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Ressources Consommation Conséquences des manipulations énergétiques Electricité renouvelable Génération éolienne. Génération photovoltäïque. Bernard MULTON.

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1 Ressources Consommation Conséquences des manipulations énergétiques Electricité renouvelable Génération éolienne. Génération photovoltäïque. Bernard MULTON – Ecole Normale Supérieure de Cachan SATIE Antenne de Bretagne UMR CNRS-ENS Cachan 8029 Energies. Energie électrique : les enjeux Deauville, 24 novembre 2004 Demain ?

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3 photosynthèse Exemples de « cycles de vie de lénergie » réactions nucléaires de fusion dhydrogène dans les étoiles rayonnement transmis dans lespace intercepté par la terre Évaporation de leau effet photo-électrique sur des cellules cycle de leau Biomasse (combustible) Électricité (ex. éclairage) CHALEUR

4 Conversion dénergie et rendement énergétique Lénergie ne se perd pas, elle se transforme ou se convertit Lors dune conversion, une partie de lénergie est « perdue » ou dissipée chaleur Énergie mécanique Carburant Moteur à explosion Exemple : moteur thermique à explosion pour la propulsion dune voiture Transmission mécanique Pertes par frottements chaleur Énergie mécanique transmise aux roues Rendement Chaleur

5 Mais finalement quel est le « vrai » besoin ? Aspects physiques, économiques et sociologiques… Ressource primaire Conditionnement Transport et stockage éventuels Transformation (conversion) finale Service rendu «Rendement» = Service rendu Energie consommée et rejets Une nouvelle définition du rendement :

6 Besoins,ressources impact environnemental

7 LE FEU à partir du bois ou dhuile : il a servi à presque tout. LA FORCE ANIMALE (bœufs, chevaux, chiens...) LEAU des rivières et des marées (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) Les sources primitives dénergie Toutes des énergies renouvelables !

8 Durant, le 20 ème siècle, prise de conscience planétaire : - nos ressources sont limitées, notamment celles en énergie - nous perturbons notre environnement LES COMBUSTIBLES FOSSILES charbon, pétrole, gaz naturel Les sources « modernes » du 20 ème siecle La FISSION ATOMIQUE Énergie primaires Vecteur moderne de lénergie : ÉLECTRICITÉ Et peut-être bientôt : HYDROGÉNE

9 réserves exploitables Les ressources énergétiques non renouvelables : réserves exploitables durées au rythme actuel de consommation NUCLÉAIRE Fission ( U 235 ): kWh soit 40 ans Surgénérateurs ( U238 ): kWh (600 ans pour lensemble des besoins ) hydrates de méthane : > kWh ? Quasi-inépuisable Fusion (deutérium et tritium) : à kWh Quasi-inépuisable mais encore très loin de la maturité industrielle… « Epuisables et polluantes» Activités énergétiques humaines : kWh FOSSILES pétrole : kWh soit 40 à 50 ans charbon : kWh soit 200 ans gaz naturel : 1, kWh soit < 60 ans

10 noyau terre kWh Les ressources énergétiques renouvelables (chiffres annuels) soleil kWh 30% directement ré-émis dans lespace lune kWh marées 45% : kWh transformés en chaleur puis rayonnés 25% convertis en surface et dans latmosphère - cycles hydrologiques (88%) kWh - vents, houle kWh - photosynthèse (0,24%) kWh Activités énergétiques humaines : kWh

11 Croissance de la consommation globale dénergie primaire source : Agence Internationale de l Energie + compl. + 2,2%/an kWh 12 Gtep

12 Prévision de croissance et évolution des ressources Prévisions dun pétrolier (Shell) ! non renouvelables

13 Croissance de la population humaine, corrélation à la consommation énergétique Besoins métaboliques : 2,5 kWh/j/personne 1 français consomme :120 kWh/j 1 américain : 250 kWh/j

14 Les ressources naturelles sépuisent Jacques Laherrere, 28 Gb = kWh 1 baril = 1700 kWh Luranium aussi sépuise : Réserves raisonnablement assurées + spéculatives : 3 Mtonnes à moins de 80$/kg Mtonnes = moins de 60 ans au rythme actuel (3 ans pour satisfaire lensemble des besoins actuels) Réserves spéculatives estimées : 12 Mtonnes

15 Les cours des matières premières énergétiques fluctuent et affectent économie et stabilité politique… Et le prix du gaz naturel est indexé sur celui du pétrole… Le cours de luranium : également instable Annonce de lentrée de la Chine et de lInde dans les consommateurs duranium… Le baril de pétrole brut : la référence

16 Rejets gazeux dus à la combustion des produits carbonés Pour produire 1 kWh électrique 20 litres deau chaude (+40°C) - charbon classique : 1 kg de CO2 - gaz cycle combiné : 0,38 kg de CO2 Pour parcourir km en voiture : 2 tonnes de CO2 Matsuno_Japan Rejets de gaz à effet de serre La combustion de 1 kg de carbone dégage 3,6 kg de CO2 Consommation de carburants fossiles Teneur en CO2 dans latmosphère

17 En à peine plus de 200 ans, nous aurons rejeté dans latmosphère le carbone que la nature avait mis 600 millions dannées à piéger… Comment la nature pourrait-elle réguler une aussi violente perturbation ??

18 Les activités énergétiques sont parmi les plus coûteuses pour lenvironnement Croissance 1,6%/an 11,4 milliards dhectares (moins du ¼ de la surface de terres) sont biologiquement productifs Energie : plus de 50% !

19 Lélectricité

20 Lénergie électrique : croissance mondiale de la production + 3 %/an France (2003) Production : 548 TWh Consommation i ntérieure : 425 TWh + 42 TWh (« pertes et autoconso ») kWh ( TWh)

21 (hors énergie électrique produite dans les systèmes embarqués.) Notons que pour une part de 11% en énergie finale, la production délectricité consomme 30% de lénergie primaire mondiale (les transports : 17%). Part de lélectricité énergie

22 1 tep/an/hab = 31 kWh/jour/hab Consommation dénergie par habitant (exemples) 250 kWh primaires 28 kWh électriques USA 120 kWh primaires 20 kWh électriques France 11 kWh primaires 1,4 kWh électriques Maroc Élec : 11% Élec : 17% Élec : 9%

23 A partir de quelles sources primaires lélectricité est-elle produite ? Monde : kWh (3200 GW) Fossiles : 62% pour produire kWh nucléaire 86% fossile 9% hydraulique 5% 63 GW (59 réacteurs) France : 1, kWh (110 GW) pour produire 0, kWh

24 Produire une électricité durable ?

25 Les « nouvelles » sources renouvelables délectricité Remarque : 1 MW éolien fournit environ 2 à 4 GWh (1 an = 8760 heures) 1 MW solaire environ 0,8 à 1,5 GWh 1 MW nucléaireenviron 7 GWh Eoliennes : déjà plus de 39 GW (fin 2003) croissance 30 % par an 0,4% de la production mondiale délectricité offshore Photovoltaïque : presque 3 GW installés (fin 2003) croissance de 30 % par an Encore marginal mais très prometteur au-delà de 2030

26 Dautres sources renouvelables intéressantes dans certains lieux « privilégiés »… - Solaire thermique-électrique stade quasi-industriel - Géothermie vapeur -> électricité très rentable si ressources - Energie Marée-motrice peu de sites nouveaux développements avec turbines sous marines - Houle expérimental, peut être combiné aux éoliennes offshore Pelamis Marine Current Turbines Ltd

27 NGCC = Natural gas combined-cycle turbine Impact des volumes de production sur les coûts

28 Production éolienne délectricité

29 - production au fil du vent couplé au réseau qq 100 kW à qq MW OFFSHORE Danemark : 20 x 2 MWFrance, Donzère : 5 x 600 kW habitat isolé 10 kW loisirs 400 W - sites isolés, camping, bateaux… qq 10 W à qq 10 kW Deux grands secteurs dapplications de laérogénération

30 Ressources énergétiques du vent kWh exploitables Humanité : kWh primaires et kWh électriques Europe : kWh (double de la consommation électrique actuelle) POTENTIEL mondial : Europe : potentiel offshore plus de kWh (5000 TWh) (triple de la consommation électrique actuelle)

31 La génération délectricité éolienne : le plus fort taux de croissance actuel (environ 30% par an en moyenne depuis plus de 10 ans) Fin 2003 : 39,3 GW mondiaux 29 GW européens 15,2 GW Allemagne 253 MW France 1 W installé produit annuellement entre 2000 Wh et 4000 Wh selon les sites 6 m/s 9 m/s (offshore) En 2010 ? 140 GW mondiaux 90 GW européens En 2030 ? 2700 GW mondiaux

32 Coût du kWh produit : Conditions : V moy 6 m/s (2000 heures) amortissement sur 20 ans (intérêts 5%/an) En 2003, coût dinvestissement : 0,8 à 1,1 /W (terrestre) et 1,1 à 2 /W (offshore) Baisses de coût grâce aux effets de masse et déchelle Taille moyenne des éoliennes 2002 > 1 MW Pales de 39 m sur une Nordex N80 (2,5 MW) Gaz hors coûts environnementaux Prévision 2030 : 2,3 c/kWh (0,474 /W)

33 Rapport WindForce 12 (may 2004): Prévisions mondiales : 2030 : 2700 GW – 6620 TWh prix plancher : 2,3 c/kWh – 0,474 /W Stagnation de la puissance installée à partir de 2038: 3238 GW – 8510 TWh Retombées économiques et environnementales: En 2020, léolien - fournirait 12% de lélectricité mondiale - générèrerait un CA annuel de 80 G - " 2,3 M emplois - éviterait 11 G tonnes de CO2

34 Depuis 1990, décollage de la production éolienne offshore Europe fin août 2004 : plus de 610 MW installés près de 4000 MW prévus en 2007 Décembre 2002 : mise en service de Horns Rev 160 MW 80 x 2 MW Production annuelle prévue : 600 GWh (3750 h) 6 à 14 m de fond, km de la côte – 1.7 /W 1991 : Vindeby 11 x 450 kW 2001 : Middelgründen 20 x 2 MW (2250 h/an) 4 à 8 m de fond, 3.5 km de la côte 1.1 /W

35 Principe des turbines éoliennes Puissance aérodynamique : Théorie de Betz : C P maximal 16/27 = 0,59 CpCp C p_max = r. v opt

36 Vitesses démarrage nominale maximale Plage de production Limitation de puissance Courbe de production typique dun aérogénérateur Pitch (pas variable) V vent m/s Arrêt P

37 Chaîne de conversion « classique » à multiplicateur de vitesse Objectifs : alléger les équipements en nacelle (génératrice rapide) utiliser des générateurs standards Générateur Frein à disque Multiplicateur de vitesse Joint de cardan Rotor pitch Nordex Orientation

38 Génératrice asynchrone à deux vitesses fixes Exemples de chaînes de conversion à machine rapide : Nordex N kW Commutation 4/6 poles, 1000/200 kW 1513 et 1014 tr/mn Turbine 21,5 et 14,3 tr/mn (multiplicateur 1:70)

39 Génératrice asynchrone à double alimentation Nordex N kW 6 pôles 700 à 1300 tr/mn (1000 +/- 300 tr/mn) Turbine 10,9 à 19,1 tr/mn (multiplicateur 1:68,1) convertisseur IGBT 750 kVA Génératrice : 12 tonnes (1,6 N.m/kg) Multiplicateur : 18,5 tonnes Nacelle complète : 83 tonnes (+ 65 tonnes turbine)

40 Chaînes de conversion à entraînement direct Objectifs : améliorer la fiabilité, le rendement… Réduire la maintenance et le bruit La turbine entraîne directement la génératrice Exemples : 500 kW 30 tr/mn : 160 kN.m 4,5 MW 12 tr/mn : 3,6 MN.m Enercon

41 Génératrice synchrone à grand nombre de pôles (structures annulaires) et excitation bobinée sans balais Assemblage : la structure mécanique représente une part importante de la masse Enercon E kW 10 à 22 tr/mn Nacelle complète : 71 tonnes (machine à multiplicateur même puissance : 60 tonnes environ)

42 Génératrices directes : amélioration des performances Aimants : réduction de masse denviron 25% Rotor à pôles saillants bobinés Enercon Génératrice à aimants 500 kW à 32 tr/mn, avec 188 pôles masse active de 2,7 tonnes (dont 125 kg daimants haute énergie) masse totale de 10 tonnes ( 2/3 inactifs) soit un couple massique global de 15 N.m/kg (58 N.m/kg actif ). 4,5 MW à 12 tr/mn : 50 tonnes dont 13 tonnes actifs et 600 kg daimants. Rotor à aimants ABB

43 Production photovoltaïque

44 Applications Satellites Production au « fil du soleil », la plus forte croissance depuis années 90 grâce à des incitations financières (tarif rachat du kWh) De façon marginale : véhicules (courses sunracers) bateaux... Electrification des sites isolés, notamment : pompage d eau balises… pays en développement loisirs

45 Humanité : kWh primaires et kWh électriques Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : kW.h Selon les régions : de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an, soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m² et une puissance crête de plus de 1 kW/m² Une grande part de cette puissance par unité de surface peut être directement et aisément convertie en chaleur, une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité Ressources énergétiques solaires

46 Croissance de la filière photovoltaïque Générateurs photovoltaïques Monde Environ 2700 MWc installés fin 2003 moins de 30% en site isolé (total Europe 563 MW) pour une production d environ kWh Prévision mondiale 2030 : 1000 GW (plus de 1000 TWh) Eolien 2030 : 2700 GW – 6620 TWh production de capteurs PV Taux de croissance : 30 à 40%/an Production + installation : environ emplois/MW (en 2030 : , soit 1,5 Memplois permanents)

47 Systèmes photovoltaïques connectés au réseau (au fil du soleil) : USA : 1 million solar roofs (MSR) pour 2010 Allemagne, dès 1990 : 1000 toits solaires puis Japon, dès 1994 : toits solaires pour 2000 Centrales de grande puissance : Exemples Hemau (Bavière) déc MW (4,6 /W c ) Toits solaires : Projet Portugal (Amareleja) 64 MW (3,9 /W c )

48 Grâce aux améliorations de rendement, à l accroissement de la production… le coût du watt crête (générateur photovoltaïque seul) baisse rapidement (générateur PV seul) Avec 1000 h à pleine puissance pendant 20 ans : prix du kWh (hors coût installation et électronique de puissance) élevé : 0,15 /kWh avec équipements : x 2 et avec stockage x 3 à x 4 : 0,3 à 0,6 /kWh R. MESSENGER, J. VENTRE, Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, 1999.

49 Bilan des coûts actuels Soit ( avec 3,3 + 1, /Wc ) un coût de production pour 1400 heures plein ensoleillement annuel sur 20 ans (28 kWh/W c ) : 0,17 ou 0,31 /kWh sans ou avec stockage (en supposant une absence de maintenance) Coût dinvestissement de la puissance installée en 2003 (petites installations) : - modules PV seuls : 3 /W c en grande série (baisse à 1,6 / W c envisagée en 2010) - installation : 1,5 /W c - onduleur : 1,5 à 0,8 /W c (500 W à 5 kW) - stockage sur batteries : 3 à 6 /W c selon énergie stockée (environ 0,15 /Wh donc 3 /W équivalent à 20 heures à Pmax) < 6 /W c

50 Cellule photovoltaïque, principe : Protin, Astier, Techniques Ingénieur Convention diode récepteur IpIp VpVp E éclairement W/m² Convention diode générateur VpVp IpIp

51 Cellule, module, assemblage : Cellule : diode PV élémentaire dimensions de lordre de qq cm, qq watts Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle 32, 36, 72, cellules, qq 10 à qq 100 watts Web EREN, US dpt of Energy

52 Modules PV directement connectés à un accumulateur U bo RbRb Accumulateur IbIb Ensemble de modules PV VpVp IpIp U bo et R b sont également fonction de létat de charge IpIp VpVp consommateurs IuIu U bo I u = I u > 0 variable PpPp VpVp

53 Intérêt de la poursuite de la puissance maximale : systèmes MPPT Utile pour exploiter la puissance maximale dans des conditions très variables : de température, densoleillement… de tension continue (vieillissement batterie, EDC…) des disparités déclairement des modules de la consommation… Ensemble de modules PV VpVp IpIp IuIu VpVp IpIp Accumulateur U bo RbRb IbIb RbRb IbIb IuIu consommateurs Convertisseur DC-DC C de MPPT UbUb IsIs

54 Exemple de convertisseur DC-AC : redresseur MLI Exemple monophasé Avantages : - courants quasi-sinusoïdaux - réversibilité - possibilité de fournir du réactif Inconvénients : - nécessité dune tension élevée - coût - pertes de commutation - CEM Se généralisent pour les toits solaires... Convention générateur côté réseau

55 Bilan - Perspectives Quelles sources pour demain ? Un colossal potentiel déconomie dénergie après- demain ?

56 Lénergie la moins chère et la moins polluante : celle quon ne consomme pas ! Un habitat mieux isolé et avec des systèmes de chauffage plus efficaces Des appareils électriques plus efficaces : - les « veilles » consomment, en France, 5 à 6 TWh - hors chauffage, potentiel de baisse de 40% avec des appareils plus économes (éclairage, froid…) 1 tranche nucléaire ! 4 tranches nucléaires ! Des véhicules à rendement amélioré et moins lourds Economies = baisse des rejets de CO2 et de déchets nucléaires Le potentiel déconomie dénergie est colossal et peut générer un marché énorme

57 Quelles sources pour demain (2010) ? Une plus grande part pour les sources renouvelables dans les usages thermiques, électriques et les transports Directive européenne sur la part des énergies renouvelables au niveau primaire : de 6 à 12% en électricité finale : de 14 à 22% (1990 à 2010)

58 … quelles sources pour demain (2010) ? Des choix liés au potentiel local : Biomasse, vent, houle, géothermie, solaire… Décentralisation Diversification Cogénérations Transports : toujours des carburants, mais plus propres (biocarburants), dans des voitures électriques ? À la maison : une chaudière qui fait de la chaleur et de lélectricité

59 Lhydrogène : carburant propre par excellence La fusion nucléaire ? Et après-demain ? Théoriquement propre et inépuisable Mais encore très incertaine, difficultés importantes…2100 ? sil est produit à partir de sources renouvelables Peut-être à partir de 2050 ? Il deviendrait le vecteur complémentaire de lélectricité Des grands réseaux dénergie interconnectés avec une très large place pour une production décentralisée sur le lieu de consommation

60 Lutilisation des ressources renouvelables de façon décentralisée génère : - une nouvelle économie - des emplois locaux (installations, maintenance, renouvellement…), - une plus grande sécurité dapprovisionnement - une économie durable ! - de réelles possibilités daccès à lénergie pour les pays en voie de développement - Une plus grande stabilité politique mondiale

61 On ne manque pas dénergie, mais il faut des idées ! … et le courage de prendre vite de bonnes décisions sachant que les changements dans le domaine énergétique demandent du temps et ne sont pas sans conséquences...

62 Compléments téléchargeables sur : Enseignement : Département Mécatronique Recherche : Actionneurs et Energie


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