Les formes exploitables des énergies renouvelables

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    15-Aug-2015
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  1. 1. Les formes exploitables des nergies renouvelables
  2. 2. Les deux grandes sources dnergie renouvelables sont deux racteurs nuclaires ! Soleil = fusion Noyau terrestre= fission
  3. 3. Lnergie solaire est la source de lnergie lhydraulique et de la croissance de la biomasse.
  4. 4. Le soleil est aussi la source de lnergie olienne
  5. 5. Une nergie renouvelable est une nergie exploite par l'Homme, de telle manire que ses rserves ne s'puisent pas. En d'autres termes, sa vitesse de formation doit tre plus grande que sa vitesse d'utilisation.
  6. 6. Le solaire L'olien L'hydraulique La biomasse La gothermie
  7. 7. Le solaire nergie solaire thermique nergie photovoltaque Lnergie solaire a directement pour origine lactivit du Soleil. Le Soleil met un rayonnement lectromagntique dans lequel on trouve notamment les rayons cosmiques, gamma, X, la lumire visible, linfrarouge, les micro-ondes et les ondes radios en fonction de la frquence dmission. Tous ces types de rayonnement lectromagntique mettent de lnergie. Le niveau d irradiance (le flux nergtique) arrivant la surface de la Terre dpend de la longueur donde du rayonnement solaire.
  8. 8. nergie solaire thermique chauffe-eau solaire Dans les conditions terrestres, le rayonnement thermique se situe entre 0,1 et 100 micromtres. Il se caractrise par lmission dun rayonnement au dtriment de lnergie calorifique du corps metteur. Ainsi, un corps mettant un rayonnement thermique voit son nergie calorifique diminuer et un corps recevant un rayonnement thermique voit son nergie calorifique augmenter. Le Soleil met principalement dans le rayonnement visible, entre 0,4 et 0,8 micromtres. Ainsi, en rentrant en contact avec un corps le rayonnement solaire augmente la temprature de ce corps. On parle ici dnergie solaire thermique. Cette source dnergie est connue depuis trs longtemps, notamment par le fait de se positionner un endroit ensoleill afin de se rchauffer.
  9. 9. nergie solaire thermique L'nergie thermique peut tre utilise directement ou indirectement : directement pour chauffer des locaux ou de l'eau sanitaire (panneaux solaires chauffants) ou des aliments (fours solaires), indirectement pour la production de vapeur d'un fluide caloporteur pour entraner des turbines et ainsi obtenir une nergie lectrique (nergie solaire thermodynamique (ou heliothermodynamique)). Centrale solaire de THEMIS
  10. 10. nergie photovoltaque Lnergie photovoltaque se base sur leffet photolectrique pour crer un courant lectrique continu partir dun rayonnement lectromagntique. Cette source de lumire peut tre naturelle (soleil) ou-bien artificielle (une lampe).
  11. 11. Principe de fonctionnement Les cellules photovoltaques (photon : grain de lumire et volt: unit de tension) convertissent directement l'nergie lumineuse en lectricit courant continu basse tension. Comme l'nergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires. On distingue deux types de panneaux solaires : - Les panneaux solaires thermiques, appels capteurs solaires thermiques, qui convertissent la lumire en chaleur rcupre et utilise sous forme d'eau chaude. - Les panneaux solaires photovoltaques, appels modules photovoltaques, qui convertissent la lumire en lectricit. Le solaire photovoltaque est communment appel PV. Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des quipements de production d'nergie solaire.
  12. 12. Les diffrents types de cellules On distingue en outre, en fonction des technologies utilises : - silicium monocristallin : les capteurs photovoltaques sont base de cristaux de silicium encapsuls dans une enveloppe plastique (rendement 15%). - silicium polycristallin : Les capteurs photovoltaques sont base de polycristaux de silicium, notablement moins coteux fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible (rendement de 13%). Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualit lectronique. - silicium amorphe : les panneaux tals sont raliss avec du silicium amorphe au fort pouvoir nergisant et prsents en bandes souples permettant une parfaite intgration architecturale (rendement de 7%).
  13. 13. La fabrication Les panneaux solaires photovoltaques regroupent des cellules photovoltaques relies entre elles, en srie et en parallle. Ce sont les cellules base de silicium qui sont actuellement les plus utilises, les autres types tant encore soit en phase de recherche/dveloppement, soit trop chres et rserves des usages o leur prix n'est pas un obstacle.
  14. 14. Le recyclage Le recyclage des modules base de silicium cristallin consiste en un simple traitement thermique servant sparer les diffrents lments du module photovoltaque et permet de rcuprer les cellules photovoltaques, le verre et les mtaux (aluminium, cuivre et argent). Le plastique comme le film en face arrire des modules, la colle, les joints, les gaines de cble ou la boite de connexion sont brls par le traitement thermique. Une fois spares des modules, les cellules subissent un traitement chimique qui permet dextirper les contacts mtalliques et la couche anti-reflet. Ces plaquettes recycles sont alors : soit intgres dans le process de fabrication de cellules et utilises pour la fabrication de nouveaux modules, soit fondues et intgres dans le process de fabrication des lingots de silicium. Exemple: Lentreprise allemande Deutsche Solar, filiale de Solarworld, dispose de sa propre usine de recyclage mise en service en 2003 afin de traiter les modules photovoltaques en fin de vie provenant dune ancienne centrale photovoltaque installe sur lile de Pellworm en mer du Nord.
  15. 15. Lactivit solaire est la principale cause des phnomnes mtorologiques. Ces derniers sont notamment caractriss par des dplacements de masse dair lintrieur de latmosphre. Cest lnergie cintique de ces dplacements de masse dair qui est la base de lnergie olienne. Lnergie olienne consiste ainsi utiliser cette nergie mcanique. Lnergie olienne a aussi t vite exploite laide de moulins vent quips de pales en forme de voile, comme ceux que lon peut voir aux Pays-Bas ou encore ceux mentionns dans Don Quichotte. Ces moulins utilisent lnergie mcanique pour actionner diffrents quipements. Les moulins des Pays-Bas actionnent directement des pompes dont le but est dasscher ou de maintenir secs les polders du pays. Les meuniers utilisent des moulins pour faire tourner une meule grains. Aujourdhui, ce sont les oliennes qui prennent la place des moulins vent. Les oliennes transforment lnergie mcanique en nergie lectrique, soit pour linjecter dans un rseau de distribution soit pour tre utilise sur place (site isol de rseau de distribution). L'olien
  16. 16. L'olien Puissance proportionnelle au cube de la vitesse du vent La vitesse augmente avec la hauteur au dessus du sol et en bord de mer et offshore Importance du gisement olien : nombre dheures de fonctionnement annuel
  17. 17. Vitesse du vent en m/s Puissance lectrique dlivre par m au sol occups par des oliennes en W/m
  18. 18. Les types doliennes olienne Darrius olienne Savonius olienne pales
  19. 19. olienne pales Eolienne 3 pales : Pour une olienne, la force exerce par le vent est donc plus importante au niveau de la pale la plus haute quau niveau de celle la plus basse. Cette diffrence induit une torsion au niveau de laxe du rotor et du moyeu de lolienne. Cela entrane des contraintes mcaniques et augmente lusure et le risque de panne du systme. La multiplication du nombre de pales et leur disposition en Le vent est frein par les obstacles du sol (arbres, btiments), par consquent, sa vitesse augmente avec laltitude. nombre impaire (donc sans opposition verticale) rduit ces contraintes. En outre, cela diminue les vibrations et donc le bruit mis par lolienne. Cependant, chaque pale produit des turbulences qui gnent la pale suivante et rduit donc le rendement global du dispositif. Par ailleurs, le cot dune olienne augmente avec le nombre de pales. Le nombre de trois pales est donc le meilleur compromis entre fiabilit technique, rendement, cot et nuisance sonore rduite. Son principe repose sur leffet de portance subi par un profil soumis laction d'un vent relatif
  20. 20. olienne Savonius Le type Savonius, constitu schmatiquement de deux ou plusieurs godets demi- cylindriques lgrement dsaxs prsente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet dintgrer lolienne aux btiments sans en dnaturer lesthtique, il est peu bruyant. Il dmarre de faibles vitesses de vent et prsente un couple lev quoique variant de faon sinusodale au cours de la rotation. Ajoutons finalement que laccroissement important de la masse en fonction de la dimension rend lolienne de type Savonius peu adapte la production de masse dans un parc oliennes.
  21. 21. olienne Darrius Le type Darrieus repose sur leffet de portance subi par un profil soumis laction d'un vent relatif ; effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs dclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposs de part et d'autre de l'axe - jusquau rotor parabolique o les profils sont recourbs en troposkine et fixs au sommet et la base de l'axe vertical. Une olienne de ce type a fonctionn au Qubec (au Parc ole) de 1983 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est dtrior lors d'un coup de vent, il tait conu pour fournir 4 MW avec un gnrateur au sol. Ces oliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont la base du projet Wind'It.
  22. 22. L'hydraulique nergie des vagues nergie marmotrice nergie hydrolienne nergie osmotique nergie thermique des mers
  23. 23. nergie des vagues
  24. 24. nergie marmotrice L'nergie marmotrice' est issue des mouvements de l'eau cre par les mares, causes par l'effet conjugu des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est utilise soit sous forme d'nergie potentielle - l'lvation du niveau de la mer, soit sous forme d'nergie cintique - les courants de mare.
  25. 25. nergie hydrolienne Une hydrolienne est une turbine sous-marine (ou subaquatique, ou pose sur l'eau et demi-immerge) qui utilise l'nergie cintique des courants marins ou de cours d'eau, comme une olienne utilise l'nergie cintique de l'air.
  26. 26. nergie hydrolectrique
  27. 27. nergie osmotique Il est thoriquement possible d'extraire de l'nergie au voisinage des estuaires (o l'eau douce des cours d'eau se mlange avec l'eau sale de la mer), en exploitant le phnomne d'osmose : si de leau douce et de leau sale sont spares par une membrane semi- permable, leau douce migre travers la membrane. Si le rservoir contenant leau sale est une pression suprieure celle de leau douce, leau douce migre vers leau sale tant que la diffrence de pression nexcde pas une valeur limite (limite thorique avec l'eau de mer : 2,7 MPa, soit 27 bars) ; la surpression ainsi cre peut tre utilise pour actionner une turbine. Dans la pratique, on envisage d'oprer avec une surpression de 1 MPa (10 bars) ; un dbit deau douce de 1 m3 s-1 gnrerait alors 1 MW. Une autre possibilit consiste utiliser des membranes qui ne laissent passer qu'un type d'ions : on peut alors produire directement de l'lectricit. L'impact sur l'environnement est en principe nul, puisque le mlange se serait fait naturellement. Dans ltat actuel de la technologie, la surface de membrane ncessaire est de 200 000 250 000 m2 par Mgawatt .
  28. 28. nergie thermique des mers L'nergie thermique des mers (ETM) ou nergie marthermique (ETM ou OTEC en anglais pour Ocean Thermal Energy Conversion) est produite en exploitant la diffrence de temprature entre les eaux superficielles et les eaux profondes des ocans. Un acronyme souvent rencontr est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion. Cette diffrence de temprature peut tre exploite par une machine thermique. Cette dernire ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'nergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.
  29. 29. nergie thermique des mers L ENR utilise la diffrence de temprature entre leau chaude de surface et leau froide venant des profondeurs (~ 5C pompe env. 1000m) pour faire fonctionner une machine thermique. Lapplication est limite la ceinture intertropicale pour avoir une eau chaude dau moins 25C afin davoir un rendement acceptable Une usine installe en surface utilise cet change thermique pour produire de llectricit 24h/24h & 7j/7j (contrairement dautres ENR) Cette machine thermique peut fonctionner selon plusieurs concepts et selon diffrents cycles thermodynamiques : ouvert, ferm ou hybride, Rankine, Kalina ou Uehara,
  30. 30. nergie thermique des mers Une histoire franaise -Thorie, 1881, J. d'Arsonval, physicien, propose de mettre profit la diffrence de temprature entre la surface et le fond de l'ocan tropical pour faire tourner une machine thermique et produire ainsi de llectricit : c'est la premire formulation correcte du principe de l'nergie thermique des mers. La pratique : Georges Claude, 1928-1930. Premires expriences l'chelle "industrielle" du procd d'nergie thermique des mers.
  31. 31. nergie thermique des mers
  32. 32. La biomasse
  33. 33. La gothermie La gothermie est la rcupration de la chaleur interne de la Terre. Pour tre directement exploitable, elle ncessite des conditions gologiques particulires. En Ile de France, par exemple, des nappes aquifres, prisonnires plusieurs dizaines de mtres sous terre, peuvent atteindre des tempratures suprieures 70C. Cette eau est alors directement exploitable, par un simple change de chaleur avec le rseau de chauffage du btiment. Production de chaleur Il existe plusieurs faons de rcuprer la chaleur de la Terre. La premire est d'utiliser les sources gothermales. La seconde est d'injecter de l'eau froide en profondeur pour qu'elle se rchauffe, puis la repomper temprature leve. Cette technique ncessite de trouver sur le site des roches chaudes une profondeur raisonnable (quelques centaines de mtres quelques kilomtres).
  34. 34. Les pompes chaleur (PAC) Les pompes chaleurs sont des systmes thermodynamiques transfrant de la chaleur d'un milieu un autre. Grce un apport en nergie lectrique, la pompe prlve de la chaleur l'extrieur (le sol par exemple) et la restitue l'intrieur du btiment. L'intrt d'un tel systme est qu'il transfert plus d'nergie calorifique qu'il ne consomme d'lectricit pour le faire fonctionner. Contrairement un autre systme de chauffage, son rendement de gnration est donc suprieur 1. Une PAC est donc un systme de chauffage et/ou rafrachissement lectrique. Les rendements de production variant en fonction des tempratures des milieux de prlvement et d'mission, le rendement moyen annuel est sensiblement infrieur aux donnes fabricant qui sont dtermines dans des conditions standardises. Il n'en reste pas moins que ces systmes sont nergtiquement performants.
  35. 35. Les pompes chaleur utilisent ce phnomne pour transfrer de grandes quantits de chaleur. Le schma de principe ci-aprs montre que la pompe va forcer un fluide frigorigne s'vaporer d'un ct pour aspirer de la chaleur, puis se condenser de l'autre ct pour la restituer. La magie vient du fait que l'nergie lectrique ncessaire forcer le changement de phase est trs infrieure au flux de chaleur entrain par ce changement. Pour comprendre le principe d'une pompe chaleur, il suffit de vous imaginer en plein hiver, sortant de votre douche. Comme vous avez oubli de monter le chauffage, vous grelotez de froid. Vous vous jetez donc sur votre serviette et vous vous dpchez de vous essuyer. Une fois sec vous avez dj beaucoup moins froid, n'est-ce pas ? Si nous avons plus froid mouills que secs, c'est parce que l'eau qui nous recouvre s'vapore petit petit en prlevant la chaleur de notre corps. L'eau a transfr de l'nergie, de notre corps vers l'air. Pour qu'un fluide passe de la phase liquide la phase gazeuse il faut lui fournir beaucoup d'nergie. A titre d'exemple, il faut fournir 1 calorie 1 g d'eau liquide pour augmenter sa temprature d'un degr (c'est sa chaleur spcifique). Pour faire passer ce mme gramme d'eau (liquide) l'tat de vapeur, et ce sans modifier sa temprature, 537 calories sont ncessaires (c'est sa chaleur latente).
  36. 36. Les ressources utilises pour cette prsentation sont issues: - de Wikipdia - de productions de M. Boye Henri rapporteur d'une mission ministrielle, confie Mme la Snateur Gisle Gautier, sur les Energies renouvelables Marines.