi) Liqufaction de lhydrogne : environ 15 kWhe/kg (limite thorique : 3,2 kWh/kg) Si llectricit est produite avec un rendement de 33%, Liquifier 1 kg dhydrogne cote 45 kWh primairesSource : Livre Hermes Beretta (PSA) 2005

(1 kg dhydrogne contient 34 kWhPCI)

Bernard MULTON

nergie consomme pendant la vie dune 406 HDI : 5,6 litres / 100 km 150 000 km90% 80% 70% 60% 83%

84 MWhPCI

50% 40% 30% 20% 10% 0% 8% 9% Use phase Manufacture

Source : J. Beretta (PSA) 2007 (JEEA)

Raw material production and recycling

Dans cet exemple, la fabrication et le recyclage cotent respectivement 9,1 et 8,1 MWhPCI soit, pour ce vhicule de 1350 kg, environ 12,3 kWhPCI/kg

On peut encore investir sur le cot nergtique du vhicule pour rduire sa consommation et ainsi son impact global

Bernard MULTON

Gains apports par la chane de traction THS (Toyota Hybrid System) de la Prius 2

Source : Toyota

Le cot environnemental de la Prius 3 (2009, 89 gCO2/km) est identique celui dun vhicule diesel de mme catgorie : rentabilit immdiate.

Bernard MULTON

Mais finalement quel est le vrai besoin ?Ressource primaire Conditionnement Transport et stockage ventuels Transformation (conversion) finale Une nouvelle dfinition du rendement : Rendement = Service rendu ressource primaires + rejets Service rendu

Aspects physiques, conomiques et sociologiques

Besoins, ressources impact environnemental

Bernard MULTON

Les besoins en nergie des Hommes Transports (Hommes et biens) : Eclairage Cuisson Chauffage besoins trs dpendants du climat Froid Travail mcanique agricole, industriel Process divers de lindustrie Traitement de linformation DiversBernard MULTON

Les sources primitives LE FEU partir du bois ou dhuile : il a servi presque tout. LA FORCE ANIMALE (bufs, chevaux, chiens, dromadaires...) LEAU des rivires et des mares (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) LES COMBUSTIBLES FOSSILESAV J.C. Chine : forages ptrole, XIII sicle : charbon, dbut 1800 : gaz de houille, 1930 : gaz naturelBernard MULTON

Les sources modernes du 20me siecleLES COMBUSTIBLES FOSSILES charbon, ptrole, gaz naturel LURANIUM (FISSION ATOMIQUE)Ressources primaires

Les vecteurs dnergie :LLECTRICIT, LE GAZ NATUREL

Et peut-tre un jour : LHYDROGNEDurant, le 20me sicle, prise de conscience plantaire : - nos ressources sont limites, notamment celles en nergie - nous perturbons notre environnement

Les ressources nergtiques non renouvelables :rserves en Gtep et en dure au rythme actuel de consommation1 Tep=11.6 MWh

Epuisables polluantesannuelle actuelle

227 ans 40 ans 90 ans 61 ans

R/P = 65 ans

Les ressources naturelles spuisent : exemple le pic de Hubbert ou peak oil NGL = natural gaz liquid

Luranium aussi spuise :Rserves raisonnablement assures + spculatives : 3 Mtonnes moins de 80$/kg 4 130 4 Mtonnes = moins de 60 ans au rythme actuel (3 ans pour satisfaire lensemble des besoins actuels) Rserves spculatives ultimes estimes : 12 Mtonnes Bernard MULTON

Les cours des matires premires nergtiques fluctuent et affectent conomie et stabilit politiqueLe baril de ptrole brut : la rfrence

Le cours de luranium : galement instableBase de calcul de prvision de cot EPR en 2003

Et (en Europ