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DIAGNOSTIC ENERGETIQUE Economies d’énergie

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Présentation au sujet: "DIAGNOSTIC ENERGETIQUE Economies d’énergie"— Transcription de la présentation:

1 DIAGNOSTIC ENERGETIQUE Economies d’énergie
Licence professionnelle E2D2

2 Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
Raréfaction des énergies fossiles Système fermé ! +100 Millions /an ! + 210 Millions de TEP /an ! Nous sommes entrés dans une ère de raréfaction des énergies du fait de l’aspect fini de la planète (système fermé) et de l’accroissement exponentiel de la population mondiale. La consommation énergétique mondiale suit deux influences superposées : le besoin énergétique de chacun augmente avec son amélioration des conditions de vie, et nous sommes chaque jour de plus à consommer !!! depuis 1860, facteur 4 sur la population et facteur 10 sur la consommation d’énergie individuelle => facteur 40 sur la consommation d’énergie mondiale. Autrement dit, l’Homme soutire à la nature 40 fois plus d’énergie qu’il y a 150 ans De 0,15 tep/hab/an en 1880, elle a été multipliée par plus de 10 pour atteindre 1,6 tep/hab/an en 2004 Cette utilisation abusive des énergies fossiles (85% de la consommation mondiale) marque la planète d’une empreinte indélébile dont l’effet le plus remarqué est le réchauffement climatique.

3 Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
Même avec le charbon, une croissance de 2% de la consommation d’énergie fossile ne « passe pas » le siècle (pic tous fossiles au plus tard entre 2050 et 2100, dans tous les cas de figure). Source : Jancovici, 2007 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 3

4 Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
Impact visible sur l’environnement mettant en péril notre survie sur terre

5 Diagnostic énergétique : Dans quel cadre ?
Objectifs de maîtrise des coûts (facture énergétique) Démarche de management environnemental, DPE, BC et politique d’amélioration continue Projet de remplacement de matériel en fin de vie, de réhabilitation de patrimoine Projet d’extension ou de rénovation, création de nouveaux sites Les objectifs de maîtrise des coûts englobent une volonté de diminution de la facture énergétique, d’utilisation rationnelle de l’énergie en dépistant des dysfonctionnements, en repérant des chaleurs perdues valorisables. La démarche environnementale permettra d’obtenir des labels de performance énergétique, de connaître l’impact d’une activité, d’une production par le bilan carbone.

6 L’énergie : formes et unités
Énergie = travail que peut fournir une force en action = N.m = Joule Puissance d’un système = capacité à échanger une énergie en un temps donné P = énergie /temps en Joule /s = Watt

7 Energies : Différents stades de transformation
Energie primaire : potentiel énergétique de la ressource naturelle Pétrole brut au fond de son puits, charbon dans la mine mais aussi minerai d’uranium, vent, réserve d’eau, flux solaire. Energie finale : ce que j’arrive à exploiter et à livrer (énergie commerciale) Produits pétroliers à la pompe, charbon de bois, électricité Energie utile : ce que j’en fais…d’utile Energie mécanique d’un moteur, flux lumineux d’une lampe, chaleur, etc. Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

8 De l’énergie primaire à l’énergie finale
Coût énergétique extraction Moi consommateur : je paye Pertes en ligne Rendement fuites Mais physiquement que se passe-t-il? L’énergie primaire est l’ensemble du potentiel énergétique contenu dans une ressource avant intervention humaine. Par exemple : potentiel calorifique du pétrole, l’énergie potentielle d’un corps en hauteur… L’énergie finale est l’énergie qui est disponible pour le consommateur final. Par exemple : le potentiel énergétique d’un carburant à la pompe, l’électricité arrivant au compteur d’une habitation… Du potentiel primaire à l’énergie finale qui en est rendu disponible, la chaine de transformation fait apparaître des pertes et rendements liés aux moyens mis en œuvre. Pertes production Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

9 = + De l’énergie primaire à l’énergie finale Monde 2006
11,7 Gtepprimaire Près de 80% de l’énergie primaire utilisée dans le monde est d’origine fossile (pétrole, charbon, gaz); si on ajoute le nucléaire, c’est 87,1% de l’approvisionnement énergétique mondial qui est non renouvelable. La biomasse, énergie renouvelable, représente 10%. Les autres renouvelables (éolien, solaire, géothermie, marées) correspondent à une fraction non significative (0,6%). Les pertes primaires sont dues à : l’extraction et raffinage (~10%) Pertes des centrales électriques (50 à 65%) Transport de l’électricité (~10%) Sur l’énergie finale : -67% est consommée sous forme de combustibles fossiles (essence, gazole, fuel domestique et lourd, gaz, hydrocarbures manufacturés..) -20% est consommée sous forme d’électricité Le charbon utilisé à l’état d’énergie finale est essentiellement du charbon destiné à l’industrie sidérurgique. Les rendements de production d’électricité sont supposés de : 33% en centrale nuclaire 100% en centrale hydraulique 33% à 45% ( les plus performantes) en centrale thermique à flamme 100% pour une provenance éolienne, solaire photovoltaïque, marémotrice, géothermique (de source renouvelable et gratuite) 8,1 Gtep final = + L’ENERGIE PRIMAIRE (le prélèvement aux ressources) L’ENERGIE FINALE (ma facture) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 31% 69%

10 De l’énergie finale à l’énergie utile
Electricité Energie thermique Energie mécanique Energie lumineuse Utile Energie thermique Carburant Energie mécanique Comme vu à la diapositive 3, l’énergie finale est l’énergie dont le consommateur final peut faire usage dans ses appareils. L’énergie utile représente justement l’énergie que les appareils rendront, en tenant compte de leur propre rendement (voir diapositive suivante), pour répondre aux besoins du consommateur Par ex : le carburant ou l’électricité (énergies finales) peuvent servir à fournir de l’énergie mécanique, du chauffage ou de l’éclairage (énergies utiles).

11 De l’énergie finale à l’énergie utile
Energie mécanique Électricité > 90 % < 15 % Électricité Energie lumineuse Air comprimé Energie mécanique < 20 % ~ 30 % Carburant Energie mécanique Le passage de l’énergie finale à l’énergie utile souffre d’une perte énergétique liée au rendement de conversion propre à chaque appareil. Les moteurs électriques possèdent un très bon rendement (>90%), contrairement aux moteurs thermiques (40% environ pour un moteur automobile récent). Cependant, ce bon rendement est à relativiser, puisque l’électricité a déjà subi un rendement de production de 32%, par rapport aux 90% pour les produits pétroliers. En cumulant le rendement de passage de l’énergie primaire à l’énergie utile pour l’énergie mécanique, on obtient finalement des ordres de grandeur similaires en passant par un produit pétrolier ou par l’électricité. Le rendement électricité->énergie lumineuse dépend également du type d’appareil utilisé : en moyenne, il est de 15% mais varie de 5% pour les ampoules à incandescence à plus de 90% pour les DEL. > 80 % Energie thermique Carburant Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

12 Etiquettes du DPE Emissions de gaz à effet de serre en kg CO2/m2.an
Consommation énergétique en kWhEP/m2.an La consommation énergétique est exprimée en kWh d’énergie primaire, c’est-à-dire que lorsqu’on récupère une facture d’électricité, il convient de diviser le nombre de kWh annuel par le rendement de conversion (33%) des centrales électriques ou d’appliquer la correspondance 1000 kWhe = 0,26 TEP primaire soit 3023 kWh  énergie primaire.

13 Energies : Différentes unités
SI : Energie = joule = watt.seconde A l’échelle du citoyen : Litre de carburant Stère de bois m3 de gaz kWh électrique A l’échelle d’un pays ou planétaire : TEP, MTEP ou GTEP TWhélec Pour comparer les consommations quelque soit le combustible, on utilise la TEP : tonne équivalent pétrole pour des installations industrielles, et le kWh pour des installations de particuliers. La correspondance entre combustibles se détermine à l’aide des PCI (pouvoir calorifique inférieur kJ/kg). Le PCI du pétrole étalon est de kJ/kg ce qui donne pour 1 TEP : MJ. Or 1 kWh = 3600 kJ  1 TEP = kWh. Ce dernier facteur est utilisé pour connaître le prix d’un kWh de chaque type d’énergie et aborder les problèmes d’économie d’énergie sous l’aspect financier. Un baril correspond à 159 litres. Pour un pétrole brut moyen de masse volumique 860 kg/m3 on en déduit une équivalence avec la TEP. 1kWh = 36OOkJ (1 kcal = 4,18 kJ) 1 TEP = kWh = 7,33 barils 1MWh = 0,086 TEP

14 Equivalence d’énergie
Pétrole 1t = 1 TEP GPL 1t = 1,095 TEP Carburants liq 1t = 1,048 TEP Gaz naturel 1t sur PCS = 1,117 TEP Houille 1t = 0,619 TEP Bois 1 t = 1,7 stère = 0,257 TEP Electricité KWhe = 0,2606 TEP ou = 0,267 TEP 1- Observatoire : 33% 2- Office statistique des communautés européennes : 32,2% 2) Equivalence des énergies Lors d’une analyse énergétique d’un système, on a à choisir entre plusieurs systèmes et plusieurs sources d’énergie. Pour comparer les consommations quelque soit le combustible, on utilise une unité unique la TEP : tonne équivalent pétrole, et on détermine les correspondances entre combustibles à l’aide des PCI (pouvoir calorifique inférieur en KJ/Kg). D’autre part, sachant que le PCI du pétrole étalon est de KJ/Kg on peut également obtenir la conversion en KWh qui est l’unité facturée en électricité : 1TEP = KJ soit /3600 = KWh donc 1TEP = 11626KWh Ce facteur de conversion est utilisé pour connaître le prix d’un KWh de chaque type d’énergie et aborder les problèmes d’économie d’énergie sous l’aspect financier... Pour l’électricité, les consommations en TWhélec sont sur énergie finale donc pour les convertir en énergie primaire, la règle de conversion dépend de l’origine de transformation. -Pour l’électricité d’origine nucléaire on suppose un rendement de conversion de 33%  1MWh élec = 0,086 TEP élec finale = 0,086/0,33 = 0,26 TEP énergie primaire -Pour l’électricité d’origine hydraulique on suppose un rendement de conversion de 100%  1MWh élec = 0,086 TEP énergie primaire -Pour l’électricité d’origine thermique, si le rendement de conversion de 33%  1MWh élec = 0,086 TEP élec finale = 0,086/0,33 = 0,26 TEP énergie primaire si le rendement de conversion de 50%  1MWh élec = 0,086 TEP élec finale = 0,086/0,5 = 0,17 TEP énergie primaire -Pour l’électricité d’origine géothermique, éolienne, photovoltaïque, marémotrice, on suppose un rendement de conversion de 100%  1MWh élec = 0,086 TEP énergie primaire

15 Pour économiser…. Il faut d’abord apprendre à compter !
Qu’est-ce qu’un kWh ? Que peut-on faire avec un kWh ? Combien ça coûte un kWh ? Combien de CO2 dans un kWh ? Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

16 Quelques ordres de grandeur
Qu’est-ce qu’un kWh (final) ? Que peut faire un kWh (utile) ? 1 gobelet d’essence 300 g de bois sec 2 boulets de charbon (pour ceux qui s’en souviennent !) ….mais…. 18 m3 d’eau qui chutent de 20 mètres Electricité : cuire une tarte ! Mécanique : remonter 360 tonnes de sable d’un mètre Combien de CO2 par kWh (final) ? Combien ça coûte un kWh (final) ? 1 gobelet d’essence c’est aussi 2km parcourus à 6l/100km. Carburant, gaz, électricité, bois, etc… Mais pas le travail mécanique humain ! Electricité : entre quelques grammes et 1 kg Combustibles : entre 0 et 600 g Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

17 Production et consommation !!
Quelques ordres de grandeur ! ! ! ! 1 homme travaillant 8h produit 0,05 kWh d’énergie méca 1 l d’essence produit 5 kWh soit 800h d’hommes 1 français consomme 4,6 TEP/an soit kWh/an soit l’équivalent de 106 journées de travail humain (2700 ans) La consommation moyenne mondiale est de 1,7 TEP/an 1TEP = chute de 10m de t d’eau = fission de 0,5g U235

18 Prix des énergies en euros/100 KWh
Fioul domestique 8,93 Chauffage urbain 6,60 Propane 11,72 Charbon ,75 Bois bûches 0,5m 3,60 granules vrac 5,18 Electricité simple tarif ~15,00 double tarif ~12,00 Gaz de ville ~10,10 Le prix des énergies / KWh fait apparaître pour l’électricité et le gaz de ville, l’abonnement annuel répercuté sur la consommation. Par contre il faut également penser à prendre en compte les facteurs de conversion d’énergie (rendement de chaudière, de poële...) pour un choix de système de production de chaleur. Cet aspect pouvant fortement modifier le coût de fonctionnement annuel du système. Informations actualisées sur l’Observatoire de l’énergie :

19 Le diagnostic énergétique-méthodologies
Analyse de la situation énergétique actuelle de l’entité (bilans énergétiques) Mesures physiques sur site (puissances, débits, températures, relevés compteurs, factures énergétiques) Quantification des potentiels d’économies d’énergie Définition d’un plan d’action hiérarchisé et chiffré pour la mise en œuvre de ces actions

20 Exemple de déroulement d’une étude énergétique
Etape Travaux en BET Travaux sur site par entreprise Préparation des documents et questionnaires Visite préliminaire : Sensibilisation des intervenants Organisation de travaux Préparation données et relevés Collecte données et examen sur place Préparation campagne de mesures Visite intermédiaire / relevés Examen sur place : recueil de données campagne de mesures examen installation étude de bilans Aide matérielle, études et données

21 Déroulement d’une étude énergétique La phase diagnostic
Etape Travaux en BET Travaux sur site par entreprise Analyse et évaluation économies d’énergie : -réduction des pertes –mode d’exploitation –système de gestion -liste des actions possibles Analyses et évaluation économies d’énergie Discussion avec les exploitants Etablissement rapport et plan : évaluation économique des solutions proposées -création de projets de plan directeur intégration des objectifs de l’entreprise Analyse et critique des propositions Discussion avec les services concernés et direction Conclusion et programme d’actions Décision sur le plan directeur préliminaire

22 Exemple de diagnostic énergétique d’un bâtiment
Répertorier les parois : surface, coef d’échange K (W/m2°C) déperdition d’une paroi d(W/°C) = K.S Estimer le renouvellement d’air : Van = 0,5 Vh ou Vh… déperdition due à l’air neuf dan(W/°C) = 0,34.Van Calculer le total des déperditions par degré d’écart avec l’extérieur Sd = W/°C Déterminer les DJU (degrés jour unifiés) Calculer la consommation annuelle d’énergie de chauffage : C = Sd . DJU. 24 /1000.hch en kWh/an Estimer ou calculer la consommation annuelle d’énergie d’ECS. Exprimer ces énergies en énergie primaire : CTp Calculer la consommation annuelle par m2 (étiquette 1) : CTp/Sh Le nombre de DJU est calculé sur une température de base intérieure de 18°C et pour 232 jours de chauffage. Ils se calculent à l’aide de différentes données : 1- On connait la température moyenne mensuelle extérieure du site pour la période de chauffe Ex : Virton (alt 242m) janv: -1,5°C; fév: 2,5°C; mars: 5,4°C; avril: 10,2°C; mai: 12,6°C; oct: 9,9°C; nov: 5,3°C; déc: 1,4°C DJU = (18+1,5).31+(18-2,5).28 +(18-5,4).31 +(18-10,2).30 +(18-12,6).15 +(18-9,9).17 +(18-5,3).30 +(18-1,4).31=2777,4 °C.jour 2- On connait un profil moyen journalier de Text : De 0 à 4h :-5°C; De 4 à 7h :10°C; De 7 à 11h :15°C; De 11 à 14h:22°C; De 14 à 18h:18°C; De 18 à 0h : 10°C; DhU = (18+5).4 + (18-10).3 + (18-15).4 + (18-10).6 =176 °C.h  DJU = /24 = 2677 °C.jour

23 Qualité du bâtiment : Etiquettes du DPE
Emissions de gaz à effet de serre en kg CO2/m2.an Consommation énergétique en kWhEP/m2.an La réalisation de ces diagnostics de performance énergétique est obligatoire à l’occasion de la vente de chaque logement ou bâtiment (sauf exceptions) en France métropolitaine depuis nov 2006, et lors de la signature des contrats de location depuis juil 2007.

24 Propositions d’améliorations possibles
Isolation thermique de parois Changement de menuiseries sv pour dv ou tv Ventilation contrôlée double flux Chauffe eau solaire…. Chiffrage du coût de la modification Coût annuel des économies d’énergies réalisées Détermination du temps de retour

25 Le diagnostic énergétique-typologies de recommandations
1) Actions sur les comportements : sensibilisation, gestion, suivi (management) 2) Optimisation des conditions d’exploitation (point optimal, régulation, programmation…) 3) Maintien en état de l’existant pour en garantir les performances (cycle d’entretien, remplacement) 4) Investissements significatifs : actions sur enveloppe thermique, modification du schéma, récupération sur chaleurs fatales, recours aux ENR…

26 Optimisation des conditions d’exploitation
>> Point optimal de fonctionnement Minimiser le coût opératoire énergétique unitaire d’un produit par substitution chaleur/force >> Domaines d’applications - papeteries, sucrerie : pressage / séchage - sidérurgie : chauffage / laminage… - transport de fluide : chauffage / pompage - turbulence : transfert th / perte de charge

27 Q W M X P Matière première Traitement 1 Traitement 2  Optimiser la quantité (Q + W) /kg de produit fini ET =W(X) + Q(X) ETmin W(X) Consommation d’énergie Q(X) Xopt X

28 Méthodologie 1) Modélisation en fonctions puissances : Q=A.Xa W=B.Xb
A, B, a et b obtenus par des relevés de mesures 2) Energie totale finale : et La minimisation de l’énergie finale consommée correspond à la valeur de X qui annule la dérivée de la fonction Et(X). Cette valeur est notée Xopt et son calcul permet de connaître les consommations optimales de chaque type d’énergie (Q ou W).

29 3) Energie totale primaire :
Rendements de conversion : Primaire  thermique hQ = 0,8 Primaire  électrique hW = 0,34 et

30 4) Optimum monétaire : Prix unitaire des énergies finales (€/TEP ou €/kWh): Energie thermique pQ Energie électrique pW et On pourra comparer les différents optimums en fonction du critère de référence et du niveau de décision.

31 Optimisation d’un fonctionnement
Séchage de pulpe de betteraves : Problème : chercher les optimums énergétiques et financiers du pressage-séchage de la pulpe de betterave dans deux cas : l’électricité est achetée à EDF ou bien, elle est autoproduite. Utilisée pour l’alimentation du bétail, la pulpe de betterave appauvrie en sucre a une siccité (pourcentage de matière sèche par rapport à la masse totale) initiale de x0 = 6% et doit être amenée à une valeur finale de 88%. Le traitement est assuré par deux opérations, le pressage jusqu’à une siccité intermédiaire x puis le séchage thermique jusqu’à xf = 88%. La pulpe sèche porte le nom de pellets. Données du problème : Les données expérimentales fournies par les sucreries pour des siccités intermédiaires allant de 10 à 20% nous conduisent aux expressions d’énergie : aux pressoirs W = 1, x4,36 en kWhe /t de pellets aux séchoirs Q = 0,05 x-1 – 0,057 en tep/t de pellets D’autre part le fonctionnement des séchoirs consomme pour la rotation des tambours une quantité d’énergie indépendant de la siccité et dont la valeur moyenne est de 0,006 tep/t de pellets. - Electricité achetée à EDF : facteur de conversion 0,27 tep/1000kWhe prix 0,03 euro/kWhe - Electricité autoproduite : facteur de conversion 0,124 tep/1000kWhe prix 91,5 euro/tep

32 Maintien en état de l’existant
>> Cycle optimal d’entretien d’un équipement >> Cycle optimal de remplacement d’un matériel

33 Fatigue et usure h = P / M Rendement h fatigue ho usure M P M - P
Système indus M - P entretien Soit un système industriel traitant M (kg/an) de matière première pour la transformer en P (kg/an) de produits utiles. Le rendement de transformation h = P/M diminue régulièrement après une période de rodage. Lorsque le rendement est trop faible, l’opération n’est plus rentable, on remplace le matériel usé par une machine neuve. La diminution de rendement d’un système peut se décomposer en deux types de dégradations : La fatigue (réversible) à laquelle on peut remédier par une révision comprenant réglages, nettoyages et petites réparations = régénérations L’usure (irréversible) qui entrainera le remplacement définitif Le premier phénomène se mesure en heures ou jours, le second en années ou décénies. Exemple : Entartrage de canalisations, surface d’échange  réduction du flux transmis Empoisonnement d’un catalyseur qui réduit l’activité Colmatage d’une membrane filtrante Encrassement d’huile de graissage  pouvoir lubrifiant diminué Fissuration progressive de pièces sous contrainte  diminution de la solidité Usure de surface de frottement  augmentation du jeu entre pièces méca Le problème est d’optimiser les cycles de régénération et/ou remplacement du système ou pièces d’équipement. Quelle sera la périodicité optimale des entretiens et la durée de vie optimale du système? temps remplacement Durée du cycle fonctionnement / entretien Durée du cycle fonctionnement / remplacement

34 Cycle optimal d’entretien Coût de base sans vieillissement
Evolution du rendement : avec t la durée de « demi vie  » Evolution du débit de matière première : Coût de la matière première pour N jours de fonctionnement : La relation du rendement en fonction du temps peut être linéaire si la plage de rendement étudiée est faible, ou exponentielle. Pour garder la même production, l’entreprise doit traiter un débit de matière première plus important. Si pm est le coût unitaire de la matière première, la coût de matière première consommée entre l’instant 0 et le jour N est l’intégrale de la fonction pm.M entre 0 et N. Coût de base sans vieillissement Surcoût du au vieillissement

35 Coût de la régénération :
Coût total d’un cycle fonctionnement + entretien : Coût unitaire (« par unité de produit » et par jour) : Le coût de régénération est en général égal à la somme de deux termes : l’un constant mais proportionnel à la capacité de production, l’autre proportionnel au degré de vieillissement. Le coût unitaire peut se faire uniquement par unité de temps c’est-à-dire coût total divisé par N. Les expressions choisies pour les besoins de démonstration peuvent être différents compte tenues des données du problème. Il faut retenir essentiellement la manière d’opérer qui consiste à comptabiliser les surcoûts de matière première dus au vieillissement sur la durée d’utilisation (calcul d’intégrale) et de répartir pout chaque jour de fonctionnement le coût de l’entretien (calcul du coût unitaire).

36 Cycle optimal d’entretien
Optimiser le cycle  Minimiser le CUN  Durée optimale du cycle : Remarque : la durée optimale dépend principalement de pg, partie constante du coût de régénération.

37 Cycle optimal de remplacement
Coût de la matière première pour N jours de fonctionnement : Coût de remplacement : Coût total d’un cycle fonctionnement + remplacement : Coût unitaire du cycle :

38  Durée de vie optimale du matériel :

39 Optimisation d’un cycle d’entretien
Entretien d’une chaudière à vapeur : Problème : Une chaudière à vapeur doit produire 85 t/h de vapeur à partir de fuel lourd. Elle fonctionne 24h/24 et son rendement est passé de 0,85 à 0,8 en 150 j du fait de l’encrassement des surfaces d’échange. Un nettoyage coûtant 1500 euro, quelle est la périodicité optimale du cycle fonctionnement/entretien ? Données : - Pour le calcul de la puissance utile à la chaudière on prendra : hv – hl = 2000 kJ/kg - PCI du fuel = kJ/kg - prix du fuel = 0,3 euro/kg

40 Choix d’un investissement optimal
Références d’un calcul économique 2) Méthodologie 3) Temps de retour brut 4) Exemple d’application Parmi les typologies de recommandations qui doivent suivre la réalisation d’un diagnostic énergétique, le dernier point évoqué concerne, entre autre, le choix d’un investissement optimal d’un système. Pour illustrer cette partie, prenons l’exemple d’un technicien qui doit concevoir et réaliser un sys tème de chauffage destiné à maintenir une enceinte (réacteur) à 200°C à l’aide d’un échangeur alimenté en vapeur.

41 Références d’analyse économique
L’enceinte étant définie, on a le choix de l’épaisseur du calorifugeage à installer autour de celle-ci. Pour chaque épaisseur (ou type) de calorifuge, correspondra un flux de déperditions thermiques, donc une puissance de chauffage. Si e est l’épaisseur de calorifuge, f les déperditions par m2 sont égales à l.DT/e (l conductivité thermique de l’isolant en W/m°C, DT l’écart de température int/ext).La puissance de chauffe est donc F = l.S.DT/e . En introduisant le coût de l’isolant Ci = pi . e (pi prix unitaire par mm) on obtient Ci = pi . l.S.DT/ F On peut ainsi tracer une première courbe du coût de l’isolant en fonction de la puissance à installer. De même, le prix de la chaudière est proportionnel à la puissance installée : Cc = pc . F +B De ces deux courbes, puis de la somme des deux, on obtient la courbe d’investissement du projet : I = Ci + Cc

42 Décideur borné / parieur
Un premier décideur dit « décideur borné », s’arrêtera à la première étude qui permet de minimiser la dépense initiale. Il choisira donc l’épaisseur de calorifuge correspondant à Imin sur la courbe , soit eI. Il borne donc sa décision aux coût actuel sans tenir compte des dépenses futures. Supposons maintenant que le décideur choisisse de tenir compte du coût de l’énergie qui sera consommée dans les N années d’utilisation de son système. Il tracera alors une troisième courbe du coût de l’énergie consommée (courbe de fonctionnement Cf) et cherchera le minimum de la courbe du coût total Ct = I + Cf (investissement + fonctionnement). Les coût de l’énergie devront être actualisés. Cette anticipation sur le futur suppose que le décideur soit prêt à prendre des risques : Sur la durée de vie du matériel, sur l’augmentation du prix de l’énergie Ce choix amène à un deuxième minimum et on vérifie souvent que eT varie avec eI dans un rapport de un à quatre. Il demande un surcoût d’investissement DI et apporte une diminution du coût total DCT. On voit qu’une économie d’énergie peut être obtenue par un suréquipement, or ce suréquipement a lui-même nécessité de l’énergie pour être conçu. Ne faut il pas craindre alors que l’un compense l’autre et que le bilan total soit négligeable voire négatif !!!!

43 ! « Produits miracles? » Économies d’énergies par suréquipement
Risque d’un bilan total ~ 0 Contenu énergétique ou énergie grise ! Il faudra donc se méfier des produits miracles et éventuellement, réaliser une étude incluant la prise en compte du contenu énergétique du produit qui comptabilise : les matières premières, l’énergie primaire, le travail technique humain, le temps, l’eau, le degré scientifique utile, les dimensions et le capital monétaire, qui ont participés à l’élaboration du produit ainsi que le traitement de fin de vie de celui-ci. Cette analyse du cycle de vie chiffre ce que l’on nomme l’énergie grise du produit. Cette approche de calcul économique est plus difficile car elle nécessite des données difficiles d’accès cependant, à la vue d’un produit nouveau on peut déjà avoir une idée, compte tenue des performances d’économie annoncées par le revendeur (et vérifiables), si le suréquipement est un produit de mode ou bien issu d’une idée géniale !!

44 Bilan énergétique capteur solaire thermique
Matériaux Masse/m2 CE/EG(kWh/kg) CE/EG(kWh/m2) Acier 4,5 11,6 / 7,7 52,3 / 36,7 Aluminium 6,5 69,7 / 70 453,1 / 455 Cuivre 2,5 29 / 15,9 72,5 / 39,8 Plastique 6,8 23,2 / 21 157,8 / 142,8 Verre 8,8 7,2 / 16,3 63,4 / 143,4 Divers 0,1 8,1 0,8 Total 799,9 / 818,5 Assemblage 10% 80 / 82 880 / 900 kWh/m2 ~ Deux ans de « remboursement » avant production effective !!!!

45 Méthodologie Exprimer chaque poste de dépense (investissement, fonctionnement, entretien..) en fonction du paramètre caractéristique du problème (e isolant, T° fluide, D conduite..) Coût total de l’opération CT(x) = S(différents coûts) Investissement optimal obtenu pour dCT/dx =  on obtient xopt et CTmin Conclusion sur le choix du système en prenant le produit commercialisé le plus proche de xopt.

46 Rentabilité d’un système économe Choix entre différents systèmes
Temps de retour brut Deux problématiques Rentabilité d’un système économe Choix entre différents systèmes I = investissement E = économie annuelle SI = surinvestissement E = économie annuelle Le temps de retour brut de la modification donne une bonne idée du problème cependant on peut également actualiser les coûts sur n années (durée de vie du matériel, durée d’amortissement..). Si a est le taux d’actualisation (Pris à ~9%), le coût Cn de l’année n est calculé par rapport au coût initial Co par : Cn = Co. (1 + a)n . Le coût total sur n années est : Ct = S Cn = Co [(1 + a)n – 1] /a. Si le décideur effectue un emprunt, il calculera son remboursement annuel au taux d’intérêt i par l’amortissement : A = Io [i.(1 + i)n / [(1 + i)n – 1]]. Il dressera un tableau récapitulatif pour comparer les différentes solutions par rapport au coût total annuel, économie annuelle… tr = I / E tr = SI / E ! Si tr > durée de vie du système !!

47 Optimisation d’un investissement
Ligne de transport d’huile légère : Problème : concevoir une ligne de transport d’huile légère (conduite à installer, puissance du groupe moto-pompe). On recherchera le diamètre optimal de conduite permettant de minimiser le coût total de l’installation calculé sur la durée de vie de l’ensemble (investissement + fonctionnement de la pompe). Données du problème : Huile légère : - Longueur de la ligne de transport : 1000 m - débit massique d’huile transportée qm = 50 kg/s. - masse volumique r = 800 kg/ m3 - viscosité cinématique n = m2/s. - Rendement de la pompe h = 0,35. - Durée de vie de l’installation estimée à h. - Coût d’achat C1 du groupe moto-pompe fonction de sa puissance Pp (en W) : C1 = ,026.Pp - Prix du mètre de conduite fonction du diamètre D (en m) : pc = 82.D – 2,94 - Prix de l’énergie électrique : pw = 0,05 euro/kWhe Rappels : Puissance d’une pompe : Pp = qv.Dp/h en W Perte de charge dans une conduite : Dp = l.L.r.V2/2.D en Pa Coefficient de perte de charge (Blasius) : l = 0,316 Re-0,25 Nombre de Reynolds : Re = V.D/n

48 Introduction au bilan carbone
Mécanisme de l’effet de serre Bilan thermique terrestre Forçage radiatif Principaux GES – progression des émissions Conséquences Emission limite par individu Pouvoir de réchauffement global d’un gaz Equivalent carbone Facteur d’émission – ex d’application Etude de cas Cet exposé a pour but d’introduire les notions liées au bilan carbone dont l’origine provient du contexte énergétique et climatique actuels. La situation énergétique planétaire a déjà été développée pour introduire l’intérêt du diagnostic énergétique (85% de l’énergie consommée est fossile, toujours croissante par des besoins et une population eux même en augmentation exponentielle).

49 Mécanisme de l’effet de serre
77 30 source : GIEC 40 165 342 W/m2 30 G E S 67 La température moyenne annuelle et géographique de la terre est maintenue à environ 15°C du fait de l’effet de serre naturel subit par celle-ci. Sans ce mécanisme, sa température serait de -18°C. La terre reçoit en permanence une énergie principalement solaire, d’environ 342 W/m2 en moyenne annuelle et géographique (90% sous forme de rayonnement visible et le reste sous forme d’ultraviolet filtré par l’ozone stratosphérique). Ce rayonnement incident se décompose en : 107 W/m2 réfléchis directement vers l’espace (77 par les nuages, aérosols et gaz atmosphériques, 30 par les glaciers, déserts, calottes polaires) 235 W/m2 absorbés sous forme de chaleur (67 par l’atmosphère et 168 par les terres et océans). La terre émet vers l’atmosphère : 24 W/m2 par conduction-convection 78 W/m2 par évapo-condensation 390 W/m2 sous forme de rayonnement infra rouge (du à sa température) dont : 40 sont renvoyés directement à l’espace et 350 sont absorbés par l’ensemble des gaz à effet de serre (principalement la vapeur d’eau très prédominante devant le dioxyde de carbone CO2, le méthane CH4 et le protoxyde d’azote N2O. Le bilan global d’énergie reçu par l’atmosphère est donc de = 519 W/m2 L’atmosphère pour équilibrer ses échanges réémet ces infrarouges dans toutes les directions : 165 W/m2 réémis vers l’espace 324 W/m2 vers le sol 30 W/m2 réémis par les nuages vers l’espace Le bilan du flux infrarouge émit par l’atmosphère est donc de = 519 W/m2 Le flux réémis vers le sol (324 W/m2 ) porte le nom de « forçage radiatif » ; il permet d’augmenter la température moyenne de la terre de 33°C (15 au lieu de -18°C) Le bilan global énergétique la terre est équilibré sur une année : flux thermique sortant – flux thermique entrant = ( ) – 342 = 0 W/m2 et cet équilibre stabilise Tmoy à 15°C. Depuis 250 ans, l’activité humaine augmente la teneur en gaz à effet de serre et la part d’infrarouges retenue est plus grande. L’équilibre se déplace et l’augmentation de Tmoy intensifie tous les flux d’énergie qui en dépendent : Intensification du cycle de l’eau, Intensification des mouvements convectifs des masses d’air, Intensification des émissions d’infrarouges dans l’atmosphère. La contribution supplémentaire « réchauffante » par rapport au phénomène naturel est estimée à 1,5 W/m2 . Forçage radiatif IR 78 168 350 24 324 Bilan nul Actuellement : Bilan = + 1,5 W/m2 15°C au lieu de -18°C 49

50 Qu’est ce qu’un gaz à effet de serre ?
ADEME Formation - Edition 2007 Qu’est ce qu’un gaz à effet de serre ? Définition : Un gaz à effet de serre est un gaz présent dans la troposphère (la basse atmosphère) qui intercepte une partie du rayonnement terrestre (essentiellement composé d’infrarouges). Son efficacité : le forçage radiatif, définit quel supplément d’énergie (en watts par m2) est renvoyé vers le sol par une quantité donnée de gaz dans l’air. 50 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 50 50

51 Exemple de forçages radiatifs
+ 1 ppm CO2 + 1 ppm CH4 + 14 mW/m2 + 370 mW/m2 51 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

52 Les principaux gaz « à effet de serre »
ADEME Formation - Edition 2007 Gaz Origine H2O – Eau Évaporation CO2 – Gaz carbonique Combustion pétrole, gaz, charbon Déforestation CH4 – Méthane; « Gaz Naturel » Décomposition anaérobie de composés organiques (Bovins, rizières, décharges…) Pyrolyse des composés carbonés (combustibles fossiles, brulis… ) N2O – Protoxyde d'azote Engrais azotés - industrie chimique HFC – PFC – SF6 Hydrocarbures Fluorés (CFC, HCFC…) Gaz réfrigérants Procédés industriels divers (expansion des mousses plastiques, composants électroniques, appareillage HT, électrolyse de l’alumine…) O3 – Ozone Pas d'émission directe - réaction C.O.V. + NOx Kyoto Montréal Les gaz à effet de serre (GES) sont des molécules capables d'absorber le rayonnement infrarouge émis par la Terre. La vapeur d'eau est en quantité de loin le plus important, il résulte de l'évaporation naturelle. Le CO2 : le principal GES après la vapeur d'eau. Représente près de 0,04% de l'atmosphère. Résulte de la combustion des énergies fossiles. Le CH4 ou Méthane ou Gaz naturel : c'est le gaz de la putréfaction; On le trouve dans les marécages (naturels ou artificiels tels que les rizières), les estomacs des ruminants, mais également dans les mines de charbon (le grisou) ou dans le pétrole (extrait lors du raffinage et brûlé dans les torchères). Le N2O ou Protoxyde d'azote, également connu sous le nom de gaz hilarant. Également lié à l'activité agricole, car résulte principalement de l'utilisation d'engrais azotés, qui engendrent des émissions de N2O lors d'une réaction chimique avec le sol. CO2, CH4 et N2O existent à l'état naturel. HFC, PFC et SF6 : familles de molécules complexes créées par l'homme, caractérisées par leur très grande stabilité chimique (et donc des durées de vie parfois très longues), et qui s'avèrent être de puissants GES. Il faudrait ajouter les CFC très interdits de production depuis plusieurs années du fait de leur action sur la couche d'ozone. Les CFC avait dans un premier temps remplacé l'ammoniaque dans les circuits réfrigérants. Ces gaz se retrouvent dans les différentes solutions de production de froid (groupes froids, climatisation etc..), pour la fabrication de mousses plastique et comme émission annexe lors de l'électrolyse de l'alumine. O3 l'Ozone : seul GES de cette série qui ne résulte pas d'émissions directes. Il apparaît suite à une réaction chimique mettant en jeu plusieurs composants. Cf. plus loin. Les six gaz en rouge, sont ceux pris en compte par le protocole de Kyoto. 52 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 52 52

53 Evolutions des émissions dans l’atmosphère
ADEME Formation - Edition 2007 Evolutions des émissions dans l’atmosphère Concentration sur les 2000 dernières années (Source : GIEC, AR4, 2007) 2100 ? (1000 ppm) Début de la révolution industrielle 2100 ? (550 ppm) 2010 Concentrations atmosphériques du CO2, CH4, N2O sur les dernières années (Source GIEC, AR4, 2007) Quel est l'impact réel de ce surplus d'émissions sur la teneur globale de l'atmosphère en CO2 ? Il faut comprendre comment cette teneur a évolué dans le temps. C’est notamment ce qu'ont permis de reconstituer les analyses de carottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique. Sur le dernier millénaire, la concentration de CO2 dans l'atmosphère mesurée en Parties Par Million (ou encore millimètres cubes par mètre cube), oscille légèrement autour de 280 ppm (soit encore 0.028% de l'atmosphère). Depuis 1800 il y a une nette augmentation de cette concentration, qui s'accélère dans la seconde moitié du 20e siècle. Sur une plus longue période, jusqu'à ans, et même ans, la concentration de CO2 oscille entre 200 et 280 ppm. Le mieux que la nature ait su faire est une augmentation de 80 ppm en ans. L'homme l'a fait en 200 ans. 53 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 53 53

54 Quelles conséquences ? Océans : Modification des phénomènes extrêmes
Augmentation du niveau des océans, Evolutions des courants marins, Evolution du pH de l’eau. Modification des phénomènes extrêmes Ecosystème : Disparition, affaiblissement, migration, renforcement d’espèces Santé humaine : Vagues de chaleur ou de froid, déplacement des zones endémiques de maladies… Insuffisance alimentaire, pressions aux frontières… ? Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

55 Evolution de la température moyenne
ADEME Formation - Edition 2007 Évolution régionale de la température moyenne par rapport à [ ] pour 3 scénarii. (B1 = émissions constantes ; A1B = émissions qui doublent, A2 = émissions qui quadruplent). Pour une élévation de température globale, celle-ci ne sera pas homogène à la surface du globe. La températures des zones océaniques devrait évoluer moins vite que les continents. Les températures aux tropiques devraient être inférieures aux pôles. L’effet de serre sera plus marqué dans les endroits humides que dans les endroits secs. L’évolution des températures sera plus rapide et nette aux pôles et sur les continents et dans l’hémisphère Nord que le Sud. A court terme, l’évolution est scellée. Source : Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, IPCC, 2007 55 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 55

56 Source: Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, GIEC, 2007
ADEME Formation - Edition 2007 Apports en pluie Evolution des précipitations en par rapport à la moyenne Moyenne inter-modèles pour deux scénarii (pas de couplage avec le cycle du carbone). Pointillés = plus de 90% des modèles d’accord sur le sens de l’évolution Zone blanche = pas de consensus entre modèles Aussi importante voire plus que la température : la pluie. L’évolution des précipitations conditionne la vie des écosystèmes plus que la température. Chaque carré représente la comparaison inter-modèles (15 modèles). Si la réponse sur 10 modèles est convergente on a des pointillés, si les données sont divergentes on a une zone blanche et on ne sait pas interpréter l’évolution. On dispose ainsi d’une indication qualitative sur la réponse des modèles. Source: Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, GIEC, 2007 56 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 56

57 Modification de la circulation océanique
ADEME Formation - Edition 2007 Modification de la circulation océanique Ralentissement du Gulf Stream en Atlantique nord lié à : Forte précipitation sur cette zone (eau douce) Déstockage des glaces du Groenland (eau douce) 57 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 57

58 Puits et sources Sous l’effet du réchauffement, des systèmes absorbant les GES de l’atmosphère pourraient les restituer. Forêts : Ralentissement de la photosynthèse lié au stress hydrique / espèces inadaptées :  captage Accélération de l’activité microbienne de digestion avec l’augmentation de température :  émissions Pergélisols : Des hydrates de méthane sous un couvercle de sol gelé . Océans : Dégazage (partiel) des carbonates en solution suite à une augmentation de température : HCO3- + H+  CO2 + H Autre influence :  pH. 58 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

59 (Source : Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC)
ADEME Formation - Edition 2007 Une très forte inertie Élévation du niveau des océans due à la fonte des glaces Élévation du niveau des océans due à la dilatation de l’eau de mer Température moyenne Concentration en CO2 Hypothèse de travail: courbe 1 = début de la décroissance des émissions à horizon 100 ans Différentes périodes de réponse selon les inerties et selon la sollicitation : la température ne commence à se stabiliser qu’après quelques siècles, le niveau des océans qui dépend de la température a besoin de plus de temps… Au bout de 1000 ans, le système n’est toujours pas stabilisé alors que la perturbation a quasiment cessé. Hypothèse : évolution des émissions de CO2 L’arrêt des perturbations n’est pas immédiat après la stabilisation de la concentration en CO2, notamment à cause de la « durée de vie » de ce dernier dans l ’atmosphère (Source : Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC) 59 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 59 59

60 Bilan des flux de carbone annuels
ADEME Formation - Edition 2006 Bilan des flux de carbone annuels Atmosphère Biosphère Océans Lithosphère Flux Naturels En Gtonne de C/ an Atmosphère Biosphère Océans Lithosphère Flux Anthropiques 61,5 60 92 90 1.0 0,8 0,04 6.0 Flux naturels dans les conditions climatiques actuelles Atmosphère  Biosphère : la photosynthèse capte de 61 à 62 milliards de tonnes de carbone par an. Biosphère  Atmosphère : La respiration de végétaux, l'activité microbienne (décomposition) provoque une restitution d'environ 60 milliards de tonnes de carbone par an. Atmosphère  Océans : dissolution du CO2 dans les océans froid et photosynthèse du phytoplancton captent 92 milliards de tonnes de carbone par an. Océans  Atmosphère : dégazage du CO2 dissout dans les océans chauds, respiration du phytoplancton, du zooplancton et de la faune = restitution de 90 milliards de tonnes de carbone. Biosphère  Océans : transport de carbone par les rivières Lithosphère  Atmosphère : activité volcanique Les flux naturels sont donc globalement plus séquestrant qu'émissif à raison de 3 à 3.5 milliards de tonnes de carbone par an. Flux anthropiques Biosphère  Atmosphère : Déforestation et changement d'usage des sols (labours) – émission nette de 1 milliard de tonne de carbone par an. Lithosphère  Atmosphère : combustibles fossiles – émission nette de 6 milliards de tonnes de carbone par an. Au total actuellement, les flux anthropiques sont à l'origine d'émissions d'environ 7 milliards de tonnes de carbone par an. Globalement flux naturels et flux anthropiques se soldent par des émissions annuelles nettes de 3 à 3.5 milliards de tonnes de carbone par an. Émissions totales : 150 GtC Séquestration : GtC Émissions totales : 7 GtC Séquestration : 0 GtC 60 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 60

61 Qu’émettre au plus pour arrêter d’enrichir l’atmosphère en CO2?
ADEME Formation - Edition 2007 Qu’émettre au plus pour arrêter d’enrichir l’atmosphère en CO2? Idem si nous voulons diviser les émissions mondiales de CO2 par 3, avec 9,3 milliards d’habitants Droit maximal à émettre si nous voulons diviser les émissions mondiales de CO2 par 2, avec 7 milliards d’habitants Facteur 4 Tonnes eq C / an 500 Kg C Émissions de CO2 par habitant en 2003 en teq Carbone et « droits maximaux à émettre sans perturber le climat » (Source WRI pour les émissions par habitant, sur données AIE et UN) 61 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 61 61

62 Que faire avec un droit de 500 kgeqC ?
ADEME Formation - Edition 2007 En l’état actuel des technologies, pour émettre ce «droit», il suffit de faire l’une des choses suivantes : faire un AR Paris-NY en avion, ou consommer kWh d'électricité en Grande Bretagne ou kWh en Allemagne, mais kWh en France (consommation annuelle moyenne par Français : environ kWh), ou acheter 50 à 500 kg de produits manufacturés, ou construire 4 m² de logement en béton, ou parcourir km en 6CV en zone urbaine, ou brûler kWh de gaz naturel (quelques mois de chauffage d'une maison). (Source : Jancovici, 2001) 62 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 62 62

63 Quantification et comptabilisation des émissions de GES
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

64 Forçage radiatif et durée de résidence
ADEME Formation - Edition 2007 Forçage radiatif et durée de résidence La durée de résidence des gaz dans l’atmosphère peut évoluer à l’avenir (notamment pour le CO2) Afin de comparer l’impact de différentes activités du point de vue du réchauffement climatique planétaire, il faut pouvoir comptabiliser l’influence de chaque GES en terme d’efficacité à retenir les infrarouges. L’importance de la contribution de chaque gaz est liée au forçage radiatif de ce dernier mais aussi à sa durée de vie dans l’atmosphère ainsi qu’à la constitution de l’atmosphère lui-même où différents gaz absorbant les mêmes infrarouges peuvent être en concurrence. Commentaire: Les scientifiques ont calculés l’effet cumulé de la présence de ces gaz sur une certaine durée de référence. Il savent désormais estimer la durée de séjour dans l’atmosphère de ces gaz, c’est-à-dire le temps qui est nécessaire pour que le gaz en surplus disparaisse dans l’atmosphère. Lors de la mesure, plus la durée de référence est longue, moins les gaz à faible temps de résidence pèsent dans le total (cas du méthane). Forçage radiatif au cours du temps d’une tonne de gaz émise à l’instant 0 (axe horizontal : en années -échelle logarithmique ; axe vertical : forçage radiatif en W/m² – échelle logarithmique) Source : D. Hauglustaine, LSCE 64 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 64

65 Pouvoir de réchauffement global d’un gaz : PRG
ADEME Formation - Edition 2007 Pouvoir de réchauffement global d’un gaz : PRG Une équation compliquée, mais une signification « très simple » ! On définit le Pouvoir de Réchauffement Global d’un gaz ou PRG par la capacité à réchauffer le climat sur une durée conventionnelle choisie (20 ans ou 100 ans) en comparaison à celle du CO2. C’est-à-dire qu’on intègre sur la durée choisie le forçage radiatif du gaz (en W/m2) (ce qui fait intervenir et son intensité de forçage et sa durée de vie) et on adimensionne cette valeur par celle trouvée pour le dioxyde de carbone. Le PRG ainsi définit exprime à combien de kg de CO2 ce gaz correspond en terme de perturbation sur le climat. Le Pouvoir de Réchauffement Global : combien de fois le CO2 ? 65 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 65

66 Pouvoir de Réchauffement Global des gaz à effet de serre
ADEME Formation - Edition 2007 Gaz Formule PRG à 20 ans PRG à 100 ans Dioxyde de carbone CO2 1 Méthane CH4 72 25 Protoxyde d’azote N2O 289 298 Hydrofluorocarbures CnHmFp 440 à 124 à Perfluorocarbures CnF2N+2 5 210 à 8 630 7 390 à Chlorofluorocarbures CnClmFp 5 300 à 4 750 à Le PRG ou GWP (Global Warming Potential) permet d’appréhender à la fois: la capacité d’absorption instantanée du gaz découlant de ses raies d’absorption sa durée de séjour dans l’atmosphère Sa valeur se mesure non pas dans l’absolu mais relativement au CO2. Les durées 20 ans, 100 ans sont prises conventionnellement Commentaire: Quelques exemples de ce que signifie cette comparaison : - émettre un kg de méthane ou 72 kg de gaz carbonique « perturbe le climat » à peu près de la même manière à 20 ans d’échéance - émettre un kg de protoxyde d ’azote ou 298 kg de gaz carbonique « perturbe le climat » à peu près de la même manière à 100 ans d’échéance (GIEC, 2007) PRG = équivalent CO2 66 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 66

67 Notion d’équivalent carbone
ADEME Formation - Edition 2007 X 12/44 CO2 C 12 g/mol X 44/12 x 16 = 44 g/mol L ’unité de mesure des physiciens : l’équivalent carbone Gaz Formule kg éq C/kg kg éq CO2 /kg Dioxyde de carbone CO2 0,27 1 Méthane CH4 6,82 25 Protoxyde d’azote N2O 81,3 298 PFC CnF2N+2 2 015 à 3 330 7 388 à HFC CnHmFp 34 à 4 040 124,6 à Hexafluorure de soufre SF6 6 220 22 806 Dans un kg de dioxyde de carbone on trouve 0,27 kg de carbone (= 12/44 : rapport des masses moléculaires) Par définition, l’équivalent carbone est donc le PRG à 100 ans ramené au seul poids de carbone dans le CO2, autrement dit le PRG multiplié par 12/44. Il s’agit d’une grandeur qui se mesure en kg. Commentaire: L’intérêt de cette mesure en équivalent carbone est sa simplicité d ’emploi (malgré les apparences !) : la combustion complète d’une tonne de carbone pur dégage exactement une tonne équivalent carbone sous forme de CO2. Pour toutes les combustions complètes de composés carbonés, l’équivalent carbone du CO2 dégagé correspond donc exactement au poids de carbone dans le composé de départ. Par exemple pour la combustion d’un kilogramme de butane (C4H10) le pourcentage massique de carbone étant masse de carbone/ (masse de carbone + hydrogène), sachant que la masse molaire du carbone est 12 et celle de l’hydrogène 1, on aura 4x12 / (4x12+10x1) = 82,7% . Donc la combustion de 1 kg de butane produira 0,827kg d’équivalent carbone. De même pour un hydrocarbure de formule CxHy l’équivalent carbone sera 12.x/(12.x+y) et le PRG = x/[12.(12.x+y)] = 44.x/(12.x+y) (d’après GIEC, 2007) 67 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 67

68 Emissions de GES : calcul ou mesure ?
ADEME Formation - Edition 2007 Emissions de GES : calcul ou mesure ? Impossibilité de mesure directe systématique Construction de facteurs d’émissions Mesure initiale des émissions (kg de gaz) d'une situation « standard », Ma vache émet 40O g de méthane /jour Conversion en impact à l’aide des PRG, Ma vache a un impact de 400*25 = 10 kgeqCO2/jour Utilisation de ce ratio pour des situations similaires. Les vaches comme la mienne ont un impact de 10 kgeqCO2/jour Si le PRG ( ou l’équivalent carbone) compare les GES entre eux ou permet de connaître l’impact d’un produit émetteur de GES (carburant), il ne peut cependant pas convertir une activité humaine, un objet et son utilisation, en kg d’équivalent carbone émis pour cette activité ou cet objet. En effet, pour répondre à la question : quelle quantité de GES sont émis pour la production d’1kWhe suivant le type de centrale ?, une semaine de randonnée en montagne ?, l’absorption d’un repas ?, l’acquisition d’un ordinateur ou d’un vêtement fabriqués à l’autre bout du monde ?, il nous faut une analyse plus complexe d’une chaine de production sur un périmètre incluant les flux dont l’activité est responsable mais aussi ceux dont elle est dépendante (amont et aval). Cette comptabilité permet d’obtenir un « facteur d’émission » de l’activité étudiée en kg d’équivalent C/km parcouru ou / kg produit…. La plupart des facteurs d’émission ont été élaboré à partir des cycles de vie (ACV) à l’aide desquels on relève les consommations énergétiques et émissions de GES. Au fur et à mesure que de nouveaux facteurs d’émission sont obtenus par les bilans carbone d’entreprises de fabrication, de transformation, de transport…, ils peuvent être à leur tour utilisés pour des analyses plus vastes. La méthode Bilan Carbone propose donc des facteurs de conversion pour une série de données (énergies, matières, services,…). Sur le site de l’ADEME (www.ademe.fr), dans l’espace Bilan carbone, un « guide des facteurs d’émission » est téléchargeable. 68 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 68

69 Le référentiel Bilan Carbone®
ADEME Formation - Edition 2007 Le référentiel Bilan Carbone® Matériaux entrants fabrication initiale Energie & Process transformation Transport fret amont Transport fret aval Transport fret interne Transport personnes Produits finis utilisation Déchets fin de vie Immobilisations 69 BILAN CARBONE 69

70 Les gaz pris en compte Tous les gaz émis par l’homme et ses activités qui ont un impact sur l’effet de serre : Gaz de Kyoto (CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6), CFC (Montréal), Eau relachée en altitude, C.O.V., NOx… (faible PRG) Utilisation du PRG à 100 ans (enjeux climatique 2100, période de résidence du CO2) Ozone non pris en compte. faible durée de résidence, incapacité à calculer les émissions indirectes, peu d’émissions directes. 70

71 Exemple de calcul de facteur d’émission
Le gazole est un hydrocarbure CxHy de composition moyenne massique : 86% de Carbone, 14% d’Hydrogène. L’IFP a déterminé que pour produire une « tep » de gazole, les émissions liées à l’extraction et au transport du brut sont de 60 kgéquiC/tep, les émissions liées au raffinage sont de 31 kgéquiC/tep. 1) Déterminez le facteur d’émission du gazole et les fractions relatives (en %) dues aux différentes opérations : extraction et transport, raffinage, combustion. 2) Sachant qu’une tep de gazole correspond à 1183 litres, en déduire le facteur d’émission du gazole exprimé kgéquiC/l. Emissions liées à la combustion : 1 tep produira : 1000x0,86 = 860 kgéquiC/tep. Facteur d’émission du gazole par tep = = 951 kgéquiC/tep dont 6,3% pour l’extraction et transport du brut, 3,3% pour le raffinage et 90,4% pour la combustion. Facteur d’émission du gazole par litre = 951 / 1183 = 0,80 kgéquiC/l.

72 ADEME Formation - Edition 2007
Facteurs d’émission relatifs aux combustibles fossiles utilisés par les sources fixes kg équivalent carbone par tonne équivalent pétrole, en analyse de cycle de vie (ADEME) 72 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 72

73 Facteurs d’émission par kWh électrique
ADEME Formation - Edition 2007 Facteurs d’émission par kWh électrique Grammes équivalent CO2 par kWh (sortie de centrale) pour divers producteurs européens, pour les seules émissions liées à l’utilisation de l’énergie primaire (European Carbon Factor, 2007) 73 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 73

74 Facteurs d’émission approximatifs par passager.km
ADEME Formation - Edition 2007 Facteurs d’émission approximatifs par passager.km Grammes équivalent carbone par passager.km pour divers modes de transport, en ordre de grandeur (Source ADEME) 74 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 74

75 Facteurs d’émission de quelques aliments
ADEME Formation - Edition 2007 Facteurs d’émission de quelques aliments kg équivalent C par kg d’aliment pour divers produits agricoles, (Source Manicore/ ADEME) 75 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME BILAN CARBONE 75

76 Apprendre à compter Exercices
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME

77 Formation Bilan Carbone® « Enseignants »
Objectifs Problème posé : Une situation initiale et une évolution Quel(s) impact(s) ? Objectifs Quantifier des émissions pour faire le bilan de la situation : hypothèses, méthodologie, ordres de grandeur,… Conclure en resituant le cas particulier étudié dans un contexte global Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME Formation Bilan Carbone® « Enseignants  » 77

78 Exercice 1 : énoncé Transport fluvial et/ou routier
Projet : remplacer la route par le fleuve Travail à réaliser : quantifier l’impact « carbone » du projet Paris vers Rouen Papier à recycler Route Fleuve et route Situation initiale t Situation envisagée Situation initiale avec transport routier: La distance parcourue par les camions lorsque le transport du papier à recycler se faisait uniquement par la route depuis les centres collecteurs jusqu’à l’usine papetière est de 160 km. La quantité de papier transportée ainsi annuellement est de 80000t. Situation actuelle avec transport fluvial et routier pour la collecte : En région Parisienne, le papier à recycler arrive de différents centres de collecte jusqu’au port fluvial d’Evry. La distance moyenne parcourue par les véhicules assurant ce transport est de 23km. La région parisienne approvisionne l’usine située à Rouen en papier à recycler à raison de 80000t /an. Une péniche assure ce transport par containers à raison de 500 t par voyage depuis Evry situé à 290 km de l’usine. Le transport du papier à recycler depuis le quai de déchargement jusqu’à l’usine est assuré par des semi-remorques. La distance parcourue est d’environ 300m. Il s’agit de comparer les deux modes de transport par bilan carbone et de déterminer le contenu carbone de la tonne de papier transportée dans chaque cas. Le bilan carbone de ces deux propositions aboutit à : Pour la situation initiale : transport routier émission totale 340 t d’équi C soit 4,2 kg d’équi C/t de papier à recycler Pour la situation actuelle :transport fluvial et routier pour la collecte émission totale 352 t d’équi C soit 4,4 kg d’équi C/t de papier à recycler Conclusion : Attention aux idées préconçues sur le transport fluvial !! 78 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME Formation Bilan Carbone® « Enseignants  » 78

79 Exercice 2 : énoncé Valorisation de méthane (d’origine fossile)
Projet : depuis 1990, au gré des réglementations le traitement des effluents gazeux a évolué. Travail à réaliser : quantifier les émissions de « carbone » à chaque étape de traitement 1er cas : avant 1997, rejet à l’atmosphère de : 300 Nm3/h CO2 avec vo = R.To/M.po = 0,5095 Nm3/kg , et 8760 h/an  300 x 8760 / 0,5095 = 5158 t CO2/an 200 Nm3/h CH4 avec v’o = R.To/M’.po = 1,401 Nm3/kg , et 8760 h/an  200 x 8760 / 1,401 = 1250 t CH4/an On aura donc x 25= t équi CO2 soit 9929 t équi C/an 2ème cas : combustion en torchère : les 200 Nm3/h CH4 se transforme en 200 Nm3/h C02 après combustion donc on rejette 500 Nm3/h CO2  500 x 8760 / 0,5095 = 8597 t CO2/an soit 2345 t équi C/an on a divisé par 4,2 l’impact sur le climat 3ème cas : production d’électricité par un groupe électrogène : on prendra un rendement global de 33% (35% pour le moteur à gaz et 95% pour la génératrice). Dans ce cas la combustion du méthane est identique au cas 2 donc la production de carbone sera la même (2345 t C/an dont 938 dues au méthane et 1407 dues au CO2 ). Cependant, la production d’électricité permet d’économiser sur l’achat de cette énergie. En supposant un PCI du méthane de 10,2 kWh/Nm3, la production d’électricité sera de 200 x 10,2 x 0,33 x 8760 = 5897 MWhe/an. On peut alors déterminer le contenu « carbone » du kWhe produit, en ne tenant compte que des émissions du méthane dans le rejet gazeux par : 938/5897 = 0,16 kg d’équi C/kWhe que l’on peut comparer au facteur d’émission de l’électricité de réseau en Europe : 0,023 en France (à cause des centrales nucléaires), 0,141 en Allemagne, 0,096 en moyenne sur l’europe. 79 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME Formation Bilan Carbone® « Enseignants  » 79

80 Exercice 3 : énoncé Restaurant de l’INSA de Lyon
Un groupe d’étudiants a effectué le Bilan Carbone® de la cafétéria de l’INSA de Lyon. Les informations en partie traitées doivent permettre de connaître le contenu « carbone » de l’assiette. Travail à réaliser : quantifier ce contenu et les différentes proportions des émissions de « carbone » ??? g équ.C 80 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME Formation Bilan Carbone® « Enseignants  » 80

81 Exercice 3 : éléments de réponse Restaurant de l’INSA de Lyon
650 g équ.C La moitié des émissions produites par la préparation d ’un repas sont constitués par les denrées. Parmi elles, plus de la moitié est due à la viande. Cela justifie la mise en place au restaurant universitaire d ’une opération « mangez moins bête » qui propose des repas « alternatifs » (ovo-lacto-végétariens, sans viande ni poissons). Ce programme est le lauréat du concours d’économie d’énergie organisé par l’association étudiante Objectif 21 en 2005 sur le campus de l’INSA. Ce programme se base sur le constat que la production d ’une calorie animale nécessite 7 à 9 calories végétales. Le président du GIEC a invité les gouvernements à agir en adoptant des politiques visant à réduire le nombre total d'animaux élevés. En Europe, un des plus grands producteurs et consommateurs de viandes , l'agriculture et l`élevage ne figurent même pas comme secteurs participant au marché d'échange des droits d'émission . « Mangez moins bête ! » 1 repas alternatif par semaine 81 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME Formation Bilan Carbone® « Enseignants  » 81

82 Valorisation de chaleur perdue
Analyse exergétique  Economies d’énergie par modification du schéma de fonctionnement La valorisation des chaleurs perdues est du domaine de l’analyse exergétique d’un process et fait appel à la notion de qualité d’une énergie thermique en associant à la quantité d’énergie échangée, son niveau de température. Il faut ensuite associer au mieux les nécessités et les disponibilités sans gaspiller de l’énergie à haut potentiel dans des utilisations de bas niveau thermique. Il s’agit de chercher l’utilisation rationnelle de l’énergie dans un process en repérant, dans l’expertise énergétique, les disponibilités de chaleur et leur niveau de température, les besoins et utilisations de l’entreprise, les rejets thermiques et déchets industriels de l’entreprise.  Qualité d’une énergie

83 BESOINS & NIVEAU DE TEMPERATURE
Les besoins d’énergie dans l’habitat correspondent aux disponibilités du solaire thermique ou géothermie basse température (en terme de niveau thermique). Le potentiel des économies réalisable est donc important et permet également une diminution des polluants à effet de serre. Ces choix d’orientation nécessite de faire appel à une conception architecturale des bâtiments favorisant l’exploitation de l’énergie solaire d’un site en période de chauffe. Il s’agit d’architecture bioclimatique.

84 Expertise énergétique
 Disponibilités à Td  Besoins – Utilisations à Tb  Rejets à Tr Rejets thermiques Déchets de production Pertes thermiques directes et h anormal Il s’agit de chercher l’utilisation rationnelle de l’énergie dans un process en repérant, dans l’expertise énergétique, les disponibilités de chaleur et leur niveau de température, les besoins et utilisations de l’entreprise, les rejets thermiques et déchets industriels de l’entreprise L’expertise énergétique permet déjà de situer l’efficacité de l’utilisation de l’énergie en dégageant trois points principaux sur lesquels on peut agir rapidement. - Les rejet thermiques : liquide- gaz à basse température utilisation directe pour le chauffage des locaux et préchauffage de produits. liquide-vapeur à moyenne température  valorisation par une RMV ou CMV qui relève le niveau thermique et permet des utilisations plus conséquentes sur le budget énergie. Les déchets de production : Valorisation sous forme de combustibles (traitement- conditionnement- PCI) à comparer au coût d’élimination (enlèvement – mise en décharge) Pertes thermiques directes : Cf étude économique d’un calorifugeage

85 Diagramme (T,H ) °C Température Puissances kW Fluide entrée sortie
donneurs accepteurs 1 220 40 1800 2 320 200 2400 3 140 800 4 100 1200 Four 1900 5 20 6000 6 600 aéroréfrigér 1500

86 Quelques infos supplémentaires

87 Le contenu énergétique
Le « MELTIDE K » ! Le contenu énergétique Matière première Energie Labeur Temps SYSTEME INDUSTRIEL BIENS ET SERVICES UTILISATEURS Information Dimension SOUS PRODUITS Eau REJET DANS L’ENVIRONNEMENT RE-EMPLOI Capital monétaire EMPREINTE ENVIRONNEMENTALE !!

88 « L’Energie grise » ! Analyse du Cycle de Vie : ACV Matériaux
Usage et Fin de vie Combustible Extraction Clientèle Raffinage Transformation Distribution Transport Stockage Conversion

89 Exemples d’énergie grise
Matière première Egrise Fer à béton 9 kWh/kg Acier inox kWh/kg Aluminium 0% recyclé 53 kWh/kg Aluminium 100% recyclé 5 kWh/kg Cuivre ,5 kWh/kg Lamellé collé 2,8 kWh/kg PVC ,5 kWh/kg Bois 0,55 kWh/kg Béton lourd 0,4 kWh/kg (900 kWh/m3) Eau 1, kWh/kg

90 Et aussi ... !! Canette alu 0,9 kWh 100 feuille A4 8,1 kWh
Mouton régional 18 kWh/kg Mouton NZ 80 kWh/kg Pain ,7 kWh/kg (4,9) Bœuf ,1 kWh/kg (8,8) Veau ,3 kWh/kg (21,6) Poulet 2,23 kWh/kg (1,1) Lait 0,82 kWh/kg (1,1) (Egrise/v nutritive)

91 Avantages - Inconvénients
Vue plus globale :  développe le sens critique « produit miracle »  éthique de vie Données difficiles d’accés et variables Calculs longs et délicats

92 « Etude de l’impact climatique »
Données ACV à la base des facteurs d’émission utilisés dans un comptage carbone « Etude de l’impact climatique »

93 Quelques valeurs… Matière première Egrise kWh/kg Facteur d’émission
kg équ.C/kg Fer à béton ,87 Acier inox ,87 Aluminium 0% recyclé ,68 Aluminium 100% recyclé 5 Cuivre 15,5 0,8 Lamellé collé 2,8 PVC 17,5 0,515 Bois 0,55 0,01 Béton lourd 0,4 0,1 Eau 1, Pain 14,7 0,13 Veau 40,3 16 Bœuf 15,1 7,3 Poulet 2,23 0,8 à 1,3 Lait 0,82 0,33


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