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2014 - Université catholique de Louvain ELEC 2670 Sources dénergie électrique renouvelables ou non conventionnelles E. Matagne :

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1 Université catholique de Louvain ELEC 2670 Sources dénergie électrique renouvelables ou non conventionnelles E. Matagne : E. De Jaeger : P. Jacques : Site principal : + occasionnellement icampus Autre site, utile mais utilisé de façon non suivie

2 Université catholique de Louvain 2 Sujets traités - Contexte énergétique - Énergie solaire photovoltaïque - Énergie éolienne - Conversion thermoélectrique - Effet magnétoélectrique - Conversion Magnéto-Hydro-Dynamique Cours de 4 ECTS, ce qui fixe le pourcentage de votre temps de travail que vous pouvez (ou devez) consacrer au cours. Pour un programme de 30 ECTS/quadri, on a 4/30 = 13.3% du temps. Cette estimation concerne tout le travail : cours, étude, travaux pratiques non encadrés, laboratoire, rédaction de rapport…

3 Université catholique de Louvain Evaluation 3 1) Lévaluation se fera en partie sur base des travaux pratiques : Travaux non encadrés : questions posées lors du cours magistral et auxquelles vous répondrez par écrit au plus tard au début du cours suivant, seul ou en équipe, Deux à trois séances de laboratoire avec rapport selon un horaire à convenir. Les équipes peuvent changer dun document à lautre, pourvu que tous les noms des rédacteurs se trouvent sur le document. Les questions ne sont pas toujours préparées sur les transparents ! 2) Lessentiel de lévaluation se fera en session lors dun examen oral à livre ouvert (1/2 heure sans préparation). 3) Des points de vue différents de ceux adoptés par lenseignant peuvent être utilisés. Quel que soit le point de vue adopté, il doit pouvoir être discuté (cohérence interne et correspondance avec dautres points de vue).

4 Université catholique de Louvain 4 Contexte énergétique Plus de détails à l adresse La puissance moyenne consommée par l humanité est estimée à -En 1998, W pour personnes, soit 2185 W / personne. -En 2002, W pour personnes, soit 2230 W / personne. -En 2006, W pour personnes, soit 2444 W / personne. -En 2012, W pour personnes, soit 2564 W / personne. -En 2013, 18, W ? pour personnes, soit 2577 W / personne ? Source : sites officiels des USA (http://www.eia.gov) et autreshttp://www.eia.gov Attention : la moyenne cache de grandes disparités Origine : 75 % énergie fossile (pétrole, charbon, gaz…), pourcentage en diminution malgré laugmentation en valeur absolue. 18 % énergie renouvelable non nucléaire (bois, déchets, énergie hydraulique, énergie solaire, vent…) 5 % nucléaire (sous-estimé car exprimé en valeur électrique !) Le « grand public » ne connaît pas la loi de conservation de l énergie. Pourtant, l attitude envers les principales sources d énergie a changé. Je vais relever 4 aspects de cette attitude.

5 Université catholique de Louvain 5 Aspect 1 : A l occasion de crises pétrolières successives, la dépendance de nombreux pays vis à vis du pétrole étranger est apparue comme une faiblesse et une source de conflits. La même prise de conscience se fait vis-à-vis de la dépendance en gaz naturel.

6 Université catholique de Louvain 6 Aspect 2 : Prise de conscience du fait que les combustibles fossiles constituent une ressource limitée.

7 Université catholique de Louvain 7 ! Ancien doc. Electrabel Algérie(2006) : 2.4 milliards de tonnes

8 Université catholique de Louvain 8 ! Ancien doc. Electrabel Algérie(2006) : 4.05 milliards de tep

9 Université catholique de Louvain 9 ! Ancien doc. Electrabel

10 Université catholique de Louvain 10 L argument d un épuisement à court terme est souvent cité, mais Cela fait longtemps que l on annonce que les réserves de pétrole ne couvrent que 40 ans (on parle même maintenant de 60 ans). Si on accepte de sacrifier des espaces naturels (Alaska, antarctique), on peut retarder les échéances. La fusion des calottes polaires (due au réchauffement climatique) libère de nouveaux terrains dexploitation près des pôles. Remarque : même si on brûlait tous les combustibles fossiles connus, la teneur de latmosphère en O 2 serait à peine modifiée ! Estimation faite sur le site

11 Université catholique de Louvain 11 Et l atmosphère Aspect 3 : Les modifications climatiques sont maintenant une évidence, et l implication du CO 2 produit par les combustibles fossiles est (presque) universellement admis. Et si tous les pays vivaient au même niveau de consommation que l occident ! Doù lintérêt des technologies « low carbon ». Le nucléaire est-il une solution ?

12 Université catholique de Louvain 12 Ancien doc. Electrabel

13 Université catholique de Louvain 13 Nucléaire classique limité, mais... Le tableau précédent suppose que lon nutilise que luranium 235, or Les réacteurs surgénérateurs permettent dutiliser luranium 238, ce qui porte les réserves à plusieurs centaines ou milliers dannées, Le thorium pourrait aussi être exploité, et il est plus abondant que luranium, Un des principaux déchets radioactifs dans la filière actuelle est le plutonium, qui pourrait être valorisé.

14 Université catholique de Louvain 14 Aspect 4 : Sous la pression de l opinion publique, plusieurs pays, suivant l exemple de l Allemagne, ont décidé la sortie du nucléaire. Actuellement, on recule les échéances… Opposition encore plus forte aux surgénérateurs quau nucléaire traditionnel. Et pourtant, la recherche se poursuit dans cette direction,

15 Université catholique de Louvain 15 La fusion nucléaire permet en principe dutiliser comme combustible lhydrogène (en tout cas le deutérium), ce qui rendrait les réserves quasi inépuisables. La fusion nucléaire sera-t-elle propre ? Acceptée ? Il ny a pas d espoir dans un avenir proche : énormes problèmes techniques … et politiques. Projet ITER : international, installation expérimentale en France. Les américains y travaillent de leur côté : les chercheurs du "National Ignition Facility" ont réussi à chauffer un mélange de deutérium et tritium à plus de 111 millions de degrés Celsius par faisceaux laser.

16 Université catholique de Louvain 16 Énergies dérivées du Soleil Le Soleil est un immense réacteur nucléaire ! La plus grande partie de l énergie consommée provient directement ou indirectement du soleil (combustibles fossiles, mais aussi énergies renouvelables comme le bois, le vent, l hydroélectricité). Comme autres sources renouvelables non nucléaires : géothermique, énergie des astres (marées). Intérêt croissant pour les sources d énergie renouvelables, mais seulement une partie de celles-ci sont durables. Mauvais exemples : déboisement (mauvaise utilisation de la biomasse…) envasement de l estuaire de la Rance (remplacement dun biotope par un autre) dépôts de boues dans les lacs de centrale hydraulique

17 Université catholique de Louvain 17 Gisement solaire Carré = aire nécessaire pour couvrir la consommation mondiale dénergie (vers lan 2000).

18 Université catholique de Louvain 18 Énergie électrique Une partie importante de l énergie est transformée en électricité avant d être consommée. - Utilisation facile car facilement transformable Donc, on consommera de plus en plus d électricité, surtout si on prévoit une élévation du niveau de vie dans les pays en voie de développement et le développement de voitures électriques. - Transport relativement facile (lignes haute-tension) - Possibilité de choix politique des sources de lénergie - Mais difficultés de stockage direct (condensateurs, inductances) indirect (centrales de pompage, batteries, accumulation sous forme d énergie cinétique…)

19 Université catholique de Louvain 19 Filières de production dénergie électrique

20 Université catholique de Louvain 20 A noter aussi une plus grande attention portée à une utilisation plus efficace de lénergie électrique (LED, …) à la récupération des énergies perdues (déchets organiques, chaleurs industrielles) Pour profiter de ces opportunités, des convertisseurs originaux donnent lieu à des recherches: convertisseurs chaleur-électricité avec intermédiaire acoustique ou magnétique, ou encore de nouveaux matériaux thermoélectriques.

21 Université catholique de Louvain 21 Doc. FPE Source : wikipedia A noter que la Belgique importe de lénergie électrique !

22 Université catholique de Louvain 22 Doc. FPE Chiffres pour 2012 ( via le réseau Eliawww.synergrid.be Production délectricité : 61,8 TWh Importation délectricité : 16,8 TWh Exportation délectricité : 6,8 TWh A noter que la Belgique a importé plus quelle na exporté, ce qui est une conséquence de larrêt de centrales nucléaires ! Pour être « autosuffisant », il aurait donc fallu produire au moins 61,8 + 16,8 – 6,8 = 71,8 TWh + lénergie électrique qui ne passe pas par le réseau !

23 Université catholique de Louvain 23 Exploitation du gisement solaire Deux techniques permettent d atteindre un rendement d environ 6 % Énergie solaire photovoltaïque Énergie solaire thermique à haute température (forte concentration) avec cycle thermodynamique

24 Université catholique de Louvain 24 Justification du chiffre de 6 % Les modules photovoltaïques ont un rendement nominal qui peut dépasser 12 %, mais (attention, ordres de grandeur seulement) poussière* 0.94 éclairement oblique moins bon rendement si éclairement < 1000 W/m 2 rendement différent si spectre AM 1.5 échauffement des modules* 0.8 pertes dans les câbles électriques* 0.99 manque d adaptation électrique ou pertes du convertisseur* 0.97 équipements auxiliaires conversion avant utilisation* stockage ( applicable seulement à la partie stockée dans une batterie)* 0.8 transport

25 Université catholique de Louvain 25 En Belgique Il y a (2013) une puissance installée photovoltaïque de 2869 MWc (pas beaucoup plus quen 2012 !) selon Si on admet un facteur dutilisation de 10% (optimiste, notamment parce que toutes les installations ne sont pas optimales), la production estimée pour 2013 est de 2,525 TWh.

26 Université catholique de Louvain 26 Energie solaire photovoltaïque Le rendement semble faible, mais Le rendement est-il si important quand la source d énergie est gratuite ? Il faut plutôt regarder le prix au kWh produit (et pas au m 2 ). Un mauvais rendement conduit « seulement » à une surface plus grande Les autres solutions ont un rendement encore moins bon (y compris la synthèse chlorophyllienne !) Le principal obstacle au développement du solaire photovoltaïque est son prix. On a cru pouvoir faire baisser les prix en stimulant la production, mais cela n a pas (encore) donné les résultats escompté. Développement dune production de Si pour le photovoltaïque en cours. Soupçons de vente à perte en provenance de pays hors Europe ! Quasi disparition de la production européenne. Récemment, mise en place dune taxe à limportation.

27 Université catholique de Louvain 27 Electricité solaire via thermique Cest un concurrent sérieux des centrales photovoltaïques. On peut concentrer la lumière du Soleil pour atteindre des températures plus élevées. Le rendement du cycle thermodynamique croît avec la température. Mais Nécessité dun système de poursuite du Soleil Les concentrateurs font perdre le rayonnement diffus ! Le rendement du capteur thermique diminue quand la concentration et la température augmentent. Problème dombre mutuelle (commun à tous les systèmes avec poursuite) Voir Plataforma Solar de Almeriahttp://www.psa.es/webeng/index.php

28 Université catholique de Louvain 28 Sans concentration (1x) (capteur 2D) T : < 120°C Rendement thermique : 80% Rendement du cycle thermodynamique : minuscule Produit des précédents : minuscule Mais si on peut réaliser un générateur électrique bon marché, cela pourrait devenir intéressant !

29 Université catholique de Louvain 29 Avec concentration sur capteur à 1 dimension (200x) T : 400°C Rendement thermique : 60% Rendement du cycle thermodynamique : 20% Produit des précédents : 12 %

30 Université catholique de Louvain 30 Avec concentration sur capteur « ponctuel » (45000x) Rendement thermique : 50% Rendement du cycle thermodynamique : 36% Produit des précédents : 18%

31 Université catholique de Louvain 31 Avec concentration par héliostats Centrale solaire dAlmeria (Andalousie)

32 Université catholique de Louvain 32 Générateur éolien aile frein à disque roulement du rotor entraînement alternateur pignon dorientation pylône ventilation Doc. Electrabel

33 Université catholique de Louvain 33 Note sur l énergie éolienne Plus rentable ( déficit moindre !) que l énergie photovoltaïque, mais Environ 2% seulement de l énergie solaire reçue par la terre est transformée en énergie éolienne……le gisement éolien est plus faible. En tenant compte d un facteur d utilisation d environ 1/3, pour remplacer un réacteur nucléaire de 300 MW, il faut 900 éoliennes de 1 MW. Léolien en Belgique a une puissance installée de 1707,5 MW (625,2 MW off- shore, 479,8 MW en Flandre et 602,5 MW en Wallonie) selon En 2012, la puissance installée est passée de 1078 à 1375 MW. La production a été de 2,608 TWh, soit un facteur dutilisation denviron 24 % !

34 Université catholique de Louvain 34 Carte du vent en Belgique Doc. Electrabel La puissance produite par une éolienne dépend beaucoup de la vitesse du vent. Idéalement, elle dépend du cube de cette vitesse.

35 Université catholique de Louvain 35 Problème des énergies fluctuantes L énergie solaire et l énergie éolienne sont très fluctuantes. Leur pénétration sur le marché dépend de la disponibilité de méthode de stockage dénergie. Actuellement, on peut stocker de lénergie dans des volants dinertie pour un temps caractéristique de lordre de la dizaine de minute (donc assez pour lisser leffet des rafales de vent). On espère monter à des durées de quelques heures pour pouvoir lisser leffet de lalternance jour-nuit. A défaut de méthode de stockage, il faut prévoir des sources d énergie alternatives, mais celles-ci ont aussi un faible facteur d utilisation. Donc, risque d installations bon marché et … pollution, ne serait-ce que parce que les installations fonctionnant en transitoire ont un moins bon rendement (exemple du Danemark qui est équipé de nombreuses éoliennes). Alternative au stockage : permettre une régulation centralisée de la charge. Base volontaire avec incitants ou par contrainte légale ?

36 Université catholique de Louvain 36 Agriculture énergétique On parle souvent de l agriculture (bois, colza…) comme une source d énergie. Voici (sous réserve) un petit calcul. Tablons sur une production de 1 à 1.5 kg de matière sèche par m 2 et par an. Cela représente 1.3 kWh / m 2 / an, soit un rendement moyen de 0.13 % seulement. Conclusion : l énergie de la biomasse est intéressante seulement comme un sous-produit ou pour valoriser des surfaces désertiques (mais le sont- elles vraiment ? Et même si cest le cas, ne pourrait-elles pas être mieux utilisées ?).

37 Université catholique de Louvain 37 Conclusion de cette introduction L énergie est le principal défi auquel l humanité va devoir faire face ! A noter : La gestion de l eau et de la nourriture dépend aussi de l énergie disponible ! Actuellement, pas de développement possible à grande échelle des énergies renouvelables en l absence de subside. Il existe des utilisations locales déjà intéressantes (horodateurs … relais de communication … villages isolés). On aura besoin dingénieurs avec une formation polyvalente.

38 Université catholique de Louvain 38 Exemples de recherches Recherches en énergie photovoltaïque modélisation des composants dune installation simulation du fonctionnement dinstallations (but : estimation réaliste du risque de manque dénergie, optimisation….) Autres recherches en cours Thermoélectricité : un chercheur engagé sur un projet région wallonne (IMAP-MCTR-ULg-CRM) puis doctorant. Effet magnétocalorique : un doctorat (IMAP-MCTR) en cours ! Bourse FRIA obtenue.

39 Université catholique de Louvain 39 Exemples de problèmes : 1)Les données météo disponibles pour dimensionner une installation photovoltaïque ne sont jamais complètes (échelle de temps trop grande, mesure de léclairement global seulement, uniquement sur plan horizontal, pas de mesure du spectre…..). Comment les compléter par calcul en utilisant des modèles du ciel ? 2) le rendement des modules solaires dépend du spectre de leur éclairement (infrarouges, rouge …….violet, ultraviolet). Actuellement, on suppose souvent dans les calculs que le spectre est constant (AM 1.5) alors quil varie avec lheure et létat de latmosphère.

40 Université catholique de Louvain 40 Idée pour compléter les mesures expérimentales

41 Université catholique de Louvain 41 Utilisation des données complétées


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