Les énergies renouvelables

Les énergies renouvelables Mercredi 17 et Vendredi 19 Novembre 2004 A. Kaddouri

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.

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

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)

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)

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)

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)

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).

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.

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.

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)

Facteurs de conversion • Conventions qui dépendent du rendement 1000 kWh d’électricité représentent 0,0857 tep s’ils sont produit par l’hydraulique et 0,222 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%

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.

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…

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.

Demande d’énergie • Pays industrialisés forte augmentation puis stabilisation. Futur: diminution légère grâce à une meilleure efficacité énergétique. • Pays en voie de développement en pleine croissance Ils aspirent à atteindre le niveau économique des pays développés et donc ont besoin d’énergie.

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

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)

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/an Dont 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.

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 anspour les femmes

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.

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.

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)

Différentes sources d’énergie Fossiles et minérales • Charbon, Pétrole, Gaz, Uranium Énergie renouvelables • Hydraulique (barrages, fleuves, rivières, chutes d’eau) • Solaire (photons) • Éolien (vent) • Biomasse (bois, déchets végétaux……) • Géothermie (sources de chaleur souterraines ) • etc.…..

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

Consommation d’énergie primaire commerciale dans le monde Énergie G tep % Pétrole 3,50440,0 Gaz 2,16424,7 Charbon 2,18625,0 Nucléaire 0,669 7,6 Hydraulique 0,230 2,6 Total 8,752 100

Consommation d’énergie primaire en France Source Mtep % Charbon 14,1 5,5 Pétrole 98,5 38,2 Gaz naturel 37,3 14,4 Électricité 94,9 36,8 Énergies renouvelables 12,7 4,9 (thermique) Total 257,5 100

Répartition de la consommation d’énergie totale et de l’électricité selon les différents secteurs économiques Énergie totaleÉlectricité SecteurMtep % 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

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.

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).

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.

Mode de production émissions (grammes/kWh) Charbon 850-1300 Pétrole 700-800 Gaz 500-800 Nucléaire 5-20 Éolien 10-75 Solaire photovoltaïque 30-300 Biomasse 0-120 Émission de CO2 par kWh électrique pour différentes sources d’énergie

Réserves mondiales de pétrole par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001) Régions Réserves % (Gt) Amérique du nord 8,5 6,1 Amérique du sud et centrale 13,6 9,0 Europe 2,5 1,9 Ex-URSS 9,0 6,4 Moyen-Orient 92,5 65,3 Afrique 10,0 7,1 Asie pacifique 6,0 4,2 Total 142,1 100

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 56,737,8 Moyen-Orient 52,52 35,0 Afrique 11,16 7,4 Asie pacifique 10,33 6,8 Total 150,19 100

Réserves mondiales de Charbon par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001) Région Réserves % (Gt) Amérique du nord 116,70722,9 Amérique du sud et centrale 7,839 1,6 Europe 41,664 8,2 Ex-URSS 97,476 19,1 Moyen-Orient+ Afrique 61,35512,0 Asie pacifique 184,4536,2 Total 509,491 100

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.

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

Effet photovoltaïque • Découvert par le physicien Becquerel 1839 Conversion 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.

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)

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 mm : 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 : 5à8% commercialisation: 60% Si monocristallin, 30% Si multicristallin, 10% Si amorphe

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) Inconvénients L’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

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 (cabines téléphoniques, 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’un réseau de distribution électrique. 1km de ligne coûte environ 30 000 Eur. (réseau de distribution classique)

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-unis Centrales électriques photovoltaïques. Naples (Italie) : 3,3MWc États-unis Nevada : 200 MWc Coût 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 de consommation.

Le Vent • origine solaire Le 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: Pour une vitesse 2 fois plus forte la puissance est 8 fois plus forte. En pratique zones dont les vents dépassant 7m/s sont considérés de bons sites 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)

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).

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.

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, en métal (aluminium ou acier) ou en fibre de carbone. La puissance d’une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par l’hélice donc au carré du diamètre de celle-ci. Actuellement on utilise des hélices de diamètres variant entre 30 à 40 m pour des éoliennes d’une puissance unitaire de 500 kW.

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

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.

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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