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Les énergies renouvelables

Mercredi 17 et Vendredi 19 Novembre 2004

A. Kaddouri

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Qu’est ce que l’énergie ?

• Un système ou un corps possède de l’énergie s’il peut fournir du travail ou de la chaleur.

• Ex. l’essence possède de l’énergie puisque nous pouvons l’utiliser pour propulser un véhicule. Cette même essence, en brûlant, peut fournir de la chaleur.

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Différentes formes de l’énergie

• Au niveau microscopique , l’énergie peut exister sous forme organisée ou désorganisée.

• Organisée: c’est un travail

• Désorganisée: c’est une chaleur

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Particularité de l’énergie

• Elle existe sous différentes formes:

- Mécanique- Chimique- Chaleur- Nucléaire(conversion d’une forme d’énergie en une

autre, avec un certain rendement: pertes)

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Particularité de l’énergie

• Énergie primaire: n’a subi aucune conversion entre la production et la consommation (pétrole, charbon, gaz naturel, électricité d’origine nucléaire, de l’hydraulique, du bois, de l’énergie solaire et de l’énergie éolienne)

• Énergie finale: fournie aux consommateurs (besoins énergétiques et non énergétiques)

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Unités

• L’unité d’énergie dans le système international est le joule.

Pour des transformations macroscopiques, elle est très petite on utilise le kJ (1000J) ou le MJ (106J).

Énergies mises en jeu au niveau des atomes, des molécules ou des noyaux on utilise plutôt l’électron volt (eV)

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Puissance

• Quantité d’énergie par unité de temps.• L’unité de base est le watt (1W = 1J/s)• Dans le domaine de l’énergie on emploie souvent le

mégawatt (1MW = 106W) et le Tétrawatt ( 1TW = 1012W)• Dans le domaine électrique, on utilise aussi comme unité

d’énergie le watt-heure (Wh) et ses multiples. (1Wh = énergie de 1J/s pendant 1 heure, soit : 1Wh = 3600J et 1kWh = 3,6 x 106J.

• Ne pas confondre le kWh (quantité d’énergie) avec le kW (une unité de puissance)

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Équivalences

• Pour comparer différentes sources d’énergies, il est d’usage de les rapporter à l’énergie fournie par le pétrole brut.

• On utilise une unité, la tep (tonne équivalent pétrole) dont la valeur est fixée, par convention, à 1010calories = 42 GJ (11700kWh).

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Combustion

• Référence / pouvoir calorifique

• Pouvoir calorifique inférieur (PCI)

• Pouvoir calorifique supérieur (PCS) (qui inclut la chaleur latente de la vapeur produite lors de la

combustion)

On ne récupère habituellement pas cette chaleur latente dans les usages courants, on parle plutôt de PCI et la tep est définie selon cette convention.

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Pouvoir calorifique

• Pouvoir calorifique du pétrole brut varie légèrement d’un gisement à l’autre; il est également différent pour les produits pétroliers raffinés.

1 tonne d’essence = 1,048 tep

1 tonne de GPL = 1,095 tep

1 tonne de fuel lourd = 0,952 tep.

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Pouvoir calorifique du gaz naturel

• Pouvoir calorifique légèrement supérieur à celui du pétrole:

• 1 tonne de gaz naturel liquide vaut 1,096 tep (1000 m3 valent 0,857 tep)

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Facteurs de conversion

• Conventions qui dépendent du rendement

1000 kWh d’électricité représentent0,0857 tep s’ils sont produit par l’hydraulique et0,222 tep s’ils sont produit par les réacteurs

nucléaires.

Ceci provient de ce que le rendement d’une centrale hydraulique est proche de 100% alors que celui des centrales nucléaires actuelles est de 33%

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Énergie et développement

• Première consommation énergétique de l’homme est la nourriture (vivre et assurer sa descendance.

• Besoin indispensable doit être complétée par d’autres formes d’énergie qui ont pris une part de plus en plus importante au cours de l’évolution de l’humanité.

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Énergie et développement

• Il y a 600 000 ans, l’homme a découvert et maîtrisé le feu. Celui-ci lui a fourni la lumière pour voir la nuit et effrayer les animaux, et la chaleur pour lutter contre le froid et faire cuire les aliments.

• Pour alimenter ce feu de manière plus efficace, l’homme a inventé le charbon de bois, il y a environ 7000 ans, ce qui lui a permis de développer de nouvelles techniques: poterie, métallurgie du plomb, du cuivre, du fer, fabrication du plâtre et de la chaux…

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Transport

• Deuxième volet du besoin d’énergie dont ont eu besoin nos ancêtres. Il sont au cœur des civilisations d’aujourd’hui.

• Les premiers transports se sont fait à dos d’homme et d’animal. Puis la voile , utilisant l’énergie du vent fut employée dans le transport maritime. Le charbon a permis d’utiliser les locomotives à vapeur et l’essence pour les voitures.

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Demande d’énergie

• Pays industrialisés forte augmentation puis stabilisation. Futur: diminution légère grâce à une meilleure

efficacité énergétique.• Pays en voie de développementen pleine croissanceIls aspirent à atteindre le niveau économique

des pays développés et donc ont besoin d’énergie.

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Population et consommation

• 10 000 av J.C : 5 millions d’habitants

• En l’an 1 : 250 millions

• 1820 : 1 Milliard

• 1925 : 2 Milliards

• 1961 : 4 Milliards

• 2000 : 6 Milliards

• Prévisions 2020 : 8 Milliards et 2100 : 12 Milliards

Augmentation de la population accroissement demande

énergétique

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Consommation d’électricité et espérance de vie

En 2000• 14 910 TWh (6M d’individus)• Consommation mondiale moyenne • 2485 kWh/habitant/an(4M sont au dessous de cette valeur)

Consommation électrique de la France (population 60,4millions d’habitants):

• 441 TWh (i.e 7 300 kWh/habitant/an)

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Population et consommation

• L’espérance de vie semble en partie corrélée à la consommation d’énergie électrique, qui donne un ordre de grandeur du niveau de vie des pays.

• 36,5 ans En consommée <1600 kWh/habit/an

Or 3,5M habitants consomment En <875 kWh/habit/anDont 2,2 Milliards < 440 et 1Milliard < 260 kWh/habitant/an.Le taux de mortalité infantile augmente aussi fortement

lorsque la puissance consommée, toutes énergies confondues, est < 4 400 kWh/habit/an.

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Population consommation/espérance de vie (France)

• An 1796 28 Millions d’habitants 0,3 tep/habitant/an• An 1996 56 Millions d’habitants 4,1 tep/habitant/an(soit 14 fois plus) ce qui correspond à une croissance

moyenne par habitant de 1,3%/an)

Actuellement, la croissance prévue au niveau mondiale est de 2-2,5%/an.

En 200 ans, l’espérance de vie est passée de 27,5 ans pour les hommes en 1780-89, à 73,5 ans en 1994 alors qu’elle passait de 28,1 ans à 81,8 ans pour les femmes

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Produit intérieur brut (PIB)

• L’évolution du produit intérieur brut par habitant donne une estimation de la richesse des individus.

• Augmentation de 0,2% par an entre 1400 et 1820 ce qui correspond en 420 ans, à une multiplication par 2,3 de la richesse.

• Depuis 1950, cette augmentation est de 2,8% par an soit une multiplication par 4 des richesses en 50 ans.

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Énergie et avenir

• Il ne faut pas gaspiller l’énergie, car si elle est bon marché aujourd’hui, il est fort possible que ce ne soit plus le cas demain.

• Il faut préparer l’avenir en envisageant les différentes sources possibles tout en tenant compte des aspects économiques, politiques, de sûreté d’approvisionnement et environnementaux.

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Coût de l’énergie

• Évolution vers un vrai coût de l’Énergie

Externalités (terme utilisé par les économistes)

• Pollutions

• Effet de serre• Restauration des sites (cas de l’énergie nucléaire)

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Différentes sources d’énergie

Fossiles et minérales• Charbon, Pétrole, Gaz, UraniumÉnergie renouvelables• Hydraulique (barrages, fleuves, rivières, chutes d’eau)

• Solaire (photons)

• Éolien (vent)

• Biomasse (bois, déchets végétaux……)

• Géothermie (sources de chaleur souterraines )

• etc.…..

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Énergies renouvelables

Il y a 200 ans , les hommes n’utilisaient que des énergies renouvelables:

• Bois pour le chauffage• Traction animale pour les transports• Chutes d’eau et vent pour l’énergie mécanique• Au cours du XIXème siècle on utilise le charbon et

l’on invente la machine à vapeur.

• Au XXème siècle, le pétrole, le gaz et le nucléaire apparaissent

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Consommation d’énergie primaire commerciale dans le monde

Énergie G tep %

Pétrole 3,504 40,0

Gaz 2,164 24,7

Charbon 2,186 25,0

Nucléaire 0,669 7,6

Hydraulique 0,230 2,6

Total 8,752 100

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Consommation d’énergie primaire en France

Source Mtep %

Charbon 14,1 5,5Pétrole 98,5 38,2Gaz naturel 37,3 14,4Électricité 94,9 36,8Énergies renouvelables 12,7 4,9(thermique)Total 257,5 100

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Répartition de la consommation d’énergie totale et de l’électricité selon les différents secteurs

économiques

Énergie totale ÉlectricitéSecteur Mtep % TWh %

Industrie 57,9 26,8 136,6 34,5

Agriculture 3,4 1,6 2,7 0,7

Résidentiel 100,7 46,7 246,4 62,2

(tertiaire)

Transports 53,8 24,9 10,4 2,6

Total 215,8 396,1

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Effet de serre

• Sans l’effet de serre, la température moyenne de notre planète serait à -18°C. Grâce à ce phénomène, elle est de 15°C. Il représente en moyenne150W/m2.

• Depuis le début de l’ère industrielle, l’effet de serre a augmenté de 2,45W/m2, soit de 1% de l’énergie rayonnée par notre planète. Ceci a eu pour conséquence d’accroître la température moyenne, entre 1850 et 1995, de 0,3 à 0,6°C. Cette augmentation est préoccupante.

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Effet de serre• Vapeur d’eau (gaz ayant la plus grosse influence sur l’effet

de serre (60 à 70%). Néanmoins, la quantité rejetée par l’homme ne fait pas varier de façon sensible sa concentration dans l’atmosphère et le cycle de l’eau est très rapide.

• Ce n’est pas le cas d’autres gaz comme le gaz carbonique, le méthane et le protoxyde d’azote (N2O). Les composés halogénés sont rejetés en quantités moindres et leur impact est plus faible. En revanche, leur durée de vie est plus importante. Les composés halogénés jouent un rôle important dans la destruction de la couche d’ozone qui nous protège des rayons ultraviolets nocifs.(il faudra environ 50 ans pour restaurer la couche d’ozone à son niveau des années 1970).

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Effet de serre

• De manière quantitative l’augmentation de l’effet de serre se répartit de la façon suivante:

• 1,56 W/m2 pour le CO2, 0,5 pour le CH4

• 0,14 pour N2O et 0,25 pour les Composés halogénés

Les combustibles fossiles CO2 une meilleure gestion de la combustion et le choix du combustible

fossile (par ex pour une même quantité d’énergie fournie, la combustion du gaz naturel émet deux fois moins de CO2 que celle du charbon.

• Les énergies renouvelables et le nucléaire ne contribuent pas à accroître l’effet de serre.

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Émission de CO2 par kWh électrique pour différentes sources d’énergie

Mode de production émissions (grammes/kWh)

Charbon 850-1300Pétrole 700-800Gaz 500-800Nucléaire 5-20Éolien 10-75Solaire photovoltaïque 30-300Biomasse 0-120

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Réserves mondiales de pétrole par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001)

Régions Réserves%

(Gt)Amérique du nord 8,5 6,1Amérique du sud et centrale 13,6 9,0Europe 2,5 1,9Ex-URSS 9,0 6,4Moyen-Orient 92,5 65,3Afrique 10,0 7,1Asie pacifique 6,0 4,2

Total 142,1 100

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Réserves mondiales de gaz par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001)

Région Réserves %

(1012m3)Amérique du nord 7,33 4,9

Amérique du sud et centrale 6,93 4,6

Europe 5,22 3,5

Ex-URSS 56,7 37,8

Moyen-Orient 52,52 35,0

Afrique 11,16 7,4

Asie pacifique 10,33 6,8

Total 150,19 100

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Réserves mondiales de Charbon par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001)

Région Réserves %

(Gt)Amérique du nord 116,707 22,9

Amérique du sud et centrale 7,839 1,6

Europe 41,664 8,2

Ex-URSS 97,476 19,1

Moyen-Orient+ Afrique 61,355 12,0

Asie pacifique 184,45 36,2

Total 509,491 100

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Conclusion sur les réserves de pétrole, de charbon et de gaz

• Charbons, pétrole- commodité et densité d’énergie élevées.- impact mesurable sur l’environnement (effet de serre,

pollutions diverses)• Charbon : réserves considérables)• Pétrole : liquide, facile à transporter irremplaçable pour

les transports)• Gaz : faible caractère polluant, haut rendement des

dispositifs de combustion, fort effet de serre (si il y a fuite)

• La technologie permet de passer d’une forme de combustible à une autre mais la rentabilité n’est toujours pas au rendez-vous.

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les réserves de pétrole, de charbon et de gaz (suite)

Deux facteurs encourent à une demande énergétique plus forte dans l’avenir:

• L’accroissement de la population mondiale et le fait que les pays en voie de développement souhaitent accroître leur niveau de vie.

• Avec une croissance énergétique annuelle mondiale de 2 à 2,5% par an , cela revient à doubler la consommation énergétique de la planète dans 30 ans.

• Pour satisfaire à ces besoins supplémentaires, sans pour autant accroître l’effet de serre, il sera nécessaire de développer l’énergie nucléaire et les énergie renouvelables, qui ne représentent pour le moment que 10% de la consommation énergétique mondiale.

• Chacune des sources d’énergie a des avantages et des inconvénients, en terme de coût, de sécurité d’approvisionnement , d’impact sur l’environnement…..

• Il n’y a pas de solution universelle et le panache permettant d’avoir la meilleure solution énergétique est spécifique à chaque pays

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Effet photovoltaïque

• Découvert par le physicien Becquerel 1839Conversion directe du rayonnement solaire en électricité.Photons (particules de lumière) frappent certains matériaux, ils délogent et

mettent en mouvement des électrons des atomes de ces matériaux.Courant électrique = mouvement d’électrons.Application de cette découverte à partir de 1954(alimentation en électricité de téléphone installés en zones isolées, industrie

spatiale)Rendement énergétique (En électrique créée/En solaire reçue) en pratique =

15%.Rendement énergétique en Laboratoire: 30%(rendement d’une traditionnelle centrale thermique ( brûlant du charbon ou du

fioul) = 35%Le développement de l’énergie photovoltaïque n’est pas freiné par sont

rendement mais par son coût qui le limite à certaines applications.

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Les cellules photovoltaïques

• Cellule solaire matériaux semi-conducteurs (utilisés dans l’industrie électronique pour fabriquer les diodes, transistors……

• Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé (très présent dans la nature: environ 30% de l’écorce terrestre/sable, quartz)

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Différents type de cellules• Cellule faites de silicium monocristallin

Fine tranches de quelques centaines de microns à partir d’un lingot de silicium fondu refroidit très lentement: 17 à 30% de rendement

• Cellules faite de silicium multicristallin (lingot refroidit rapidement donne lieu à plusieurs gros cristaux)Tranches 300 m : rendement 15 à 20%

• Cellules faites de silicium amorphe « sans forme » ce matériau absorbe la lumière beaucoup plus que le silicium cristallin Inconvénient/ au Si cristallin rendement inférieur : 5 à 8%

commercialisation: 60% Si monocristallin, 30% Si multicristallin, 10% Si amorphe

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Installations photovoltaïques

• Une cellule au silicium cristallin (ddp= 0,5V et P faible = 1 W) ne permet pas d’alimenter directement un équipement électrique dont les tensions de fonctionnement sont normalisées (12, 24, 48V).

• on connecte plusieurs cellules = panneaux = module photovoltaïque (avec voltage et puissance désirée)

80% des modules (1m x 50 cm) vendus ont une P = 50 watts-crêtes (puissance délivrée par le module dans les conditions de référence: éclairement solaire de 1000W/m2, T=25°C)

InconvénientsL’énergie solaire est intermittente stockage nécessaire (batteries et

un régulateur de charge et de décharge)Accessoires de l’installation photovoltaïque coût 7,5 à 20 Eur /Wc

comparé au coût du module 3/Wc

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Application des systèmes photovoltaïques et leurs

perspectives de développement • Installations se développent à raison de 25%/an• 1980 (3 MWc vendus dans le monde)• 1995 (70 MWc vendus dans le monde)5% les petits appareils (montres, calculettes….) puissance faible (1W)75% l’alimentation en électricité d’habitation, de villages,d’équipements publics ou professionnels éloignés (cabinestéléphoniques, téléphone d’autoroutes, relais de télécommunication

etc. loin de tout réseau de distribution électrique.20% raccordés à un réseau électrique (murs photovoltaïques, toits)Coût 1,5 à 4,5 Eur. le kilowattheure / non concurrentiel à proximité d’unréseau de distribution électrique.1km de ligne coûte environ 30 000 Eur. (réseau de distribution classique)

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Production d’électricité raccordée à un réseau de distribution

• 1983 en pleine crise pétrolière : 7 MWc/an du marché total photovoltaïque• 1986 contre-choc pétrolier : 1MWc/an• 1990 regain d’intérêt (facteur environnementaux effet de serre, risques

nucléaires).Principaux fabricants de modules photovoltaïques:Allemagne, Italie, Japon et États-unisCentrales électriques photovoltaïques.Naples (Italie) : 3,3MWcÉtats-unis Nevada : 200 MWcCoût de l’électricité photovoltaïque = 5 à 10 fois celui de l’électricité traditionnelle (nécessité de subventions publiques)Rentabilité:Dans les zones géographiques où l’ensoleillement coïncide avec les pointes deconsommation.

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Le Vent

• origine solaireLe rayonnement solaire réchauffe inégalement la surface de la terre création de zones de températures, de densités et de pressions différentes. Les vents sont des déplacements d’air entre ces différentes zones.

• Influence de la vitesse du vent La puissance d’une éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse: Pourune vitesse 2 fois plus forte la puissance est 8 fois plus forte.En pratique zones dont les vents dépassant 7m/s sont considérés de bonssites pour l’installation d’éoliennes(25-30% de la surface de la terre correspond à des sites favorables)Environ 5% de la surface disponible sont utilisables pour l’installation d’éoliennes potentiel global serait de 55 à 60 000 TWh (comparé à la production électrique mondiale actuelle de l’ordre de 11 500 à 12 000TWh)

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Facteurs influençant la vitesse

• Le vent souffle fortement sur les pentes et aux sommets des collines.

• La vitesse du vent varie en fonction de la hauteur à laquelle elle est mesurée par rapport au sol (à 40-50 m de haut, les vitesses du vent peuvent être de 20 à 30% supérieures à la vitesse mesurée à 10-15 m.

• La vitesse moyenne du vent est variable d’une année sur l’autre (20%), d’un mois sur l’autre, d’une saison sur l’autre (hiver, automne les vent sont plus forts).

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Les éoliennes

• Descendantes des anciens ou antiques moulins à vent.

• Haute Antiquité, pour pomper l’eau ou moudre le grain.

• Depuis 1975 apparition d’éoliennes pour fournir de l’électricité au moment du choc pétrolier.

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Les différentes parties d’une éolienne

• Les ailes ou pales • Traditionnels moulins à vent (4 ailes, longueur 5-10m)• Éoliennes lentes (XIXème) (12 ailes, quelques m de diamètre)• Éoliennes récentes, XXème (rapides) 2 à 3 pales.

Pales (en bois lamellé-collé, en polyester renforcé de fibre de verre, enmétal (aluminium ou acier) ou en fibre de carbone.

La puissance d’une éolienne est proportionnelle à la surface balayéepar l’hélice donc au carré du diamètre de celle-ci. Actuellement onutilise des hélices de diamètres variant entre 30 à 40 m pour deséoliennes d’une puissance unitaire de 500 kW.

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Éolienne, Tour, Partie électrique

Tour• L’hélice est située en haut d’une tour• Le plus haut possible (30-40m)• Vent plus fort en hauteur puissance plus forte.• Poteaux en bétons (esthétique/croisillons métalliques)Partie électrique• Hélice fait tourner un générateur électrique (en haut de la tour)• Entre hélice et générateur connexion d’un multiplicateur de vitesses

(hélice tourne a 35<Vitesse<60 trs/min) alors que le générateur électrique doit être entraîné à environ à 1000 ou 1500 trs:min)

• Orientation de l’éolienne en fonction de la direction du vent (doit être en permanence face au vent)

• Régulation de la vitesse de l’éolienne ( ne doit pas s’emballer quand le vent est trop fort: système de freinage)

• La puissance délivrée par une éolienne: P = ½( aSV3) a = densité de l’air

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Rendement des éoliennes

• Loi de Betz on ne récupère que 60% de l’énergie cinétique du vent (énergie reçue)

• Tourbillon et turbulence à l’arrière de l’éolienne (diminuent le rendement)

• Générateur électrique rendement de 90%)• Direction et force du vent variable

• Conclusion : rendement de 30%/énergie initiale du vent.

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Impact des éoliennes sur l’environnement

• Porte atteinte au paysage

• Disposition en ligne (préférable)

• Tours préférable aux croisillons métalliques

• Bruit

- origine mécanique (machines tournantes)

- origine aérodynamique (rotation des pales)

• Danger pour oiseaux migrateurs

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Utilisation et perspectives de développement

• Pompage de l’eau

Pompes mécaniques et électriques• (usage domestique et irrigation, alimentation en eau du bétail)

1 million d’éoliennes dans le monde (États-unis, Afrique du sud, Australie et Argentine)

• Production d’électricité

- sites éloignés des réseaux d’électricité

- raccordement aux réseau

Coût est variable entre 10 et 15 CTS /kWh, compétitif / au coût de

l’électricité fournie par les groupes électrogènes diesel.

Chine, Amérique du nord (très grand nombres de petites éoliennes)

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Éoliennes raccordées au réseau électrique

• Éoliennes de plus grande puissance : 50 à 500 kW, voire plus.• Diamètre des pales de 10 à 50 m• Parc éolien (batteries d’éoliennes) • Coût d’électricité : 5 à 10 CTS/kWh• Puissance électrique éolienne dans le monde environ

5000 MW• L’inde : 500MW• L’Allemagne: 1100 MW• Le Danemark: 600 MW• France: 3 MW (dans l’Aude à porte la nouvelle )

» (Dunkerque et à la Guadeloupe)

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L’énergie hydraulique

• Celle des rivière et des fleuves connue depuis l’Antiquité: moudre le grain ou élever l’eau)

• Pendant des siècles énergie mécanique• XIXème Énergies rotatives des roues, turbines

transformation Énergie mécanique Énergie électrique

• Avec l’énergie-bois l’énergie hydraulique est l’énergie renouvelable la plus répandue aujourd’hui

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Le cycle de l’eau• L’eau tombe du ciel sous forme de pluie ou de neige.• Une partie retourne vers le ciel (60%)

(évaporation ou transpiration des plantes)• Une autre ruisselle sur le sol (rivières, fleuve, infiltration dans le sous sol)

Tout corps situé en hauteur a une énergie potentielle. L’eau qui tombeen altitude a une énergie potentielle, du simple fait de cette altitude.

En Potentielle (chute) > énergie de mouvement (cinétique) de l’eau qui coule.

Le moteur de ce cycle de l’eau est le soleil, responsable del’évaporation. L’énergie hydraulique est donc d’origine solaire comme la plupart desÉnergies renouvelables

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Centrales hydroélectriques

• La puissance (en kW): hauteur de chute et débit d’eau

P = 9,81 Q x H (Q : débit d’eau en m3/s, H : hauteur de la chute)

Puissance max subit des pertes (20% : partie hydraulique, mécanique et

Électrique) P 80% x 9,81 Q x HConséquence: Pour une même puissance, unecentrale hydraulique peut être alimentée, soit par:- un faible débit tombant d’une grand hauteur de chute

(montagne: France /Pyrénées 1420m centrale Portillon)

- un débit important tombant d’une faible hauteur(grand fleuves:France /Rhin et Rhône: H = 10 à 15m)

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Les réservoirs

• Irrégularités des cours d’eau• Irrégularités de la demande d’électricité (saisons)On ne peut stocker ni le vent ni le soleil. Enrevanche on peut stocker l’eau dans des réservoirs:• Les centrales de lac (400 heures de réserve d’eau)• Les centrales d’éclusée (de 20 à 400 heures)• Les centrales au fils d’eau (pas de capacité de stockage)

Réservoirs artificiels les plus grands du monde 160Milliardsde m3 d’eau (Bratsk (Russie), Assouan (Égypte), Kariba(Zimbabwe)France : Serre-Ponçon (hautes Alpes): 1 Milliard m3.

(1800MW)

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Barrages

• Crée tout ou partie de la hauteur de la chute• Retient l’eau à l’amont et la stocke.

Implantation d’un barrage dépends des:- Conditions topographiques (étranglement ou

resserrement du cours d’eau).- Géologiques (bonnes roches de fondation du

barrage/parois latérales)- Hydrologiques (précipitations dans le bassin versant

doivent être suffisantes pour remplir la cuvette en année d’hydraulicité moyenne)

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Différents types de barrages

• Barrages poids (en béton): reportent la poussée de l’eau sur le sol qui doit être très solide.

• Barrages à contreforts (simple parois verticale soutenus par des contreforts qui s’appuient sur le sol)

• Barrages voûtes (par effet de l’arc transmettent et reportent l’eau sur les parois latérales

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Barrages en France

• 139 grands barrages d’EDF

• 80 barrages-poids

(40 en bétons, 26 en remblais, 14 avec contreforts)

• 51 barrages-voûtes.

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Transformation de l’énergie hydraulique en énergie mécanique (turbine) puis de l’énergie mécanique en

énergie électrique (les générateurs)

• Énergie hydraulique = énergie potentielle (due à la différence d’altitude entre l’amont et l’aval de la chute)

• Énergie convertie au bas de la chute en énergie de pression utilisée pour faire tourner une turbine.

• Le mouvement rotatif de la turbine (70 à 1000 tours/min) fait tourner un générateur électrique (alternateurs).

• Centrales électriques: production de 100 à 10 000 MW

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Énergie hydraulique dans le monde et en France

et ses perspectives de développement • Potentiel hydraulique exploitable dépend de:

- de la hauteur et du débit

- Altitude, pluviométrie, surface du bassin versant (le plus prépondérant).

En pratique ce ne sont pas les pays montagneux

ou les plus pluvieux qui ont le plus grand potentiel.

Potentiel théorique mondial : 35 000TWh Asie, ex URSS,

Amérique latine… (par rapport à la production électrique

Mondiale actuelle 11 500 à12 000 TWh.

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Potentiel hydraulique actuellement exploité

• 1990 potentiel exploité (monde) 2200 TWh

(1/6 ème du potentiel exploitable)4 gros producteurs d’énergie hydraulique:

Canada, États-unis, brésil ex URSS

France en 10ème position 69 TWh(développement du nucléaire + important)

Norvège : toute l’électricité produite est

d’origine hydraulique.

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Coût de l’énergie hydraulique

• Très variable en fonction de la topographie (bon sites retiennent beaucoup d’eau), de l’hydraulicité, de la distance entre le site du barrage et les lieux de consommation.

• Coûteuse en fonction de l’investissement et peu en fonctionnement (amortissement sur une période longue de 15 à 20 voire 30 ans).

• 2 à 2,5 cts Eur./KWh (grande hydraulique)• 4 cts Eur./KWh (petite hydraulique)

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L’énergie des déchets

• Source d’énergie perpétuelle et renouvelable (activité humaine, agricole, industrielle génère des déchets)

• Principales façons:

- La fermentation

- L’incinération

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Fermentation des déchets (génération du biogaz)

• Elle s’applique

• aux déchets d’élevage,

• aux effluents agro-alimentaires,

• aux boues de stations d’épuration urbaines

• aux ordures ménagères

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Principe de la fermentation

• La fermentation est un processus biologique par lequel les bactéries décomposent les matières organiques.

• Anaérobique: se déroule en absence d’air;

• Elle conduit à la formation d’un biogaz:

- méthane (inflammable)

- dioxyde de carbone (inerte)

- résidus (amendement organique:engrais)

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Différents types de déchets fermentescibles

• Déchets de l’élevage (Porcs, bovins etc.)• Effluent industriels (industries agroalimentaires

(brasseries, sucreries, distilleries d’alcool  »cognac», laiteries, papeteries)

(en France 70 usines traitent leurs eaux usées par fermentation méthanique)

• Les boues de stations d’épuration urbaines(eaux usées urbaines sont d'abords décantées pour donner

des boues qui sont fermentées)

• Les ordures ménagères

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Ordures ménagères

• Biogaz des décharges1993 48% déchets ménagers décharge2002 interdiction de mise directe en décharge.55% des ordures ménagères sont fermentescibles(cuisine, papier, cartons etc.)

200m3 de biogaz (avec 50% de CH4) par tonne d’ordures ménagères.

Biogaz contient aussi H2S, CO2 condensas acides qui attaquent les métaux (problème de transport du biogaz).

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Usage du biogaz

• Faible teneur en méthane (consommation sur place).

• Chaleur (utilisation courante)A 70% de CH4 le biogaz a un pouvoir calorifique de 23MJ/kg(2 fois moins que le fioul ou du propane)

• Électricité (frais d’investissement et de maintenance des groupes électrogènes)

Coût de l’électricité obtenue 0,25F/kWh (compétitif).

• Le carburant (+ d’1million de véhicules fonctionnent au CH4 comprimé GNV)

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Contraintes, avantages du biogaz

• Occupe un volume 5 fois supérieur qu’un carburant liquide. (autonomie inférieure)

• Doit être épuré de son CO2, H2O et H2S

Avantages

Bon indice d’octane/ super

Pollution limitée

Réservoir ne contient que du gaz et non un mélange (pas d’air pas de risque d’explosion)

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Incinération des déchets

• Brûler des déchets Élimination des déchets (diminution 70% poids, 90% V)

énergie (chaleur, électricité)

1kg d’ordures ménagères/habitant/jour

25-40% papiers, 20-30% de déchets cuisines, jardins et 5-

10% plastiques, 6-8% verre et 4-8% métaux.

Italie, Angleterre, canada, États-unis (incin. 17%)

Japon, Suisse (75%)

France (48%) (300 usines)

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Récupération d’énergie

• 1 tonne d’ordures ménagère 9MJ/kg

• 5-7 t de déchets ménagers = 1t fioul• Des fumées qui s’échappent du four on

récupère de l’énergie: les fumées cèdent de la chaleur à travers un échangeur, à l’intérieur duquel circule de l’eau surchauffée (rendement = 80%)

• Production de 1500 kWh thermique/tonne d’ordure (chauffage domestique, industries hôpitaux)

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Technique d’incinération

• Four (décomposition des déchets et dégagement des gaz)

• chambre de postcombustion les gaz brûlent à 800-900°C.

(Les déchets doivent être bien répartis et bien en contact avec l’air)

Il existe trois types de fours

Fours à support (des grilles supportent et retournent les déchets)

Fours rotatifs (mouvement rotatif assure le brassage)

Fours à lit fluidisé (les déchets sont mélangés à un lit de sable qui est mis en suspension par une insufflation d’air à la base)

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Production d’électricité

• Vapeur à plus grande pression est nécessaire• Elle est dirigée vers une turbine.• Turbine fait tourner une génératrice électrique.• Rendement énergétique de la turbine dépend de

la différence de pression entre l’entrée et la sorte de la turbine (25%).

• 300-400kWh électrique / tonne de déchets ménagers.

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Production d’électricité

• 80 kWh (sur 400) est consommée pour les propres besoins de l’usine le reste est vendu au réseau électrique.

• On peut produire simultanément de l’électricité et de la chaleur (cogénération)

• Si valorisation de 50% de tous les déchets urbains en France (30 millions de tonnes :an) économies de 3 millions de tonnes équivalent pétrole (1% de la consommation d’énergie française).

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Effets sur l’environnement

• L’incinération des déchets urbains peut engendrer une pollution atmosphérique

• Fumées contiennent des métaux, gaz acides (doivent être dépoussiérées: filtres, bases)

• Effet de serre (déchets ménager sont d’origine végétale CO2 recyclé par la croissance des végétaux)

• Résidus d’épuration des fumées (produits toxiques sont stabilisé et solidifiés décharge)

• Autres « mâchefers » 30% non combustible (travaux routiers)

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Les biocarburants

Deux grandes catégories:• Le bioéthanol (en substitution de l’essence)Alcool produit par fermentation des sucres contenus soit:- dans plantes riche en sucre (betteraves, topinambours, cannes à sucres…)

- dans des plantes riches en amidon (pommes de terre, céréales…

- dans des plantes ligneuses (bois, paille….)

L’alcool améliore l’indice d’octane du moteur (i;e son pouvoir détonant)

Brésil: premier pays consommateur de carburant alcool (éthanol pur ou environ 20% dans l’essence)

États-unis (10% dans l’essence), France (5%)

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Biocarburants

• L’ester d’huile végétale (en substitution du gazole)

On peut brûler dans un moteur soit de l’huile végétale (colza, tournesol, palme, soja, arachide…) soit des esters d’huile.

L’estérification est une réaction chimique entre une huile et un alcool, qui produit l’ester, de la glycérine et des acides gras.

L’ester présente deux avantages sur les huiles brutes

a) Moindre viscosité

b) Meilleure aptitude à s’enflammer dans le moteur

Le carburant qui est commercialisé actuellement est l’ester méthylique d’huile de colza.

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Formules Chimiques

• Ester : R-CO2R’,

(R, R’ = CH3-, C2H5- etc.)

• Acide gras: CH3-(CH2)n-CO2H

• Glycérine: CH2OH-CH(OH)-CH2OH

• Alcool : R-OH, CH3OH, C2H5OH, etc.

• Réaction de trans-estrification en présence de méthanol esters méthyliques

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Incorporation d’ester dans le gazole

• Taux variables allant de 5 à 100% (ester pur)

En France: • 5% esters (véhicules de tourisme)• 30% esters dans des véhicules de transport en commun• En Allemagne: 30 à 100% ester (véhicules de tourisme)• Autriche: 100% ester (véhicules de transport en

commun)

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Bilan énergétique des biocarburants

• rendement énergétique tout juste positif pour le bioéthanol

(Pour produire les biocarburants il faut consommer de l’énergie)

1,15 lorsqu’il est produit à partir du blé1,65 lorsqu’il est produit à partir de la betterave

• rendement énergétique est meilleur pour l’ester (varie de 2 à 5)

• Enjeux énergétiques (France): Si on incorpore systématiquement (6% éthanol dans l’essence et 5 % d’ester de colza dans le gazole on peut économiser jusqu’à 1,5 millions de tonnes d’équivalent pétrole soit près de 4% de la consommation française de carburants

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Bilan environnemental des biocarburants

• Différent selon qu’on s’intéresse seulement aux pollutions émises lors de leurs utilisation (ce qui sort du pot d’échappement).

• Selon qu’on s’intéresse aux pollutions émises tout au long de leur cycle de vie.

a) Phase agricole

b) Phase industrielle de fabrication des biocarburants

c) Phase d’utilisation

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Pollution

• Impact sur la pollution atmosphérique locale (Progr. de recherche Eur.pour l’évaluation des pollution émises par différents carburants)

• Rejet faible d’oxydes de soufre• Ester de colza rejette moins de particules (suies) que le gazole• Les biocarburants contiennent plus d’oxygène, leurs combustion

est donc plus complète 3 effets:

a) Éthanol très peu de CO

b) Éthanol ou ester Une diminution des hydrocarbures imbrûlés

c) Une légère augmentation des oxydes d’azote

Globalement le bilan est positif/ au carburants classiques

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Impact sur l’effet de serre

• Biocarburants bénéfiques du point de vue de l’effet de serre?

• En brûlant les biocarburants on rejette aussi du CO2 dans l’atmosphère !

• CO2 est recyclé par la croissance des plantes.(carburants d’origine végétale)

• Les quantités de CO2 sont 3 à 8 fois moindres par comparaison aux carburants pétroliers.

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Autres impacts

• Pollution de l’eau (nitrates, produits phytosanitaires) due à une culture intensive de blé, betteraves, colza etc à des fins énergétiques.

• Colza : bon piège à nitrates

Culture à des fins énergétique et la jachère nue mieux vaut la culture.

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Impact des biocarburants sur la politique agricole

• Un hectare de blé 2500l éthanol• Un hectare de betteraves 6500 l• Un hectare de colza 1300l d’ester• Intérêt pour l’agriculture Européenne de reconvertir les

terres en jachère en terres pour l’énergie ou la chimie.• En France si on incorpore:5% éthanol (essence) et 5% d’ester de colza dans le

gazole cela représente une couverture 250 000 ha pour l’éthanol (1,5% des terres françaises et de 1 million d’hectares pour le colza (5,5% des terres).

Au total l’agriculture pour l’énergie et la chimie occuperait à peine 10% des terres en jachère.

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Bilan économique des biocarburants

• coût du biocarburant 0,45 €/litre à la production (1990)

• coût du carburant d’origine pétrolière 0,15 €/litre.• Différence de prix freine le développement • nécessité de la défiscalisation• Intenses recherches sont faites dans différents

laboratoires dans le monde:• Amélioration du rendement énergétique• Amélioration du bilan économique

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La géothermie

• Origine radioactive (Uranium, Thorium, Potassium) de la chaleur de la terre (4000°C au centre)

• Roches =mauvais conducteur de chaleur <0,06W/m2> (3500 fois moins que le flux d’énergie solaire reçu à la surface de la terre).

• Dans certaines régions à haute activité géothermique ce flux est plus fort (éruptions volcaniques,sources chaudes, fumerolles….)

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Extraction

• Gradient de température en fonction de la profondeur (3,3°C/100m i.e 30°C/km).

• Minimum de 150°C pour produire de l’électricité à partir de l’énergie géothermique.

• Quelques dizaine de degrés pour produire de la chaleur.

• Perméabilité du sous-sol nécessaire pour extraire de la chaleur

• Envoyer de l’eau sous pression à réchauffer(projet européen-4000m-Soultz Alsace)

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Géothermie basse énergie

• Coût de l’investissement est important (puit, échangeur de chaleur, réseau de chaleur)

• 75% du coût de l’énergie produite

• Investissement 400-600 Eur/kW

• Coût de fonctionnement 2 à 4 cts le kWh

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Principaux producteurs de la géothermie basse énergie

• Géothermie présente dans 40 pays

• Chine, États-unis, Islande, ex-URSS, Hongrie, japon, Italie et France.

• Capitale d’Islande est chauffée à 80% par la géothermie.

• En France la puissance installée est de 337MW.

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Géothermie haute et moyenne énergie « électricité »

• Gisements de vapeur sèche ou humide à des températures 250-350°C

• Profondeurs 1500-3000m

• Zones volcaniques

• Vapeur sèche envoyée dans une turbine la fait tourner mouvement rotatif engendre de l’électricité en faisant tourner une génératrice électrique. (Californie USA, Lardello Italie)

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Coût de l’électricité géothermique

• 380-1080 € /kW installation• Coût du kWh 0,015-0,022 cts

(compétitif)

• Puissance mondiale 6800 MWUSA 2800MW, Philippines 1220MW

• France 4MW (Guadeloupe)

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Géothermie et environnement

• Peu polluante

• Ne brûle pas de carbone

• Ne dégage pas de CO2 (pas d’effet de serre)

• CH4, H2S sont contenus dans les vapeur d’eau

• Forage des puits risque de mettre en communication des nappes souterraines différentes les unes des autres.