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

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1 1 Les énergies renouvelables Mercredi 17 et Vendredi 19 Novembre 2004 A. Kaddouri

2 2 Quest ce que lénergie ? Un système ou un corps possède de lénergie sil peut fournir du travail ou de la chaleur. Ex. lessence possède de lénergie puisque nous pouvons lutiliser pour propulser un véhicule. Cette même essence, en brûlant, peut fournir de la chaleur.

3 3 Différentes formes de lénergie Au niveau microscopique, lénergie peut exister sous forme organisée ou désorganisée. Organisée: cest un travail Désorganisée: cest une chaleur

4 4 Particularité de lénergie Elle existe sous différentes formes: - Mécanique -Chimique -Chaleur -Nucléaire (conversion dune forme dénergie en une autre, avec un certain rendement: pertes)

5 5 Particularité de lénergie Énergie primaire: na subi aucune conversion entre la production et la consommation (pétrole, charbon, gaz naturel, électricité dorigine nucléaire, de lhydraulique, du bois, de lénergie solaire et de lénergie éolienne) Énergie finale: fournie aux consommateurs (besoins énergétiques et non énergétiques)

6 6 Unités Lunité dénergie dans le système international est le joule. Pour des transformations macroscopiques, elle est très petite on utilise le kJ (1000J) ou le MJ (10 6 J). Énergies mises en jeu au niveau des atomes, des molécules ou des noyaux on utilise plutôt lélectron volt (eV)

7 7 Puissance Quantité dénergie par unité de temps. Lunité de base est le watt (1W = 1J/s) Dans le domaine de lénergie on emploie souvent le mégawatt (1MW = 10 6 W) et le Tétrawatt ( 1TW = W) Dans le domaine électrique, on utilise aussi comme unité dénergie le watt-heure (Wh) et ses multiples. (1Wh = énergie de 1J/s pendant 1 heure, soit : 1Wh = 3600J et 1kWh = 3,6 x 10 6 J. Ne pas confondre le kWh (quantité dénergie) avec le kW (une unité de puissance)

8 8 Équivalences Pour comparer différentes sources dénergies, il est dusage de les rapporter à lénergie fournie par le pétrole brut. On utilise une unité, la tep (tonne équivalent pétrole) dont la valeur est fixée, par convention, à calories = 42 GJ (11700kWh).

9 9 Combustion Référence / pouvoir calorifique Pouvoir calorifique inférieur (PCI) Pouvoir calorifique supérieur (PCS) (qui inclut la chaleur latente de la vapeur produite lors de la combustion) On ne récupère habituellement pas cette chaleur latente dans les usages courants, on parle plutôt de PCI et la tep est définie selon cette convention.

10 10 Pouvoir calorifique Pouvoir calorifique du pétrole brut varie légèrement dun gisement à lautre; il est également différent pour les produits pétroliers raffinés. 1 tonne dessence = 1,048 tep 1 tonne de GPL = 1,095 tep 1 tonne de fuel lourd = 0,952 tep.

11 11 Pouvoir calorifique du gaz naturel Pouvoir calorifique légèrement supérieur à celui du pétrole: 1 tonne de gaz naturel liquide vaut 1,096 tep (1000 m 3 valent 0,857 tep)

12 12 Facteurs de conversion Conventions qui dépendent du rendement 1000 kWh délectricité représentent 0,0857 tep sils sont produit par lhydraulique et 0,222 tep sils sont produit par les réacteurs nucléaires. Ceci provient de ce que le rendement dune centrale hydraulique est proche de 100% alors que celui des centrales nucléaires actuelles est de 33%

13 13 Énergie et développement Première consommation énergétique de lhomme est la nourriture (vivre et assurer sa descendance. Besoin indispensable doit être complétée par dautres formes dénergie qui ont pris une part de plus en plus importante au cours de lévolution de lhumanité.

14 14 Énergie et développement Il y a ans, lhomme a découvert et maîtrisé le feu. Celui-ci lui a fourni la lumière pour voir la nuit et effrayer les animaux, et la chaleur pour lutter contre le froid et faire cuire les aliments. Pour alimenter ce feu de manière plus efficace, lhomme a inventé le charbon de bois, il y a environ 7000 ans, ce qui lui a permis de développer de nouvelles techniques: poterie, métallurgie du plomb, du cuivre, du fer, fabrication du plâtre et de la chaux…

15 15 Transport Deuxième volet du besoin dénergie dont ont eu besoin nos ancêtres. Il sont au cœur des civilisations daujourdhui. Les premiers transports se sont fait à dos dhomme et danimal. Puis la voile, utilisant lénergie du vent fut employée dans le transport maritime. Le charbon a permis dutiliser les locomotives à vapeur et lessence pour les voitures.

16 16 Demande dénergie Pays industrialisés forte augmentation puis stabilisation. Futur: diminution légère grâce à une meilleure efficacité énergétique. Pays en voie de développement en pleine croissance Ils aspirent à atteindre le niveau économique des pays développés et donc ont besoin dénergie.

17 17 Population et consommation av J.C : 5 millions dhabitants En lan 1: 250 millions 1820: 1 Milliard 1925: 2 Milliards 1961: 4 Milliards 2000: 6 Milliards Prévisions 2020 : 8 Milliards et 2100 : 12 Milliards Augmentation de la population accroissement demande énergétique

18 18 Consommation délectricité et espérance de vie En TWh (6M dindividus) Consommation mondiale moyenne 2485 kWh/habitant/an (4M sont au dessous de cette valeur) Consommation électrique de la France (population 60,4millions dhabitants): 441 TWh (i.e kWh/habitant/an)

19 19 Population et consommation Lespérance de vie semble en partie corrélée à la consommation dénergie électrique, qui donne un ordre de grandeur du niveau de vie des pays. 36,5 ans En consommée <1600 kWh/habit/an Or 3,5M habitants consomment En <875 kWh/habit/an Dont 2,2 Milliards < 440 et 1Milliard < 260 kWh/habitant/an. Le taux de mortalité infantile augmente aussi fortement lorsque la puissance consommée, toutes énergies confondues, est < kWh/habit/an.

20 20 Population consommation/espérance de vie (France) An Millions dhabitants 0,3 tep/habitant/an An Millions dhabitants 4,1 tep/habitant/an (soit 14 fois plus) ce qui correspond à une croissance moyenne par habitant de 1,3%/an) Actuellement, la croissance prévue au niveau mondiale est de 2-2,5%/an. En 200 ans, lespérance de vie est passée de 27,5 ans pour les hommes en , à 73,5 ans en 1994 alors quelle passait de 28,1 ans à 81,8 ans pour les femmes

21 21 Produit intérieur brut (PIB) Lévolution du produit intérieur brut par habitant donne une estimation de la richesse des individus. Augmentation de 0,2% par an entre 1400 et 1820 ce qui correspond en 420 ans, à une multiplication par 2,3 de la richesse. Depuis 1950, cette augmentation est de 2,8% par an soit une multiplication par 4 des richesses en 50 ans.

22 22 Énergie et avenir Il ne faut pas gaspiller lénergie, car si elle est bon marché aujourdhui, il est fort possible que ce ne soit plus le cas demain. Il faut préparer lavenir en envisageant les différentes sources possibles tout en tenant compte des aspects économiques, politiques, de sûreté dapprovisionnement et environnementaux.

23 23 Coût de lénergie Évolution vers un vrai coût de lÉnergie Externalités ( terme utilisé par les économistes ) Pollutions Effet de serre Restauration des sites (cas de lénergie nucléaire)

24 24 Différentes sources dénergie Fossiles et minérales Charbon, Pétrole, Gaz, Uranium Énergie renouvelables Hydraulique (barrages, fleuves, rivières, chutes deau) Solaire (photons) Éolien (vent) Biomasse (bois, déchets végétaux……) Géothermie (sources de chaleur souterraines ) etc.…..

25 25 Énergies renouvelables Il y a 200 ans, les hommes nutilisaient que des énergies renouvelables: Bois pour le chauffage Traction animale pour les transports Chutes deau et vent pour lénergie mécanique Au cours du XIX ème siècle on utilise le charbon et lon invente la machine à vapeur. Au XX ème siècle, le pétrole, le gaz et le nucléaire apparaissent

26 26 Consommation dénergie primaire commerciale dans le monde ÉnergieG tep% Pétrole3,50440,0 Gaz2,16424,7 Charbon2,18625,0 Nucléaire0,669 7,6 Hydraulique0,230 2,6 Total8,752100

27 27 Consommation dénergie primaire en France SourceMtep% Charbon14,1 5,5 Pétrole98,538,2 Gaz naturel37,314,4 Électricité94,936,8 Énergies renouvelables12,7 4,9 (thermique ) Total257,5100

28 28 Répartition de la consommation dénergie totale et de lélectricité selon les différents secteurs économiques Énergie totale Électricité SecteurMtep % TWh% Industrie57,9 26,8 136,6 34,5 Agriculture 3,4 1,6 2,7 0,7 Résidentiel 100,7 46,7 246,4 62,2 (tertiaire) Transports53,8 24,9 10,4 2,6 Total215,8 396,1

29 29 Effet de serre Sans leffet de serre, la température moyenne de notre planète serait à -18°C. Grâce à ce phénomène, elle est de 15°C. Il représente en moyenne150W/m 2. Depuis le début de lère industrielle, leffet de serre a augmenté de 2,45W/m 2, soit de 1% de lénergie rayonnée par notre planète. Ceci a eu pour conséquence daccroître la température moyenne, entre 1850 et 1995, de 0,3 à 0,6°C. Cette augmentation est préoccupante.

30 30 Effet de serre Vapeur deau (gaz ayant la plus grosse influence sur leffet de serre (60 à 70%). Néanmoins, la quantité rejetée par lhomme ne fait pas varier de façon sensible sa concentration dans latmosphère et le cycle de leau est très rapide. Ce nest pas le cas dautres gaz comme le gaz carbonique, le méthane et le protoxyde dazote (N 2 O). Les composés halogénés sont rejetés en quantités moindres et leur impact est plus faible. En revanche, leur durée de vie est plus importante. Les composés halogénés jouent un rôle important dans la destruction de la couche dozone qui nous protège des rayons ultraviolets nocifs.(il faudra environ 50 ans pour restaurer la couche dozone à son niveau des années 1970).

31 31 Effet de serre De manière quantitative laugmentation de leffet de serre se répartit de la façon suivante: 1,56 W/m 2 pour le CO 2, 0,5 pour le CH 4 0,14 pour N 2 O et 0,25 pour les Composés halogénés Les combustibles fossiles CO 2 une meilleure gestion de la combustion et le choix du combustible fossile (par ex pour une même quantité dénergie fournie, la combustion du gaz naturel émet deux fois moins de CO 2 que celle du charbon. Les énergies renouvelables et le nucléaire ne contribuent pas à accroître leffet de serre.

32 32 Émission de CO 2 par kWh électrique pour différentes sources dénergie Mode de production émissions (grammes/kWh) Charbon Pétrole Gaz Nucléaire5-20 Éolien10-75 Solaire photovoltaïque Biomasse0-120

33 33 Réserves mondiales de pétrole par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001) Régions Réserves% (Gt) Amérique du nord8,56,1 Amérique du sud et centrale13,69,0 Europe2,51,9 Ex-URSS9,06,4 Moyen-Orient92,565,3 Afrique10,07,1 Asie pacifique6,04,2 Total142,1100

34 34 Réserves mondiales de gaz par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001) Région Réserves% (10 12 m 3 ) Amérique du nord7,334,9 Amérique du sud et centrale6,934,6 Europe5,223,5 Ex-URSS56,737,8 Moyen-Orient52,5235,0 Afrique11,167,4 Asie pacifique10,336,8 Total150,19100

35 35 Réserves mondiales de Charbon par régions (BP statist. Rev. World En. Juin 2001) Région Réserves% (Gt) Amérique du nord116,70722,9 Amérique du sud et centrale 7,8391,6 Europe 41,6648,2 Ex-URSS 97,47619,1 Moyen-Orient+ Afrique 61,35512,0 Asie pacifique184,4536,2 Total509,491100

36 36 Conclusion sur les réserves de pétrole, de charbon et de gaz Charbons, pétrole - commodité et densité dénergie élevées. - impact mesurable sur lenvironnement (effet de serre, pollutions diverses) Charbon : réserves considérables) Pétrole : liquide, facile à transporter irremplaçable pour les transports) Gaz : faible caractère polluant, haut rendement des dispositifs de combustion, fort effet de serre (si il y a fuite) La technologie permet de passer dune forme de combustible à une autre mais la rentabilité nest toujours pas au rendez-vous.

37 37 les réserves de pétrole, de charbon et de gaz (suite) Deux facteurs encourent à une demande énergétique plus forte dans lavenir: Laccroissement de la population mondiale et le fait que les pays en voie de développement souhaitent accroître leur niveau de vie. Avec une croissance énergétique annuelle mondiale de 2 à 2,5% par an, cela revient à doubler la consommation énergétique de la planète dans 30 ans. Pour satisfaire à ces besoins supplémentaires, sans pour autant accroître leffet de serre, il sera nécessaire de développer lénergie nucléaire et les énergie renouvelables, qui ne représentent pour le moment que 10% de la consommation énergétique mondiale. Chacune des sources dénergie a des avantages et des inconvénients, en terme de coût, de sécurité dapprovisionnement, dimpact sur lenvironnement….. Il ny a pas de solution universelle et le panache permettant davoir la meilleure solution énergétique est spécifique à chaque pays

38 38 Effet photovoltaïque Découvert par le physicien Becquerel 1839 Conversion directe du rayonnement solaire en électricité. Photons (particules de lumière) frappent certains matériaux, ils délogent et mettent en mouvement des électrons des atomes de ces matériaux. Courant électrique = mouvement délectrons. Application de cette découverte à partir de 1954 (alimentation en électricité de téléphone installés en zones isolées, industrie spatiale) Rendement énergétique (En électrique créée/En solaire reçue) en pratique = 15%. Rendement énergétique en Laboratoire: 30% (rendement dune traditionnelle centrale thermique ( brûlant du charbon ou du fioul) = 35% Le développement de lénergie photovoltaïque nest pas freiné par sont rendement mais par son coût qui le limite à certaines applications.

39 39 Les cellules photovoltaïques Cellule solaire matériaux semi- conducteurs (utilisés dans lindustrie électronique pour fabriquer les diodes, transistors…… Le silicium est le matériau semi- conducteur le plus utilisé (très présent dans la nature: environ 30% de lécorce terrestre/sable, quartz)

40 40 Différents type de cellules Cellule faites de silicium monocristallin Fine tranches de quelques centaines de microns à partir dun lingot de silicium fondu refroidit très lentement: 17 à 30% de rendement Cellules faite de silicium multicristallin (lingot refroidit rapidement donne lieu à plusieurs gros cristaux) Tranches 300 m : rendement 15 à 20% Cellules faites de silicium amorphe « sans forme » ce matériau absorbe la lumière beaucoup plus que le silicium cristallin Inconvénient/ au Si cristallin rendement inférieur : 5 à 8% commercialisation: 60% Si monocristallin, 30% Si multicristallin, 10% Si amorphe

41 41 Installations photovoltaïques Une cellule au silicium cristallin (ddp= 0,5V et P faible = 1 W) ne permet pas dalimenter directement un équipement électrique dont les tensions de fonctionnement sont normalisées (12, 24, 48V). on connecte plusieurs cellules = panneaux = module photovoltaïque (avec voltage et puissance désirée) 80% des modules (1m x 50 cm) vendus ont une P = 50 watts-crêtes (puissance délivrée par le module dans les conditions de référence: éclairement solaire de 1000W/m 2, T=25°C) Inconvénients Lénergie solaire est intermittente stockage nécessaire (batteries et un régulateur de charge et de décharge) Accessoires de linstallation photovoltaïque coût 7,5 à 20 Eur /Wc comparé au coût du module 3/Wc

42 42 Application des systèmes photovoltaïques et leurs perspectives de développement Installations se développent à raison de 25%/an 1980 (3 MWc vendus dans le monde) 1995 (70 MWc vendus dans le monde) 5% les petits appareils (montres, calculettes….) puissance faible (1W) 75% lalimentation en électricité dhabitation, de villages, déquipements publics ou professionnels éloignés (cabines téléphoniques, téléphone dautoroutes, relais de télécommunication etc. loin de tout réseau de distribution électrique. 20% raccordés à un réseau électrique (murs photovoltaïques, toits) Coût 1,5 à 4,5 Eur. le kilowattheure / non concurrentiel à proximité dun réseau de distribution électrique. 1km de ligne coûte environ Eur. (réseau de distribution classique)

43 43 Production délectricité raccordée à un réseau de distribution 1983 en pleine crise pétrolière : 7 MWc/an du marché total photovoltaïque 1986 contre-choc pétrolier : 1MWc/an 1990 regain dintérêt (facteur environnementaux effet de serre, risques nucléaires). Principaux fabricants de modules photovoltaïques: Allemagne, Italie, Japon et États-unis Centrales électriques photovoltaïques. Naples (Italie) : 3,3MWc États-unis Nevada : 200 MWc Coût de lélectricité photovoltaïque = 5 à 10 fois celui de lélectricité traditionnelle (nécessité de subventions publiques) Rentabilité: Dans les zones géographiques où lensoleillement coïncide avec les pointes de consommation.

44 44 Le Vent origine solaire Le rayonnement solaire réchauffe inégalement la surface de la terre création de zones de températures, de densités et de pressions différentes. Les vents sont des déplacements dair entre ces différentes zones. Influence de la vitesse du vent La puissance dune éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse: Pour une vitesse 2 fois plus forte la puissance est 8 fois plus forte. En pratique zones dont les vents dépassant 7m/s sont considérés de bons sites pour linstallation déoliennes(25-30% de la surface de la terre correspond à des sites favorables) Environ 5% de la surface disponible sont utilisables pour linstallation déoliennes potentiel global serait de 55 à TWh (comparé à la production électrique mondiale actuelle de lordre de à TWh)

45 45 Facteurs influençant la vitesse Le vent souffle fortement sur les pentes et aux sommets des collines. La vitesse du vent varie en fonction de la hauteur à laquelle elle est mesurée par rapport au sol (à m de haut, les vitesses du vent peuvent être de 20 à 30% supérieures à la vitesse mesurée à m. La vitesse moyenne du vent est variable dune année sur lautre (20%), dun mois sur lautre, dune saison sur lautre (hiver, automne les vent sont plus forts).

46 46 Les éoliennes Descendantes des anciens ou antiques moulins à vent. Haute Antiquité, pour pomper leau ou moudre le grain. Depuis 1975 apparition déoliennes pour fournir de lélectricité au moment du choc pétrolier.

47 47 Les différentes parties dune éolienne Les ailes ou pales Traditionnels moulins à vent (4 ailes, longueur 5-10m) Éoliennes lentes (XIX ème ) (12 ailes, quelques m de diamètre) Éoliennes récentes, XX ème (rapides) 2 à 3 pales. Pales (en bois lamellé-collé, en polyester renforcé de fibre de verre, en métal (aluminium ou acier) ou en fibre de carbone. La puissance dune éolienne est proportionnelle à la surface balayée par lhélice donc au carré du diamètre de celle-ci. Actuellement on utilise des hélices de diamètres variant entre 30 à 40 m pour des éoliennes dune puissance unitaire de 500 kW.

48 48 Éolienne, Tour, Partie électrique Tour Lhélice est située en haut dune tour Le plus haut possible (30-40m) Vent plus fort en hauteur puissance plus forte. Poteaux en bétons (esthétique/croisillons métalliques) Partie électrique Hélice fait tourner un générateur électrique (en haut de la tour) Entre hélice et générateur connexion dun multiplicateur de vitesses (hélice tourne a 35

49 49 Rendement des éoliennes Loi de Betz on ne récupère que 60% de lénergie cinétique du vent (énergie reçue) Tourbillon et turbulence à larrière de léolienne (diminuent le rendement) Générateur électrique rendement de 90%) Direction et force du vent variable Conclusion : rendement de 30%/énergie initiale du vent.

50 50 Impact des éoliennes sur lenvironnement Porte atteinte au paysage Disposition en ligne (préférable) Tours préférable aux croisillons métalliques Bruit - origine mécanique (machines tournantes) - origine aérodynamique (rotation des pales) Danger pour oiseaux migrateurs

51 51 Utilisation et perspectives de développement Pompage de leau Pompes mécaniques et électriques (usage domestique et irrigation, alimentation en eau du bétail) 1 million déoliennes dans le monde (États-unis, Afrique du sud, Australie et Argentine) Production délectricité - sites éloignés des réseaux délectricité - raccordement aux réseau Coût est variable entre 10 et 15 CTS /kWh, compétitif / au coût de lélectricité fournie par les groupes électrogènes diesel. Chine, Amérique du nord (très grand nombres de petites éoliennes)

52 52 Éoliennes raccordées au réseau électrique Éoliennes de plus grande puissance : 50 à 500 kW, voire plus. Diamètre des pales de 10 à 50 m Parc éolien (batteries déoliennes) Coût délectricité : 5 à 10 CTS/kWh Puissance électrique éolienne dans le monde environ 5000 MW Linde : 500MW LAllemagne: 1100 MW Le Danemark: 600 MW France: 3 MW (dans lAude à porte la nouvelle ) » (Dunkerque et à la Guadeloupe)

53 53 Lénergie hydraulique Celle des rivière et des fleuves connue depuis lAntiquité: moudre le grain ou élever leau) Pendant des siècles énergie mécanique XIX ème Énergies rotatives des roues, turbines transformation Énergie mécanique Énergie électrique Avec lénergie-bois lénergie hydraulique est lénergie renouvelable la plus répandue aujourdhui

54 54 Le cycle de leau Leau tombe du ciel sous forme de pluie ou de neige. Une partie retourne vers le ciel (60%) (évaporation ou transpiration des plantes) Une autre ruisselle sur le sol (rivières, fleuve, infiltration dans le sous sol) Tout corps situé en hauteur a une énergie potentielle. Leau qui tombe en altitude a une énergie potentielle, du simple fait de cette altitude. En Potentielle (chute) > énergie de mouvement (cinétique) de leau qui coule. Le moteur de ce cycle de leau est le soleil, responsable de lévaporation. Lénergie hydraulique est donc dorigine solaire comme la plupart des Énergies renouvelables

55 55 Centrales hydroélectriques La puissance (en kW): hauteur de chute et débit deau P = 9,81 Q x H (Q : débit deau en m 3 /s, H : hauteur de la chute) Puissance max subit des pertes (20% : partie hydraulique, mécanique et Électrique) P 80% x 9,81 Q x H Conséquence: Pour une même puissance, une centrale hydraulique peut être alimentée, soit par: -un faible débit tombant dune grand hauteur de chute (montagne: France /Pyrénées 1420m centrale Portillon) -un débit important tombant dune faible hauteur (grand fleuves:France /Rhin et Rhône: H = 10 à 15m)

56 56 Les réservoirs Irrégularités des cours deau Irrégularités de la demande délectricité (saisons) On ne peut stocker ni le vent ni le soleil. En revanche on peut stocker leau dans des réservoirs: Les centrales de lac (400 heures de réserve deau) Les centrales déclusée (de 20 à 400 heures) Les centrales au fils deau (pas de capacité de stockage) Réservoirs artificiels les plus grands du monde 160Milliards de m 3 deau (Bratsk (Russie), Assouan (Égypte), Kariba (Zimbabwe) France : Serre-Ponçon (hautes Alpes): 1 Milliard m 3. (1800MW)

57 57 Barrages Crée tout ou partie de la hauteur de la chute Retient leau à lamont et la stocke. Implantation dun barrage dépends des: -Conditions topographiques (étranglement ou resserrement du cours deau). -Géologiques (bonnes roches de fondation du barrage/parois latérales) -Hydrologiques (précipitations dans le bassin versant doivent être suffisantes pour remplir la cuvette en année dhydraulicité moyenne)

58 58 Différents types de barrages Barrages poids (en béton): reportent la poussée de leau sur le sol qui doit être très solide. Barrages à contreforts (simple parois verticale soutenus par des contreforts qui sappuient sur le sol) Barrages voûtes (par effet de larc transmettent et reportent leau sur les parois latérales

59 59 Barrages en France 139 grands barrages dEDF 80 barrages-poids (40 en bétons, 26 en remblais, 14 avec contreforts) 51 barrages-voûtes.

60 60 Transformation de lénergie hydraulique en énergie mécanique (turbine) puis de lénergie mécanique en énergie électrique (les générateurs) Énergie hydraulique = énergie potentielle (due à la différence daltitude entre lamont et laval de la chute) Énergie convertie au bas de la chute en énergie de pression utilisée pour faire tourner une turbine. Le mouvement rotatif de la turbine (70 à 1000 tours/min) fait tourner un générateur électrique (alternateurs). Centrales électriques: production de 100 à MW

61 61 Énergie hydraulique dans le monde et en France et ses perspectives de développement Potentiel hydraulique exploitable dépend de: - de la hauteur et du débit - Altitude, pluviométrie, surface du bassin versant (le plus prépondérant). En pratique ce ne sont pas les pays montagneux ou les plus pluvieux qui ont le plus grand potentiel. Potentiel théorique mondial : TWh Asie, ex URSS, Amérique latine… (par rapport à la production électrique Mondiale actuelle à TWh.

62 62 Potentiel hydraulique actuellement exploité 1990 potentiel exploité (monde) 2200 TWh (1/6 ème du potentiel exploitable) 4 gros producteurs dénergie hydraulique: Canada, États-unis, brésil ex URSS France en 10 ème position 69 TWh (développement du nucléaire + important) Norvège : toute lélectricité produite est dorigine hydraulique.

63 63 Coût de lénergie hydraulique Très variable en fonction de la topographie (bon sites retiennent beaucoup deau), de lhydraulicité, de la distance entre le site du barrage et les lieux de consommation. Coûteuse en fonction de linvestissement et peu en fonctionnement (amortissement sur une période longue de 15 à 20 voire 30 ans). 2 à 2,5 cts Eur./KWh (grande hydraulique) 4 cts Eur./KWh (petite hydraulique)

64 64 Lénergie des déchets Source dénergie perpétuelle et renouvelable (activité humaine, agricole, industrielle génère des déchets) Principales façons: -La fermentation - Lincinération

65 65 Fermentation des déchets (génération du biogaz) Elle sapplique aux déchets délevage, aux effluents agro-alimentaires, aux boues de stations dépuration urbaines aux ordures ménagères

66 66 Principe de la fermentation La fermentation est un processus biologique par lequel les bactéries décomposent les matières organiques. Anaérobique: se déroule en absence dair; Elle conduit à la formation dun biogaz: - méthane (inflammable) - dioxyde de carbone (inerte) - résidus (amendement organique:engrais)

67 67 Différents types de déchets fermentescibles Déchets de lélevage (Porcs, bovins etc.) Effluent industriels (industries agroalimentaires (brasseries, sucreries, distilleries dalcool »cognac», laiteries, papeteries) (en France 70 usines traitent leurs eaux usées par fermentation méthanique) Les boues de stations dépuration urbaines (eaux usées urbaines sont d'abords décantées pour donner des boues qui sont fermentées) Les ordures ménagères

68 68 Ordures ménagères Biogaz des décharges % déchets ménagers décharge 2002 interdiction de mise directe en décharge. 55% des ordures ménagères sont fermentescibles (cuisine, papier, cartons etc.) 200m 3 de biogaz (avec 50% de CH 4 ) par tonne dordures ménagères. Biogaz contient aussi H 2 S, CO 2 condensas acides qui attaquent les métaux (problème de transport du biogaz).

69 69 Usage du biogaz Faible teneur en méthane (consommation sur place). Chaleur (utilisation courante) A 70% de CH4 le biogaz a un pouvoir calorifique de 23MJ/kg (2 fois moins que le fioul ou du propane) Électricité (frais dinvestissement et de maintenance des groupes électrogènes) Coût de lélectricité obtenue 0,25F/kWh (compétitif). Le carburant (+ d1million de véhicules fonctionnent au CH 4 comprimé GNV)

70 70 Contraintes, avantages du biogaz Occupe un volume 5 fois supérieur quun carburant liquide. (autonomie inférieure) Doit être épuré de son CO 2, H 2 O et H 2 S Avantages Bon indice doctane/ super Pollution limitée Réservoir ne contient que du gaz et non un mélange (pas dair pas de risque dexplosion)

71 71 Incinération des déchets Brûler des déchets Élimination des déchets (diminution 70% poids, 90% V) énergie (chaleur, électricité) 1kg dordures ménagères/habitant/jour 25-40% papiers, 20-30% de déchets cuisines, jardins et 5- 10% plastiques, 6-8% verre et 4-8% métaux. Italie, Angleterre, canada, États-unis (incin. 17%) Japon, Suisse (75%) France (48%) (300 usines)

72 72 Récupération dénergie 1 tonne dordures ménagère 9MJ/kg 5-7 t de déchets ménagers = 1t fioul Des fumées qui séchappent du four on récupère de lénergie: les fumées cèdent de la chaleur à travers un échangeur, à lintérieur duquel circule de leau surchauffée (rendement = 80%) Production de 1500 kWh thermique/tonne dordure (chauffage domestique, industries hôpitaux)

73 73 Technique dincinération Four (décomposition des déchets et dégagement des gaz) chambre de postcombustion les gaz brûlent à °C. (Les déchets doivent être bien répartis et bien en contact avec lair) Il existe trois types de fours Fours à support (des grilles supportent et retournent les déchets) Fours rotatifs (mouvement rotatif assure le brassage) Fours à lit fluidisé (les déchets sont mélangés à un lit de sable qui est mis en suspension par une insufflation dair à la base)

74 74 Production délectricité Vapeur à plus grande pression est nécessaire Elle est dirigée vers une turbine. Turbine fait tourner une génératrice électrique. Rendement énergétique de la turbine dépend de la différence de pression entre lentrée et la sorte de la turbine (25%) kWh électrique / tonne de déchets ménagers.

75 75 Production délectricité 80 kWh (sur 400) est consommée pour les propres besoins de lusine le reste est vendu au réseau électrique. On peut produire simultanément de lélectricité et de la chaleur (cogénération) Si valorisation de 50% de tous les déchets urbains en France (30 millions de tonnes :an) économies de 3 millions de tonnes équivalent pétrole (1% de la consommation dénergie française).

76 76 Effets sur lenvironnement Lincinération des déchets urbains peut engendrer une pollution atmosphérique Fumées contiennent des métaux, gaz acides (doivent être dépoussiérées: filtres, bases) Effet de serre ( déchets ménager sont dorigine végétale CO 2 recyclé par la croissance des végétaux) Résidus dépuration des fumées (produits toxiques sont stabilisé et solidifiés décharge) Autres « mâchefers » 30% non combustible (travaux routiers)

77 77 Les biocarburants Deux grandes catégories: Le bioéthanol (en substitution de lessence) Alcool produit par fermentation des sucres contenus soit: - dans plantes riche en sucre (betteraves, topinambours, cannes à sucres…) - dans des plantes riches en amidon (pommes de terre, céréales… - dans des plantes ligneuses (bois, paille….) Lalcool améliore lindice doctane du moteur (i;e son pouvoir détonant) Brésil: premier pays consommateur de carburant alcool (éthanol pur ou environ 20% dans lessence) États-unis (10% dans lessence), France (5%)

78 78 Biocarburants Lester dhuile végétale (en substitution du gazole) On peut brûler dans un moteur soit de lhuile végétale (colza, tournesol, palme, soja, arachide…) soit des esters dhuile. Lestérification est une réaction chimique entre une huile et un alcool, qui produit lester, de la glycérine et des acides gras. Lester présente deux avantages sur les huiles brutes a)Moindre viscosité b)Meilleure aptitude à senflammer dans le moteur Le carburant qui est commercialisé actuellement est lester méthylique dhuile de colza.

79 79 Formules Chimiques Ester : R-CO 2 R, (R, R = CH 3 -, C 2 H 5 - etc.) Acide gras: CH 3 -(CH 2 )n-CO 2 H Glycérine: CH 2 OH-CH(OH)-CH 2 OH Alcool : R-OH, CH 3 OH, C 2 H 5 OH, etc. Réaction de trans-estrification en présence de méthanol esters méthyliques

80 80 Incorporation dester dans le gazole Taux variables allant de 5 à 100% (ester pur) En France: 5% esters (véhicules de tourisme) 30% esters dans des véhicules de transport en commun En Allemagne: 30 à 100% ester (véhicules de tourisme) Autriche: 100% ester (véhicules de transport en commun)

81 81 Bilan énergétique des biocarburants rendement énergétique tout juste positif pour le bioéthanol (Pour produire les biocarburants il faut consommer de lénergie) 1,15 lorsquil est produit à partir du blé 1,65 lorsquil est produit à partir de la betterave rendement énergétique est meilleur pour lester (varie de 2 à 5) Enjeux énergétiques (France): Si on incorpore systématiquement (6% éthanol dans lessence et 5 % dester de colza dans le gazole on peut économiser jusquà 1,5 millions de tonnes déquivalent pétrole soit près de 4% de la consommation française de carburants

82 82 Bilan environnemental des biocarburants Différent selon quon sintéresse seulement aux pollutions émises lors de leurs utilisation (ce qui sort du pot déchappement). Selon quon sintéresse aux pollutions émises tout au long de leur cycle de vie. a)Phase agricole b)Phase industrielle de fabrication des biocarburants c)Phase dutilisation

83 83 Pollution Impact sur la pollution atmosphérique locale (Progr. de recherche Eur.pour lévaluation des pollution émises par différents carburants) Rejet faible doxydes de soufre Ester de colza rejette moins de particules (suies) que le gazole Les biocarburants contiennent plus doxygène, leurs combustion est donc plus complète 3 effets: a) Éthanol très peu de CO b) Éthanol ou ester Une diminution des hydrocarbures imbrûlés c) Une légère augmentation des oxydes dazote Globalement le bilan est positif/ au carburants classiques

84 84 Impact sur leffet de serre Biocarburants bénéfiques du point de vue de leffet de serre? En brûlant les biocarburants on rejette aussi du CO 2 dans latmosphère ! CO 2 est recyclé par la croissance des plantes.(carburants dorigine végétale) Les quantités de CO 2 sont 3 à 8 fois moindres par comparaison aux carburants pétroliers.

85 85 Autres impacts Pollution de leau (nitrates, produits phytosanitaires) due à une culture intensive de blé, betteraves, colza etc à des fins énergétiques. Colza : bon piège à nitrates Culture à des fins énergétique et la jachère nue mieux vaut la culture.

86 86 Impact des biocarburants sur la politique agricole Un hectare de blé 2500l éthanol Un hectare de betteraves 6500 l Un hectare de colza 1300l dester Intérêt pour lagriculture Européenne de reconvertir les terres en jachère en terres pour lénergie ou la chimie. En France si on incorpore: 5% éthanol (essence) et 5% dester de colza dans le gazole cela représente une couverture ha pour léthanol (1,5% des terres françaises et de 1 million dhectares pour le colza (5,5% des terres). Au total lagriculture pour lénergie et la chimie occuperait à peine 10% des terres en jachère.

87 87 Bilan économique des biocarburants coût du biocarburant 0,45 /litre à la production (1990) coût du carburant dorigine pétrolière 0,15 /litre. Différence de prix freine le développement nécessité de la défiscalisation Intenses recherches sont faites dans différents laboratoires dans le monde: Amélioration du rendement énergétique Amélioration du bilan économique

88 88 La géothermie Origine radioactive (Uranium, Thorium, Potassium) de la chaleur de la terre (4000°C au centre) Roches =mauvais conducteur de chaleur (3500 fois moins que le flux dénergie solaire reçu à la surface de la terre). Dans certaines régions à haute activité géothermique ce flux est plus fort (éruptions volcaniques,sources chaudes, fumerolles….)

89 89 Extraction Gradient de température en fonction de la profondeur (3,3°C/100m i.e 30°C/km). Minimum de 150°C pour produire de lélectricité à partir de lénergie géothermique. Quelques dizaine de degrés pour produire de la chaleur. Perméabilité du sous-sol nécessaire pour extraire de la chaleur Envoyer de leau sous pression à réchauffer (projet européen-4000m-Soultz Alsace)

90 90 Géothermie basse énergie Coût de linvestissement est important (puit, échangeur de chaleur, réseau de chaleur) 75% du coût de lénergie produite Investissement Eur/kW Coût de fonctionnement 2 à 4 cts le kWh

91 91 Principaux producteurs de la géothermie basse énergie Géothermie présente dans 40 pays Chine, États-unis, Islande, ex-URSS, Hongrie, japon, Italie et France. Capitale dIslande est chauffée à 80% par la géothermie. En France la puissance installée est de 337MW.

92 92 Géothermie haute et moyenne énergie « électricité » Gisements de vapeur sèche ou humide à des températures °C Profondeurs m Zones volcaniques Vapeur sèche envoyée dans une turbine la fait tourner mouvement rotatif engendre de lélectricité en faisant tourner une génératrice électrique. (Californie USA, Lardello Italie)

93 93 Coût de lélectricité géothermique /kW installation Coût du kWh 0,015-0,022 cts (compétitif) Puissance mondiale 6800 MW USA 2800MW, Philippines 1220MW France 4MW (Guadeloupe)

94 94 Géothermie et environnement Peu polluante Ne brûle pas de carbone Ne dégage pas de CO 2 (pas deffet de serre) CH 4, H 2 S sont contenus dans les vapeur deau Forage des puits risque de mettre en communication des nappes souterraines différentes les unes des autres.


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