GENERALITES SUR LES ENERGIES RENOUVELABLES et LES

SYSTEMES D’ENERGIE HYBRIDE

Par El hadji SYLLA

Laboratoire d’Énergies Renouvelables (LER)

ENERGIES RENOUVELABLES

I. Généralités sur les énergies renouvelables.

II. Energie éolienne : potentiel et conversion.

III. Énergie solaire photovoltaïque et thermique : III. Énergie solaire photovoltaïque et thermique :

potentiel et conversion.

IV. Biocarburant et biomasse

V. Énergie géothermique et énergie hydraulique

VI. Les Systèmes d’Énergie Hybride

Monsieur SYLLA

ENERGIES RENOUVELABLES I I -- Généralités sur les énergies renouvelables

Une énergie renouvelable (ER)énergie renouvelable (ER) est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à pour être considérée comme inépuisable à échelle humaine de temps. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique)

Monsieur SYLLA

Elles sont issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, des chutes d’eau, des marées ou encore des végétaux. Leur exploitation engendre très peu de déchets et d’émission polluantes. Toutes ces ressources peuvent être transformées en énergie directement utile transformées en énergie directement utile à l’homme sous forme de chaleur, d’électricité ou de force mécanique

Les ER sont au nombre de cinq.

Monsieur SYLLA

Il existe 5 formes d’énergies renouvelables:� L’énergie éolienne (le vent)� L’énergie solaire (le soleil)� La géothermie (la terre)� La biomasse (le vivant)� L’énergie hydraulique (l’eau)� L’énergie hydraulique (l’eau)

Remarque : D’autres formes d’énergies renouvelables sont rencontrées mais elles sont issues de l’une de ces 5 (formes précisées).

Monsieur SYLLA

II- Énergie éolienne

IntroductionL’énergie éolienne est

l’énergie obtenue à partir du vent. Elle peut être sous deux formes:

� Mécanique pour le pompage de l’eau

� Électrique(aérogénérateur)

Monsieur SYLLA

Potentiel éolienMesurer un potentiel éolien c’est déterminer la quantité

d’énergie éolienne récupérable sur un site donné. Cette énergie est fortement dépendante du vent qui la caractérise.

La vitesse du vent est mesurée par un anémomètre et sa direction est indiquée par une girouette.

Le potentiel dont dispose notre pays (SENEGAL) dans ce domaine n’a pas encore fait l’objet d’une grande exploitation. Dans la bande côtière située dans les régions de Thiès et Dakar, quelques installations éoliennes exploitation. Dans la bande côtière située dans les régions de Thiès et Dakar, quelques installations éoliennes destinées au pompage des eaux ont pu être implantées, le plus souvent avec le concours d’Organisations Non Gouvernementales (ONG).

Et le long du littoral entre Dakar et Saint-Louis, la vitesse des vents est comprises entre 3,7m/s et 6,1 m/s, un potentiel éolien assez favorable.

La connaissance du potentiel d’un site détermine le choix de l’aérogénérateur à installer

Monsieur SYLLA

Différents éléments d’un aérogénérateur

Monsieur SYLLA

Principe de fonctionnement des aérogénérateurVois ici commet on produit de l'électricité avec

une éolienneLe vent fait tourner le rotor de l'éolienne.

Le rotor entraîne une génératrice (une dynamo) qui produit de l'électricité

VentVent

Rotor et ses palesRotor et ses pales

MultiplicateurMultiplicateur

GénératriceGénératrice

Câbles électriquesCâbles électriques

Monsieur SYLLA

Principe de détermination de la puissance récupérable sur l’axe de l’aéromoteur.

� V1 : la vitesse du vent en amont de la turbineamont de la turbine

� V : sur l’arbre� V2 : sa valeur en aval de

l’aéromoteur� S : la surface du vent

balayée par les palesMonsieur SYLLA

La loi de Betz détermine qu'une éolienne ne pourra jamais convertir en énergie mécanique plus de 16/27 (ou 59%) de l'énergie cinétique contenue dans le vent.

Pmax puissance maximale récupérable par l’aéromoteur récupérable par l’aéromoteur (c’est l’énergie cinétique du vent convertie en énergie mécanique par l’aéroturbine)

� ρ masse volumique de l’air 1,22 kg/m^3

� Cp coefficient de puissance

Monsieur SYLLA

Différentes chaînes de conversion(différents convertisseurs électromécaniques, diffé rents convertisseurs statiques et différents types de cou plage)

Les aérogénérateurs à vitesse fixe

Ils sont les premiers à avoir été développés. Dans cette technologie, la génératrice asynchrone génératrice asynchrone est directement couplée au réseau. Sa vitesse de rotation est alors imposée par la fréquence du réseau et par le nombre de paires de pôles de la génératrice. Compensation de puissance

de puissance réactiveCompensation de puissance de puissance réactive

Aérogénérateur à vitesse variable

� Pour optimiser la puissance débitée en fonction du vent, il est souhaitable de pouvoir régler la vitesse de rotation de l'éolienne. L'idée est de réaliser un générateur à fréquence fixe et vitesse variable. Le générateur à vitesse variable permet de fonctionner pour une large gamme de vents donc de récupérer un maximum de puissance tout en un maximum de puissance tout en réduisant les nuisances sonores lors d'un fonctionnement à faible vitesse de vent. En vitesse variable, on régule le système de façon à ce que pour chaque vitesse de vent, l'éolienne fonctionne à puissance maximale. C'est ce qu'on appelle le Maximum Power Point Tracking.

Monsieur SYLLA

Configuration utilisation la machine asynchrone• A) Sous cette forme, l’éolienne fonctionne à vitesse fixe, avec un générateur

asynchrone à cage d’écureuil. Les bancs de condensateurs sont utilisés pour la compensation de la puissance réactive et les convertisseurs pour un démarrage plus doux.

• B) Les bancs de condensateurs et le «démarreur doux » sont remplacés par des convertisseurs de fréquence soit de grande échelle, soit utilisés seulement pour compenser la puissance réactive à des vitesses de vent élevées. La première configuration a l’avantage de pouvoir faire varier la vitesse de rotation de l’éolienne pour toutes les vitesses du vent.

• A) Sous cette forme, l’éolienne fonctionne à vitesse fixe, avec un générateur asynchrone à cage d’écureuil. Les bancs de condensateurs sont utilisés pour la compensation de la puissance réactive et les convertisseurs pour un démarrage plus doux.

• B) Les bancs de condensateurs et le «démarreur doux » sont remplacés par des convertisseurs de fréquence soit de grande échelle, soit utilisés seulement pour compenser la puissance réactive à des vitesses de vent élevées. La première configuration a l’avantage de pouvoir faire varier la vitesse de rotation de l’éolienne pour toutes les vitesses du vent.

Monsieur SYLLA

Configuration utilisation la machine asynchrone• C) Ici, le générateur est asynchrone à rotor bobiné. L’idée de base est de contrôler

la résistance du rotor par l’intermédiaire d’un convertisseur d’électronique de puissance et ainsi de commander le glissement de la machine sur un domaine de variation de 10%.

• D) Cette configuration contient un Générateur Asynchrone Doublement Alimenté (GADA). Un convertisseur de fréquence commande directement les courants dans les enroulements du rotor. Ceci permet de contrôler la puissance de sortie du générateur en utilisant des convertisseurs dimensionnés à 20 voir 30% de la puissance nominale du générateur. La puissance traversant les convertisseurs dans le cas D étant moindre que celle du cas B, les harmoniques sont nettement plus faibles.

• C) Ici, le générateur est asynchrone à rotor bobiné. L’idée de base est de contrôler la résistance du rotor par l’intermédiaire d’un convertisseur d’électronique de puissance et ainsi de commander le glissement de la machine sur un domaine de variation de 10%.

• D) Cette configuration contient un Générateur Asynchrone Doublement Alimenté (GADA). Un convertisseur de fréquence commande directement les courants dans les enroulements du rotor. Ceci permet de contrôler la puissance de sortie du générateur en utilisant des convertisseurs dimensionnés à 20 voir 30% de la puissance nominale du générateur. La puissance traversant les convertisseurs dans le cas D étant moindre que celle du cas B, les harmoniques sont nettement plus faibles.faibles.faibles.

Monsieur SYLLA

Configuration utilisation la machine synchrone

• E) Dans cette configuration on commande la totalité de la puissance (applications : bateaux à voiles, recharge de batterie de stockage, systèmes hybridesou d’autres applications exploitant des éoliennes de moins de 20kW).

• F) Une machine synchrone est ici excitée par l’intermédiaire d’un redresseur. Inconvénients : besoin d’un circuit d’excitation et de bagues et stratégie de commande complexe.

• E) Dans cette configuration on commande la totalité de la puissance (applications : bateaux à voiles, recharge de batterie de stockage, systèmes hybridesou d’autres applications exploitant des éoliennes de moins de 20kW).

• F) Une machine synchrone est ici excitée par l’intermédiaire d’un redresseur. Inconvénients : besoin d’un circuit d’excitation et de bagues et stratégie de commande complexe.

Monsieur SYLLA

Configuration utilisation la machine synchrone

• G) Par rapport à la configuration précédente, celle-ci permet un fonctionnement à vitesse variable si le convertisseur lié au réseau est un convertisseur de fréquence à quatre quadrants.

• H) Cette configuration contient un générateur synchrone multipolaire, évitant ainsi l’utilisation d’un multiplicateur de vitesse.

• G) Par rapport à la configuration précédente, celle-ci permet un fonctionnement à vitesse variable si le convertisseur lié au réseau est un convertisseur de fréquence à quatre quadrants.

• H) Cette configuration contient un générateur synchrone multipolaire, évitant ainsi l’utilisation d’un multiplicateur de vitesse.

Monsieur SYLLA

RESUMERESUME

Monsieur SYLLA

Choix d’un aérogénérateur pour un site donnéSystème de protection des aérogénérateurs

� Évolution de la puissance de l’aéromoteur en fonction de la vitesse du vent

Pour des raisons de sécurités face à des vitesses de vent trop fortes, le système doit s’arrêter pour pallier à une éventuelle destruction mécanique, c’est pour cela destruction mécanique, c’est pour cela qu’on utilise principalement deux systèmes de contrôle de vitesse:

� Le système Stall (décrochage aérodynamique)

� Le système à calage variable (Pitch control)

Rq : Machine à réluctance variable (avenir prometteur)Rq : Machine à réluctance variable (avenir prometteur)Monsieur SYLLA

III – Énergie solaire (photovoltaïque et thermique)

IntroductionL'énergie solaire est l‘ énergie

que dispense le soleil par que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l‘atmosphère.

Nous distinguons l’énergie solaire photovoltaïque

à celle thermique.

Monsieur SYLLA

Potentiel solaire

Le soleil émet du rayonnement qui arrive à la surface de la terre de manière inégale suivant le lieu géographique où on se trouve. La quantité d’énergie mesurée à la surface de la terre qui peut être transformée en énergie électrique ou thermique est appelée le potentiel solaire. Il est mesurée par le pyranomètre et est souvent exprimé en kWh(kilo Watts Heures)

Au Sénégal, nous avons la présence du soleil qui est important (12 mois/12 ): Au Sénégal, nous avons la présence du soleil qui est important (12 mois/12 ): l'irradiation globale annuelle est de 2000 kWh par mètre carré soit environ 3000 heures d‘ensoleillement. Sa valorisation la plus prometteuse est sous forme d'énergie photovoltaïque pour contribuer à la satisfaction des besoins des populations rurales (petite hydraulique villageoise, réfrigération, éclairage, recharge de batterie) qui ne sont pas raccordées au réseau électrique.

Monsieur SYLLA

Conversion (Solaire photovoltaïque)

Vous parlez de l’effet photoélectrique mais quoi ça

� L'effet photoélectrique est l'émission d‘électrons par un matériau, généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau.

γe

e En résume l’effet photoélectrique :

γ + A → e- + A*+

Le photon transfère la totalité de son énergie a l’atome qui en libère une large partie en émettant l’un de ses électrons.Énergie cinétique de l'électron éjecte de l'atome :

Ee = hν - Enljou Enlj représente l’énergie de liaison de l’électron dans l’atome. Les électrons les plus proches du noyau sont les plus lies.

Monsieur SYLLA

Qu’est ce que cela à voir avec l’énergie solaire ?

Le soleil étant disponible en permanence, il est tr ès intéressant d’en tiré profit en appliquant l’effet photoélectrique. C’est ainsi des cellules PV ont été conçues pour convertir le rayonnement solaire en él ectricité.

C’est quoi une Cellule photovoltaïque ?

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons ), génère une tension électrique (volt ) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). La tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V.Les cellules photovoltaïques sont constituées de se mi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (SCd) ou de tellure de cadmium (CdTe). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques en contact étroit. Un autre nom est "photo galvanique" .

Monsieur SYLLA

Comment ça fonctionne la cellule PV

Lorsqu’un photon ayant suffisamment d’énergie est absorbé par le semi-conducteur, il produit la rupture d’une liaison de valence et libère ainsi un électron, ce qui crée un « trou » positif. Ces charges sont ensuite séparés par le champ

Lorsqu’un photon ayant suffisamment d’énergie est absorbé par le semi-conducteur, il produit la rupture d’une liaison de valence et libère ainsi un électron, ce qui crée un « trou » positif. Ces charges sont ensuite séparés par le champ

Effet de dopage de deux jonction puis transfert de porteurs de charges électrique et création d’ énergie électrique

ensuite séparés par le champ électrique au niveau de la jonction np, puis se dirigent vers les contacts électriques correspondants. En reliant les deux couches, à travers un circuit, on obtient un mouvement des électrons qui passent d’une couche à l’autre et créent ainsi un courant électrique.

ensuite séparés par le champ électrique au niveau de la jonction np, puis se dirigent vers les contacts électriques correspondants. En reliant les deux couches, à travers un circuit, on obtient un mouvement des électrons qui passent d’une couche à l’autre et créent ainsi un courant électrique.

Monsieur SYLLA

La cellule photovoltaïqueIc: courant de la cellule, Iph photocourant image de l’éclairement, ID courant direct de la diodeIc: courant de la cellule, Iph photocourant image de l’éclairement, ID courant direct de la diode

Schéma électrique équivalent ç une cellule PV, modèle une diodeSchéma électrique équivalent ç une cellule PV, modèle une diode

Monsieur SYLLA

Influence de certains paramètres sur la caractéristique I-V de la cellule PV

� Température augmente le courant et diminue la tension en circuit ouvert

� Dégradation lorsque Rs est grande ou Rsh faible

Monsieur SYLLA

Générateur PV

Pour avoir une tension et un courant plus grand on regroupe plusieurs cellules PV en série et en parallèle: C’est le module photovoltaïque. Plusieurs modules regroupés en série et parallèle donne un champs photovoltaïque

Champs de module photovoltaïqueModule photovoltaïque

Monsieur SYLLA

Comment réaliser un Générateur PV?Comment réaliser un Générateur PV?

Association de modules en série et en parallèle en respectant les normes de sécurités (Diodes de protections) Association de modules en série et en parallèle en respectant les normes de sécurités (Diodes de protections)

De la cellule au GénérateurDe la cellule au Générateur

Comment dimensionner un générateur PV ?Comment dimensionner un générateur PV ?

Nbre total de module PV (Nt) = Puissance désirée / Puiss optimale d’un module

L’association en série des modules est imposé par la tension désirée du générateur PV

Nbre total de module PV (Nt) = Puissance désirée / Puiss optimale d’un module

L’association en série des modules est imposé par la tension désirée du générateur PV

Monsieur SYLLA

Caractéristique d’un module et d’un GPV

Avec un regroupement de αmodules en série et de β modules en parallèle, le courant du générateur est du générateur est de β *le courant d’un module tandis que sa tension est α*la tension d’un module

Monsieur SYLLA

Point de Fonctionnement d’un Générateur PV� Recherche du point de puissance maximale

Monsieur SYLLA

Pour assurer le fonctionnement d’un générateur photovoltaïque à son point de puissance maximale (PPM), des contrôleurs MPPT (Maximum Power Point Tracking) sont souvent utilisés. Ces contrôleurs sont destinés à minimiser l’erreur entre la puissance de fonctionnement et la puissance maximale de référence variable en fonction des conditions climatiques

Pour assurer le fonctionnement d’un générateur photovoltaïque à son point de puissance maximale (PPM), des contrôleurs MPPT (Maximum Power Point Tracking) sont souvent utilisés. Ces contrôleurs sont destinés à minimiser l’erreur entre la puissance de fonctionnement et la puissance maximale de référence variable en fonction des conditions climatiques fonction des conditions climatiques

Un contrôleur MPPT permet donc de piloter le convertisseur statique (hacheur par exemple) reliant la charge (une batterie par exemple) et le panneau photovoltaïque de manière à fournir en permanence le maximum de puissance à la charge.

fonction des conditions climatiques

Un contrôleur MPPT permet donc de piloter le convertisseur statique (hacheur par exemple) reliant la charge (une batterie par exemple) et le panneau photovoltaïque de manière à fournir en permanence le maximum de puissance à la charge.

Monsieur SYLLA

Dimensionnement d’une installation solaire PV

� Estimer la consommation journalière en énergie

� Déterminer la taille du Générateur PV� Déterminer la capacité des Batterie� Choisir un bon régulateur� Choisir un bon régulateur� Dimensionner onduleur (Si existe charge AC)� Déterminer la section des câbles� Etc.

Monsieur SYLLA

Consommation journalière

� C’est la somme des énergies consommées par chaque équipement électrique

� L’énergie de chaque appareil électrique étant sa puissance multipliée par le nombre d’heure d’utilisation (ou de fonctionnement)d’heure d’utilisation (ou de fonctionnement)

� Cette énergie est exprimée en Kilo Watt heure par jour (kWh/J)

� Le tableau de la diapo suivante montre comment se fait cette détermination de la consommation journalière

Monsieur SYLLA

Types d'appareils électriques Nombre

d'appareils

Durée de fonctionnement journalière

Puissance unitaire de l'appareil

Énergie Consommée par l'appareil par jour

Lampes A B C =AxBxC

Radio K7 A1 B1 C1 =A1xB1xC1

Split

Climatiseurs

Ventilateurs

TélévisionsTélévisions

Ordinateurs

Imprimante, photocopieuse

Réfrigérateur

Congélateurs An Bn Cn =AnxBnxCn

CONSOMMATION JOURNALIERE (Ej)

Ej =somme de toute cette colonne

Monsieur SYLLA

Détermination de la taille du GPV

� Puissance crête à installer Pc� Pc = Ej / (k x Ec)� Ej consommation journalière� Ej consommation journalière� K est le coefficient de correction est

compris entre 0,55 et 0,70� Ec est l’éclairement moyenne journalière

en kWh par mettre carré (kWh/m²/jour)

Monsieur SYLLA

Détermination de la Capacité de la batterie

C = (Ej x N) / (Vb x Pd)C est la capacité en Ampère-heure AhEj est la consommation journalière en WhEj est la consommation journalière en WhN est le nombre de jour d’autonomie Vb est la tension de la batterie en VoltPd est la profondeur de décharge de la

batterie donnée par le construction (en général elle est de 80%)

Monsieur SYLLA

Autres les éléments� Le choix du régulateur dépend de la valeur du

courant mise en jeu� La puissance de l’onduleur dépend de la

puissance des appareils en AC et de leur cos(φ) (Attention la puissance du GPV ne doit pas être inférieure à celle de l’onduleur) inférieure à celle de l’onduleur)

� Pour la section des câbles, les calculer en utilisant les formules ou utiliser directement des abaques ou catalogues

Faites très attention aux mesures de sécurité qu’il faut prendre en compte (la protection

des personnes et biens)Monsieur SYLLA

Monsieur SYLLA

SOLAIRE THERMIQUEDans le domaine de la recherche industrielle, certains systèmes

permettent de concentrer l'énergie solaire en un point précis qui peut alors atteindre une température considérable. Une production électrique est alors possible via, entre autres, des turbines à vapeur ou d'autres moteurs thermiques.

Des collecteurs paraboliques chauffant un fluide caloporteur circulant dans des tuyaux placés au niveau de leur foyer géométrique ont aussi été développés.développés.

La solution la plus réaliste économiquement à l'heure actuelle, pour la production d'électricité solaire à l'échelle industrielle, consiste à chauffer un fluide caloporteur (eau, sels fondus, huiles synthétiques, ou directement vapeur) en y concentrant le rayonnement solaire. L'irrégularité propre de l'énergie solaire peut être contournée, soit en stockant de la chaleur (avec un réservoir de fluide chaud) soit en hybridant les concentrateurs solaires avec une centrale thermique classique (la chaudière et la chaleur solaire nourrissant la même turbine à vapeur).

Monsieur SYLLA

Principaux types de capteurs solaires thermiques et fonctionnement

Un capteur solaire est composé des éléments suivants:

� le corps opaque qui absorbe le rayonnement solaire en s'échauffant,

� un système de refroidissement par le fluide caloporteur, un système de refroidissement par le fluide caloporteur,

� un isolant thermique (dos et côtés non exposés),

� une couverture transparente (face avant, exposée au rayonnement) qui assure l'effet de serre,

� subsidiairement un coffrage étanche à l'eau et un système de support mécanique de l'ensemble.

Monsieur SYLLA

Les capteurs à concentrationCe type de capteurs ayant besoin, en effet, du rayonnement solaire direct (lorsque le soleil est visible),on constate de manière évidente que leur utilisation restera très limitée (entre 1.500 et 1.700 heures d'ensoleillement par an en moyenne). Les concentrateurs solaires utilisent des surfaces réfléchissantes (miroirs) paraboliques ou cylindro-paraboliques pour concentrer les rayons solaires respectivement dans le foyer ponctuel ou dans le foyer linéaire de ces surfaces. Dans le foyer ponctuel ou le long du foyer linéaire se trouvent les récepteurs (absorbeurs) qui captent la chaleur solaire ainsi concentrée. Naturellement, ces concentrateurs doivent suivre le mouvement du soleil. Dans un concentrateur cylindro-parabolique, le fluide caloporteur (eau, huile thermique ou gaz) peut être porté à environ 400C. Dans les concentrateurs paraboliques, on peut obtenir des températures plus élevées (jusqu'à 1.500C). Ces types de collecteurs solaires sont plus adaptés pour la production de chaleur industrielle et d'électricité. obtenir des températures plus élevées (jusqu'à 1.500C). Ces types de collecteurs solaires sont plus adaptés pour la production de chaleur industrielle et d'électricité.

PRINCIPE DES CAPTEURS TERMIQUESLe principe des capteurs solaires thermiques est suivante :

- une surface plane, le capteur lui-même, pour récupérer la chaleur solaire ;- un système de circulation, pour transporter la chaleur vers un lieu de stockage ou d’utilisation ;- un système de régulation, pour maintenir la température souhaitée.

Les capteurs sont de 3 types, suivant la température qu’on veut obtenir :- Les capteurs non vitrés : ce sont de longs tubes noirs (la couleur qui piège le mieux la chaleur) en

plastique ou en métal, dans lesquels circule de l’eau. Ils ne sont pas isolés, ce qui fait que l’élévation de température obtenue est faible : + 20°C par rapport à la température de l’air. Ces capteurs sont bien adaptés pour le chauffage des piscines.

- Les capteurs plans : ils comprennent un caisson isolant au-dessus duquel est fixée une vitre en verre ou en plastique. A l’intérieur, une feuille métallique noire absorbe la chaleur du soleil, qui est emprisonnée dans le caisson. Cette chaleur est transmise à de l’air, de l’eau, ou un autre fluide caloporteur qui ne gèle pas en hiver. Le fluide caloporteur circule librement ou dans des tuyaux vers le point d’utilisation. L’élévation de température par rapport à la température de l’air ambiant peut atteindre + 70° C. C’est l’idéal pour produire de l’eau chaude pour la maison ou pour le peut atteindre + 70° C. C’est l’idéal pour produire de l’eau chaude pour la maison ou pour le chauffage de tous les types de bâtiments.

- Les capteurs sous vide : ils se présentent sous la forme d’un panneau où sont alignés une série de tubes de verre transparent. Dans ces tubes, on a fait le vide, qui est un des meilleurs isolants thermiques existants. Dans chaque tube, un absorbeur capte la chaleur solaire et un système d’échangeur de chaleur la transmet à un fluide caloporteur. Comme pour les autres capteurs, le fluide caloporteur circule vers les points d’utilisation. Avec ce système, les déperditions de chaleur sont très faibles. La température peut s’élever jusqu’à 100-140°C Ces capteurs sont adaptés aux applications industrielles qui nécessitent de hautes températures.

Le système de circulation comporte une pompe de circulation ou un thermosiphon. Le thermosiphon joue sur le fait que l’eau chaude est plus légère que l’eau froide. Dans un circuit de tuyaux vertical, l’eau chaude monte d’elle-même et l’eau froide descend.

Un thermosiphon ne peut fonctionner que si le point d’utilisation de l’eau chaude est situé au-dessus du capteur. Le système de régulation est équipé de sondes de mesure de la température et d’un thermostat contrôlant la mise en route ou l’arrêt de la pompe de circulation.

Monsieur SYLLA

Principe de fonctionnement d’une centrale thermique solaire

Schématiquement, le jour, des capteurs solaires réchauffent de l’eau stockée en ballon. La nuit, des dissipateurs thermiques suffisent pour abaisser la température d’une bâche d’eau froide. Ensuite, avec de part et d’autre une source d’eau chaude et une source d’eau froide, il est possible d’exploiter les principes de Carnot pour produire une puissance motrice. Pour cela, plusieurs techniques sont appelées à la rescousse : - un cycle de Rankine: une boucle est créée avec un

Schématiquement, le jour, des capteurs solaires réchauffent de l’eau stockée en ballon. La nuit, des dissipateurs thermiques suffisent pour abaisser la température d’une bâche d’eau froide. Ensuite, avec de part et d’autre une source d’eau chaude et une source d’eau froide, il est possible d’exploiter les principes de Carnot pour produire une puissance motrice. Pour cela, plusieurs techniques sont appelées à la rescousse : - un cycle de Rankine: une boucle est créée avec un - un cycle de Rankine: une boucle est créée avec un fluide frigorigène entre les deux sources thermique pour exploiter les phénomènes de changement de phase et de pression en le soumettant à la source froide et à la source chaude. Le mouvement de fluide soutenue par pompage alimente une turbine qui entraîne un alternateur. Philippe Montesinos-Robinson n’a aucune préférence de fluide : ammoniaque, alcane,HCFC, propylène, isobutane, isopentane…;

- un cycle de Rankine: une boucle est créée avec un fluide frigorigène entre les deux sources thermique pour exploiter les phénomènes de changement de phase et de pression en le soumettant à la source froide et à la source chaude. Le mouvement de fluide soutenue par pompage alimente une turbine qui entraîne un alternateur. Philippe Montesinos-Robinson n’a aucune préférence de fluide : ammoniaque, alcane,HCFC, propylène, isobutane, isopentane…;

Monsieur SYLLA

� - un effet Seebeck-Peltier : dans ce cas, les deux sources d’eau chaude et froide sont reliées à générateur thermoélectrique qui exploite le phénomène Seebeck-Peltier : cet principe thermoélectrique découvert au début du 19 ème siècle démontre que la contrainte de deux matériaux spécifiquement choisis et soudés à une différence de température produit de l’électricité. Une solution jusqu’à présent rarement exploitée mais qui peut trouver un regain d’intérêt à la faveur de l’utilisation de semi-conducteurs en couches minces. L’énergie électrique est immédiatement disponible, sans alternateur ;

� - la mise en place d’un moteur Stirling : � - la mise en place d’un moteur Stirling : alimenté en énergie par les circuits secondaires des boucles chaudes et froides, ce moteur à pistons qui exploite les différences thermiques extérieures à son enveloppe anime la turbine qui produit l’électricité.

A priori, la production brute d’électricité n’est pas l’objectif de l’inventeur. L’énergie produite –qui dans tous les cas sera de puissance faible, voire très faible avec un système Seebeck-Peltier – est dans surtout destinée à alimenter un équipement d’électrolyse de l’eau pour produire de l’hydrogène. Un combustible pour des piles à combustible.

Monsieur SYLLA

IV- 1) BIOMASSELa biomasse désigne l'ensemble des sources d'énergie provenant de

la dégradation de la matière organique. C'est une énergie renouvelable de 1er plan, présentant de nombreux avantages économiques et écologiques.

Qu'est-ce que la biomasse ?Le terme « biomasse » désigne les déchets organiques issus de

l'agriculture et de la sylviculture (bois, résidus végétaux, etc.), les déchets organiques ménagers ou industriels, les boues des stations d'épuration ou encore les biogaz produits lors de la fermentation des déchets, qui peuvent être utilisés pour produire de la chaleur ou de l'électricité.

Les applications de la biomasseLe chauffage domestique : la biomasse (en général du bois ou des

résidus végétaux) est brûlée dans des chaudières spécifiques, des poêles ou des inserts pour produire de la chaleur.

Le chauffage collectif : des chaufferies de grande envergure utilisent la biomasse pour chauffer des immeubles ou groupes d'immeubles.

La production d'électricité : des systèmes de cogénération et des centrales thermiques utilisent la biomasse comme combustible pour produire de l'électricité.

La biomasse est principalement utilisée par combustion directe, mais des procédés novateurs de pyrolyse et gazéification (production d'un liquide ou d'un gaz produit à partir de la biomasse) sont en cours de développement afin d'améliorer l'efficacité énergétique et environnementale de cette ressource.

Monsieur SYLLA

Monsieur SYLLA

IV-2) BIOCARBURANT� Un biocarburant est un carburant liquide issu de la

transformation des matières végétales produites par l’agriculture (betteraves, blé, maïs, colza, tournesol, pommes de terre...), ou de déchets organiques.

� A condition que leur bilan énergétique soit nettement positif, c’est-à-dire qu’ils produisent plus d’énergie qu’ils n’en ont nécessité pour leur production et leur transformation (ce qui n’est pas toujours le cas), les biocarburants peuvent être n’est pas toujours le cas), les biocarburants peuvent être assimilés à une source d’énergie renouvelable.

� Leur combustion est en principe nettement moins polluante que celle des carburants d’origine fossile : Elle produit pas ou peu d’oxydes azotés et soufrés (NOx, SOx), de la vapeur d’eau et du CO2.

� Ce dernier ayant été stocké par la plante lors de sa croissance, il n’augmente pas la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et est donc neutre du point de vue du changement climatique.

Monsieur SYLLA

Les différents types de biocarburantsIl existe quatre catégories de biocarburants aujourd’hui exploités : Les alcools, les huiles végétales pures,

les esters et le biogaz.� Les alcools proviennent de la fermentation du sucre ou de l’amidon des plantes, notamment

betteraves, maïs, blé et canne à sucre. Le produit final, appelé bioéthanol, n’est pas utilisé pur mais en mélange avec de l’essence dans des proportions de 5 à 85%. Cependant, au delà de 20% d’éthanol dans le mélange, les véhicules nécessitent une adaptation spécifique. Cet éthanol peut être synthétisé avec une base pétrolière, l’isobutène, pour produire de l’ETBE (éthyl tertio butyl éther) incorporé en France jusqu’à 15% en volume dans l’essence (arrêté du 23 décembre 1999).

� Les huiles végétales pures (HVP) sont obtenues par simple pression à froid des graines oléagineuses, notamment le colza et le tournesol, selon les mêmes techniques que pour produire de l’huile de cuisine. La simplicité du process de transformation permet d’économiser 5 à 8 fois plus d’énergie que la fabrication du gazole ou de l’éthanol de maïs. Une autre source d’huile utilisable en biocarburant sont les huiles de friture usagées qui offrent l’avantage de valoriser un déchet ménager, d’être facilement accessible en milieu urbain et de ne pas entrer en concurrence avec des usages alimentaires. Les HVP peuvent être utilisées directement, pures ou en mélange, dans la plupart des alimentaires. Les HVP peuvent être utilisées directement, pures ou en mélange, dans la plupart des moteurs Diesel moyennant quelques adaptations (filtre, pompe de surpression,...).

� Les esters sont également issus des plantes oléagineuses, mais ils sont obtenus par une transformation chimique complexe des huiles obtenues par le pressage des graines. Cette « estérification » est un processus de type industriel qui ne peut être réalisé que dans de grandes unités spécialisées. Les esters ne sont pas utilisés purs, ils sont incorporés au gazole dans des proportions de 5 à 30% pour donner du biodiesel (Diester étant une marque commerciale spécifique à la France).

� Le biogaz résulte de la fermentation anaérobie (méthanisation) de composés organiques (fraction fermentescible des déchets ménagers, boues de stations d’épuration, cultures d’herbacées,...). Le gaz obtenu est essentiellement constitué de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Ce combustible gazeux renouvelable a les mêmes caractéristiques physico-chimiques que le « gaz naturel » d’origine fossile. Il peut donc être utilisé pour les mêmes usages : cuisine, eau chaude sanitaire, chauffage, cogénération (production simultanée de chaleur et d’électricité) et comme carburant pour les véhicules.

Ces quatre filières ont en commun de ne valoriser qu’une certaine partie des plantes ou des matières organiques, ce qui tend à en limiter les performances et génère des sous-produits parfois encombrants.

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BIOCARBURANT

Pour utiliser les biocarburants dans les moteurs, deux approches sont possibles :

� Soit on cherche à adapter le biocarburant (par transformation chimique pour obtenir du biodieselpar exemple) à des moteurs conçus pour fonctionner avec des dérivés du pétrole; c'est la stratégie actuellement dominante mais elle n'a pas le meilleur bilan énergétique ni dérivés du pétrole; c'est la stratégie actuellement dominante mais elle n'a pas le meilleur bilan énergétique ni environnemental.

� Soit on cherche à adapter le moteur au biocarburant naturel, non transformé chimiquement. Plusieurs sociétés se sont spécialisées dans ces adaptations. La substitution peut être totale ou partielle. Le moteur Elsbettfonctionne par exemple entièrement à l'huile végétale pure.

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V-1) La géothermie

La chaleur de la Terre est aussi une énergie qu’on peut utiliser. Au centre de la Terre, la chaleur est tellement importante et la pression est si forte que les roches sont en fusion. On appelle cette matière le fusion. On appelle cette matière le magma. On se sert de la vapeur ou de l’eau capturée entre les roches et chauffée par la chaleur de la Terre pour produire de l’électricité (température supérieure à 150°) et du chauffage (basse température inférieure souvent à 90°). Cette énergie est appelée Géothermie.

Monsieur SYLLA

CENTRALE GEOTHERMIQUE

Monsieur SYLLA

Types de géothermieOn distingue classiquement trois types de géothermi e selon le niveau de température

disponible à l'exploitation :� la géothermie à haute énergie ou géothermie privilé giée exploite des sources

hydrothermales très chaudes, ou des forages très pr ofonds où de l'eau est injectée sous pression dans la roche. Cette géothermie est surtout utilisé pour produire de l'électricité. Elle est parfois subdivisée en deux sous-catégories :

– la géothermie moyenne énergie (aux températures com prises entre 100 et 150°C) par laquelle la production d'électricité nécessite une technologie utilisant un fluideintermédiaire

– la géothermie haute énergie (aux températures supér ieures à 150°C) qui permet la production d'électricité grâce à la vapeur qui jaillit avec assez de pression pour alimenter une turbine.

� la géothermie de basse énergie : géothermie des napp es profondes (entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres) aux temp ératures situées entre 30 et 100°C. Principale utilisation : les réseaux de chauffage urbain. Principale utilisation : les réseaux de chauffage urbain.

� la géothermie de très basse énergie : géothermie des faibles profondeurs aux niveaux de température compris entre 10 et 30°C. Principales u tilisations : le chauffage et la climatisation individuelle par dispositifs thermodynamiques génér alement fonctionnant à l'électricité , d'où le terme barbare électro-therm odynamique, appelés plus communément « pompes à chaleurs aérothermiques » (pui sant dans l'air extérieur) et « pompe à chaleur géothermique » (puisant dans la ter re ou l'eau à faible profondeur) beaucoup plus performantes que les premières.

Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la g éothermie de profondeur (haute et basse énergie), présente l’avantage de ne pas dépendre de s conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). C’est donc une source d'énergie quasi -continue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l'énergie. Les gisements géother miques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années (30 à 50 ans en moyenne ).

Monsieur SYLLA

V-2) L’hydrauliqueL’énergie hydraulique est le plus

souvent fournie par les chutes d’ eau provoquées par l’ouverture des vannes d’un barrage fermant un réservoir d’eau. L’eau descend jusqu’à l’usine le long de conduites forcées : à sa sortie elle forcées : à sa sortie elle possède une grande énergie, due à sa perte d’altitude, qui fait tourner l’immense roue d’une turbine . Celle-ci entraîne un alternateur , qui produit du courant électrique

Monsieur SYLLA

Monsieur SYLLA

VI- SYSTEMES D’ENERGIE HYBRIDE

� Les systèmes d’énergie hybride (SEHSEH) sont en général constitués de sources d’énergie classique (Groupe Électrogène par exemple), des sources d’énergie renouvelable (éolienne, solaire, hydroélectricité, marémotrice, géothermique, hydroélectricité, marémotrice, géothermique, biomasse etc.), des convertisseurs statiques (hacheur, onduleur, redresseur…), des systèmes de stockage (Batterie, volant d’inertie, le stockage hydrogène…), des charges principales et de délestages, un système de surveillance et de protection.

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COMPOSANTS D’UN SEH

Monsieur SYLLA

Configuration des SEH

� Les générateurs électriques d’un SEH peuvent être connectés en différentes configurations. Ces configurations constitués par des sources d’énergies renouvelables, des batteries et des générateurs diesels se résument en trois : générateurs diesels se résument en trois :

� Architecture à Bus CC (bus à courant continu)� Architecture à Bus AC (bus à courant alternatif)� Architecture à Bus CC-AC

Monsieur SYLLA

Architecture à bus CCAvantages:� La connexion de toutes les sources sur un

bus à CC simplifie le système de commande

� Le générateur diesel peut être dimensionné de façon optimale, c’est-à-dire de sorte à fonctionner à puissance nominale pendant le processus de chargement des batteries jusqu’à un état de charge de 75-85%

Configuration des SEH

jusqu’à un état de charge de 75-85%Inconvénients� Le rendement de l’ensemble du système

est faible, parce qu’une certaine quantité d’énergie est perdue à cause des batteries et des pertes dans les convertisseurs

� Les générateurs diesels ne peuvent pas alimenter directement la charge, l’onduleur doit donc être dimensionné pour assurer le pic de charge

Monsieur SYLLA

Architecture à bus AC Toutes les sources de productions sont reliées au bus

AC via des convertisseurs excepté le Générateur Diesel qui peut fixer la fréquence du bus.

Avantages :� Un découplage des différents sources de

production, ce qui permet d’agir de façon assez indépendante les unes sur les autres.

� Le générateur diesel peut fixer la tension et la

Configuration des SEH

� Le générateur diesel peut fixer la tension et la fréquence du bus.

Inconvénients� Le rendement de l’ensemble du système est faible,

parce qu’une certaine quantité d’énergie est perdue à cause des batteries et des pertes dans les convertisseurs.

� La connexion de toutes les sources sur un bus à CA complique le système de commande

� Les charges continues pouvaient être connectées directement sur les sources continues ou en utilisant un redresseur

Monsieur SYLLA

Architecture à bus CC-ACDans cette configuration, les sources

d’énergie renouvelable et les générateurs diesels peuvent alimenter une partie de charge à CA directement, ce qui permet d’augmenter le rendement du système et de réduire la puissance nominale du groupe diesel et de l’onduleur. Le ou les générateur(s)

Configuration des SEH

l’onduleur. Le ou les générateur(s) diesel(s) et l’onduleur peuvent fonctionner en autonome ou en parallèle en synchronisant les tensions en sortie. Les convertisseurs situés entre les deux bus (le redresseur et l’onduleur) peuvent être remplacés par un convertisseur bidirectionnel, qui, en fonctionnement normal, réalise la conversion continue-altervnative (fonctionnement onduleur).

Monsieur SYLLA

Architecture à bus CC-ACAvantages :� Le GD et l’onduleur peuvent fonctionner en

autonome ou en parallèle. Quand le niveau de la charge est bas, l’un ou l’autre peut générer le nécessaire d’énergie. Les deux sources peuvent fonctionner en parallèle pendant les pics de charge.

� La disponibilité de réduire la puissance

Configuration des SEH

� La disponibilité de réduire la puissance nominale du GD et de l’onduleur sans affecter la capacité du système d’alimenter les pics de charges.

Inconvénients� La réalisation de ce système est relativement

compliquée à cause du fonctionnement parallèle (l’onduleur doit être capable de fonctionner en autonome et non-autonome en synchronisant les tensions en sortie avec les tensions en sortie du GD)

Monsieur SYLLA

Compléments� La puissance délivrée par les SEH peut varier de quelques watts pour

des applications domestiques jusqu’à quelques Mégawatts pour des systèmes utilisant l’électrification des petites îles. Ainsi, pour les systèmes hybrides ayant une puissance en dessous de 100kW, la connexion mixte, bus à CA et bus à CC, avec des batteries de stockage, est très répandue

� Le champ d’application des SEH est très large et par conséquent, il est difficile de classer ces systèmes. On peut néanmoins essayer de réaliser un classement par gamme de puissance (tableau). Les seuils réaliser un classement par gamme de puissance (tableau). Les seuils de puissance donnés ne sont que des ordres de grandeurs.

Monsieur SYLLA

Préparé et Présenté par El hadji SYLLA, (+221) 77 531 64 85Préparé et Présenté par El hadji SYLLA, (+221) 77 531 64 85

Monsieur SYLLA