Sensibilisation à la problématique énergétique Mastère OSE – janvier2011

La filière énergétique, cas de l’électricité en France

Pour quels usages avons-nous besoin d’énergie? La filière énergétique Pour quels usages avons-nous besoin d’énergie?

Utilisations de l’énergie Chauffage Industrie Transport Quand utilisons-nous l’énergie? Nous utilisons l’énergie tous les jours, pour des applications nombreuses et variées: nous éclairer, nous chauffer, nous déplacer, faire fonctionner nos appareils… Les particuliers mais également les entreprises et les institutions, utilisent l’énergie au quotidien. Son utilisation permet de satisfaire des besoins élémentaires, de faire fonctionner différents systèmes : réseaux de transport, industries, hôpitaux, établissements scolaires etc. Cela met en évidence la notion importante d’usage : ce à quoi l’énergie nous sert. Par ailleurs, on « sent » bien que toute l’énergie que nous utilisons n’est pas « la même ». D’un côté on branche nos appareils domestiques (lampe, TV, ordinateur, aspirateur, lave- linge etc.) dans les prises de la maison ou du bureau, d’un autre on remplit de carburant les réservoirs des voitures, et on brûle un combustible dans la chaudière pour se chauffer. Ainsi apparaît la notion de forme d’énergie : quel type d’énergie utilisons nous? (électricité, essence etc.) On devine facilement qu’on ne trouve pas directement dans la nature ces différentes formes d’énergie telles qu’on les utilise. Il va falloir remonter à la source pour comprendre. Usages Domestiques

Energie consommée pendant 1h Définitions: Puissance & Energie Un micro-ondes d’une puissance de 800W allumé pendant 1h consomme une énergie de 800Wh ou 8kWh Puissance 800W Energie consommée pendant 1h = 800 Wh Exemple: définition de l’énergie électrique: L’accumulation de charges électriques dans un matériau se traduit par l’apparition d’un « potentiel électrique », également appelé « tension » et dont l’unité de mesure est le volt (symbole : V). Cette accumulation de charges crée un champ électrique, qui se manifeste sous la forme d’une force qui s’exerce sur les autres charges électriques avoisinantes : force attractive pour les charges de signe opposé, force répulsive pour les charges de même signe. Le champ électrique traduit donc l’influence du potentiel électrique à distance, ce qu’illustre son unité de mesure : le volt par mètre (symbole : V/m). L’intensité du courant, qui s’exprime en ampères (A), mesure le flux des électrons dans le conducteur. Pour mieux comprendre ces grandeurs physiques, on peut comparer la circulation des électrons dans un conducteur à celle de l’eau dans un tuyau. La tension électrique est comparable à la pression dans le tuyau dont le robinet d’extrémité est fermé. De même, l’intensité du courant électrique est assimilable au débit de l’eau qui circule lorsque le robinet est ouvert. La puissance du jet d’eau correspond au résultat de la pression et du débit disponible. De même, la puissance électrique est le produit de l’« intensité » par la « tension ». Son unité de mesure est le watt (W), ou plus couramment le kilowatt (kW). L’énergie électrique, qui mesure la consommation d’électricité, correspond quant à elle à la puissance utilisée au cours d’une période donnée. Son unité de mesure est le kilowattheure (symbole : kWh). Temps 1h

D’où provient l’énergie ? Pétrole brut Gaz naturel Charbon des mines Déchets, céréales,… Energie primaire : trouvée dans la nature. Soleil vent Uranium Eau Gaz Energie finale : Forme d’énergie que l’on utilise. Charbon Produits pétroliers Il faut bien discerner l’énergie primaire que l’on trouve dans la nature, et l’énergie finale que nous utilisons. Il existe tout un processus de transformation entre ces deux formes d’énergie. L’énergie primaire est l’énergie telle qu’on la trouve dans la nature Elle se trouve dans des endroits plus ou moins accessibles, et sous des formes rarement exploitables directement. De plus, elle est souvent loin des lieux de consommation : le gaz et le pétrole brut se trouvent dans des gisements, le charbon dans des mines etc. Cette énergie primaire va devoir être transportée, mais également transformée avant d’être enfin utilisée. L’énergie telle qu’on l’utilise s’appelle l’énergie finale Il y en a plusieurs formes : l’électricité (pour l’éclairage, le chauffage, les appareils, …), les produits pétroliers (pour le chauffage, le transport, l’industrie, …), le gaz (pour le chauffage, …), et la biomasse (déchets, bois, et autres utilisés pour les transports, le chauffage,…). On remarque que la même forme d’énergie finale peut avoir différents usages (ex : les produits pétroliers servent à chauffer grâce au fioul mais servent aussi à faire fonctionner les véhicules par l’essence ; l’électricité fait avancer les trains mais aussi fonctionner les consoles de jeux). L’électricité a la particularité de pouvoir être produite à la fois à partir d’énergies primaires (telles que l’uranium, le soleil, le vent et l’eau) et aussi à partir des autres énergies (gaz, produits pétroliers, charbon et biomasse). Biomasse Electricité Usages

D’où provient l’énergie ? Consommation d’énergie primaire dans le monde (tous usages) Production d’électricité dans le monde et en France Hydro Hydro Nucléaire EnR Nucléaire Gaz Dépendance en pétrole et en charbon A l’échelle mondiale (1er camembert), on constate que le pétrole, le charbon et le gaz ont une très grande importance : 1/3 de l’énergie primaire que l’on extrait de la nature est du pétrole, 1/4 du charbon et 1/5 du gaz. Cette tendance a augmenté tout au long du XXe siècle dans les pays industrialisés, et concerne maintenant les pays en fort développement tels que la Chine et l’Inde. On peut dire que les pays industrialisés sont aujourd’hui très dépendants du pétrole, ce qui est problématique pour plusieurs raisons : la combustion du pétrole est très polluante; le pétrole est une ressource fossile, dont les réserves ne sont pas infinies, et risquent de s’épuiser avant la fin du XXIe siècle si nous continuons à en consommer autant; la ressource pétrole est très mal répartie sur la planète et une majorité des réserves se situe dans des zones politiquement instables du monde (Moyen Orient, Iran etc.). La production d’électricité : à partir de quelles énergies primaires? Le pétrole, comme les autres formes d’énergie primaire (charbon, gaz, uranium etc.), sert aussi à produire de l’électricité. Ainsi, on peut s’intéresser à l’origine de l’électricité dans notre bilan de consommation électrique. Dans le monde, le charbon, énergie primaire qui a permis la révolution industrielle du XXIe siècle, reste encore aujourd’hui la première source d’énergie primaire pour la production d’électricité (près de la moitié). Le nucléaire ne représente que 15% dans le monde alors qu’il représente près de 80% de la production électrique en France. La France est donc un cas très particulier. Cela résulte d’un choix politique formulé par le Général de Gaulle dans les années 60 afin d’assurer l’indépendance énergétique de la France. Il n’est pas facile de dire aujourd’hui si ce choix était bon ou mauvais. La production d’électricité soulève un débat complexe car il existe de nombreuses solutions de production d’électricité, possédant des caractéristiques distinctes et surtout des impacts très différents. Source : International Energy Agency, Key World Energy Statistics, 2009 Charbon EnR Gaz Pétrole Charbon

Comment évolue notre consommation d’électricité? La demande électrique Comment évolue notre consommation d’électricité?

La demande électrique Comment se matérialise notre demande annuelle? J F M A S O N D 10 20 30 Température Nous nous intéressons ici à l’électricité et plus précisément à la demande électrique. Définissons tout d’abord ce terme : la demande est le besoin en électricité de chaque personne, industrie ou bâtiment. L’ensemble des demandes au niveau national forme ce qu’on appelle la courbe de charge, dont vous voyez la représentation graphique sur l’année, en noir. Cette courbe de charge fluctue tout au long de l’année. La première tendance que l’on peut observer est que la demande en électricité est bien plus faible les mois d’été que les mois d’hiver. Lors des mois d’hiver nous utilisons tous beaucoup plus d’électricité qu’en temps normal, notamment pour nous chauffer à cause du froid et nous éclairer à cause de la durée des journées qui est fortement raccourcie. Le chauffage représente en effet 31% de la consommation électrique d’un foyer. De plus, en France, une grande part de la population (30%) se chauffe avec des chauffages électriques, ce qui n’est pas le cas de nos voisins européens. L’allure générale de cette courbe suit l’évolution inverse de la courbe de température annuelle, courbe en gris. Les principaux paramètres influençant la demande en électricité sont: la météorologie: température et nébulosité (présence ou non de nuages) l’activité économique des entreprises l’horaire légal (hiver/été) les évènements exceptionnels (finale de la coupe du monde de football par exemple) On peut remarquer aussi que la courbe subit des fluctuations localisées lors de périodes particulières de l’année telles que des congés (Pâques, Ascension, 8 Mai, …). Lors de ces événements, de nombreux Français partent en week-end et ne sont donc plus chez eux, la demande électrique diminue alors. Courbe noir : Consommation Française d’électricité, caractéristiques et méthodes de prévision, RTE. Courbe gris : Evolution température année 2006, source d’inspiration Météo France, rapport Climat 2006. Hiver Printemps Eté Automne

La demande électrique Et sur la journée s’il vous plaît? Réveil Soirée Consommation De la même façon qu’on pouvait expliquer la courbe de charge sur l’année, il est possible de comprendre l’évolution sur la journée. Nous allons vous montrer l’influence de notre quotidien sur cette courbe, en décrivant l’évolution de cette courbe tout au long de la journée. Quand vous laissez une lumière allumée inutilement le soir, sachez que ce n’est pas sans conséquence : de nombreuses électriciens sont de l’autre côté du réseau pour ajuster les productions d’électricité. Bien sûr cela n’est pas vrai pour une personne mais à l’échelle d’une ville, cela est très nettement visible. La Nuit : Il y a peu de consommation lors de cette période en raison de la faible activité, presque tout le monde dort : ce sont uniquement des appareils en veille ou programmés qui fonctionnent. Exemple: le ballon d’eau chaude consomme de l’électricité la nuit pour chauffer l’eau qui est utilisée à votre réveil (c’est le pic que l’on observe à 2h du matin). Au réveil : De 6h à 8h du matin, la France se réveille progressivement, provoquant une demande en électricité croissante. Les électrons sont utilisés par exemple pour éclairer, pour faire fonctionner votre micro-ondes ou plaque de cuisson, pour griller votre tartine,… La Journée : Sans forcément nous en rendre compte, tout au long de la journée, nous consommons de l’électricité: ordinateur au bureau, éclairage, télévision, chauffage, préparation des repas. Outre quelques fluctuations, la demande reste constante sur la matinée, avec une légère pointe au moment du déjeuner. Les après-midi, le soleil ayant réchauffé les bâtiments, le chauffage devient moins nécessaire, c’est pour cela que l’on observe une diminution de la demande en électricité. En Soirée : Dès votre retour, à votre domicile, la consommation ré-augmente à nouveau pour atteindre le pic de la journée qui se situe aux alentours de 20h : éclairage, chauffage, cuisson, télévision, ordinateur, ces équipements sont utilisés par tous les Français au même moment. Nos comportements identiques font que la demande en électricité explose durant cette période. La nature de l’électricité fait qu’elle se stocke très mal à grande échelle. C’est bien sur ce point que l’électricité se différencie des autres énergies finales telles que le pétrole ou le charbon. Le pic de consommation en soirée doit donc être anticipé par les producteurs d’électricité. Il faut produire exactement ce que les Français consomment : pas plus, pas moins. Heure de la journée 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00

La demande électrique Classification des moyens de production Consommation Moyens de production fonctionnant lors des très fortes demandes Moyens de production utilisés lors de demandes importantes Pointe Semi-Base Avec quoi produisons-nous cette électricité en priorité? Les moyens de production de base Les moyens de production de base sont ceux utilisés toute l’année, ils sont caractérisés par une forte puissance de production, un temps de démarrage plus long (de l’ordre de la journée), un coût de démarrage élevé. On évitera donc de les démarrer et les arrêter trop souvent pour des considérations économiques, technologiques ainsi que pour des contraintes de gestion. Le grand intérêt de ces moyens de production est leur coût de fonctionnement peu élevé. Les moyens de production de semi-base Les moyens de production de semi-base sont utilisés sur une durée plus courte. Ces centrales sont caractérisées par une réactivité plus rapide (temps de démarrage de quelques heures) mais un coût de fonctionnement plus élevé. Les moyens de production de pointe Ces centrales ne sont appelées qu’en périodes de pointe, elles peuvent être démarrées très rapidement (entre quelques minutes et une heure). Leurs coûts de fonctionnement très élevés en font des moyens de production à n’utiliser qu’en cas de manque. Ils sont utilisés l’hiver quand la demande électrique est la plus haute. Courbe: Source d’inspiration, courbe du 12 janvier 2010, site web RTE Moyens de production fonctionnant en continu Base 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00 Temps

Quels sont les moyens de production d’électricité ? Mix de production électrique Quels sont les moyens de production d’électricité ?

Mix de production électrique Production fossile (centrales thermiques) Production nucléaire Production EnR et Hydraulique Géothermie Centrale au gaz Eolienne Centrale au charbon Centrale nucléaire Centrale solaire Centrale au fioul Centrale biomasse Centrale hydraulique L’électricité, comme nous l’avons dit précédemment, est une forme d’énergie complexe. Elle peut être produite de différentes manières et à partir d’énergies primaires ou d’énergies finales. On distingue trois grandes familles de production de l’électricité : Production fossile L’électricité est produite à partir de pétrole, gaz ou charbon qui sont appelés des énergies fossiles. Ces centrales, dites thermiques à cause de leur manière de produire l’électricité, ont des caractéristiques bien spécifiques. Ce sont des centrales flexibles : elles peuvent être démarrées assez rapidement, mais sont très couteuses et polluantes (elles émettent des gaz à effet de serre). On essaye donc de s’en servir uniquement que lorsque les autres moyens de production ne suffisent plus. Production nucléaire Les centrales nucléaires produisent de l’électricité à partir de l’uranium. Ce type de production est particulièrement développé en France. Ces centrales ne sont pas flexibles, elles ont besoin de beaucoup de temps pour être démarrées et arrêtées, c’est pourquoi il faut les utiliser de façon continue. Une fois démarrées, ces centrales ne sont pas très coûteuses. Elles n’émettent pas de gaz carbonique dans l’atmosphère mais elles génèrent des déchets radioactifs qui sont toxiques et dangereux pour la nature et pour les humains. Production renouvelable La production renouvelable rassemble les moyens de production considérés comme propres pour la nature : elles ne polluent pas. Il s’agit de la production hydraulique (à partir des cours d’eau et des barrages), la production photovoltaïque (à partir du soleil), la production éolienne (à partir du vent), la production biomasse (à partir de bois et de déchets) et la production géothermique (à partir de la chaleur du sol). Cette production est intermittente; c’est-à-dire dépendante des caprices de la nature : en effet, il n’est pas possible de faire tourner les éoliennes s’il n’y a pas de vent ! C’est la même chose pour le soleil et il est donc difficile de prédire à l’avance leur niveau de prédiction. Le grand avantage des énergies renouvelables est qu’elles ne polluent pas.

La demande électrique Classification des moyens de production Hydraulique de pointe Consommation Centrales thermiques de pointe 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00 Base Semi-Base Pointe Capacité maximale de production Production renouvelable Centrales thermiques classiques Ces moyens de production interviennent à des moments différents pour répondre à nos besoins en électricité qui varient tout au long de la journée. La base est assurée par la production nucléaire et les unités hydrauliques au fil de l’eau qui ne peuvent être arrêtées. En effet, les centrales nucléaires sont très difficiles à redémarrer, on les fait donc fonctionner tout au long de l’année pour assurer nos besoins qui sont constants la journée et la nuit. La semi-base est assurée par la production renouvelable en priorité. Le gouvernement français, comme d’autres en Europe, a fait ce choix car ce sont des moyens non polluants. Malheureusement nous ne sommes jamais sûrs d’avoir du vent ou du soleil ! Lorsque la production renouvelable ne suffit pas, on se sert alors de centrales thermiques classiques (au gaz surtout). Enfin, la pointe, qui ne dure que quelques heures par jour est assurée par les centrales thermiques de pointe (au gaz mais aussi au charbon et au pétrole). Ces centrales sont très polluantes, c’est pourquoi on essaye de s’en servir au minimum. Elles sont très rapides, elles démarrent en quelques dizaines de minutes. En cas d’urgence, on utilise les barrages hydrauliques de pointe. Ceux-ci gardent l’eau dans de grands bassins. L’eau stockée est alors relâchée lorsque l’on souhaite produire de l’électricité. C’est son mouvement qui permet de produire de l’électricité. C’est le moyen le plus rapide pour répondre à un écart entre la production et la consommation. C’est grâce aux caractéristiques variées de tous ces moyens de production que l’on peut, en permanence, avoir une production qui correspond exactement à la demande des consommateurs. Centrales nucléaires Hydraulique de base Temps

La demande électrique Mercredi 15 décembre à 19h02 : la France atteint une pointe historique de consommation d’électricité (96 350 MégaWatts). Un événement de la météo électrique dont un outil de la RTE (Réseau de Transport d’Electricité) nous donne toutes les caractéristiques. Cet outil appelé éCO2mix disponible en ligne permet de connaître, en temps réel, la consommation d’électricité en France, le mix de production mais aussi les émissions de CO2. Jamais de toute l’histoire de notre pays la consommation française n’a été aussi élevée. Ce pic historique surpasse les précédents établis : mardi 14 décembre 2010 avec 94 200 MW jeudi 11 février 2010 avec 93 100 MW Mercredi 15 décembre à 19h02 : pic de consommation… mais quel a été alors le mix de production et quelles ont été les émissions de CO2 ? La production nucléaire a fourni 61% de la production française d’électricité. Au même moment, la production des éoliennes a contribué à hauteur de 2%. Cette part de l’éolien se situe dans la moyenne nationale annuelle (autour de 1,5%). 14% de l’électricité française ont été produites par des énergies fossiles (fioul et autres moyens de pointe, charbon, gaz…). 17% de l’électricité française a été d’origine hydraulique. Au cours de cette même période : ce sont environ 12 000 tonnes de CO2 / heure qui ont été émises. On constate avec cet outil que le pic de consommation électrique du soir correspond à un pic d’émissions de CO2. En effet, les moyens de pointe utilisés pour répondre à la demande en électricité sont plus fortement émetteurs de gaz à effet de serre. Source: http://www.audeladeslignes.com/pic-consommation-electricite-15-decembre-eco2mix-production-co2-6607 Source: RTE

La demande électrique Ce sont les jours de grand froid que les pointes de consommation d’électricité s’accentuent. De façon générale, les pointes de consommation ne cessent d’augmenter d’hiver en hiver, ces dernières années (voir le tableau). Pourquoi la tendance est-elle à la hausse ? Comment faire face à une pointe de consommation toujours croissante? Augmenter nos capacités de production ou maitriser nos consommations? Source: RTE

Les réseaux du futur

Les réseaux du futur La modernisation des réseaux électriques est une transformation cruciale, notamment, en raison des objectifs européens de décarbonisation de l’économie et de la nécessité de répondre à l’augmentation de la consommation d’électricité. Le développement des Smart grids ne peut qu’apporter une valeur ajoutée au système électrique. Ils permettront, tout d’abord, d’optimiser l’utilisation des réseaux électriques grâce à une connaissance précise des charges. Par l’installation de capteurs, tels que les compteurs évolués, qui permettront de détecter et de résoudre facilement les pannes existantes, ils amélioreront la qualité d’alimentation et de service de la distribution d’électricité. Dans un contexte de développement durable, ils faciliteront l’intégration des énergies de sources renouvelables dont le caractère intermittent pose problème. Enfin, ils assureront un meilleur pilotage de l’équilibre offre-demande.

Le compteur intelligent Une maison plus intelligente Des factures plus précises Effacement diffus pendant les pointes La diversification des offres tarifaires La maitrise de la demande et des pointes de consommation Une maison plus intelligente: Aujourd’hui: Les applications de domotique prennent faiblement en compte votre consommation d’énergie Demain: Le réseau électrique de la maison devient plus intelligent. Les applications de domotique prendront pleinement en compte la consommation d’énergie. Un diagnostic énergétique complet pourra également être proposé aux consommateurs Pour leur permettre de faire des économies d’énergies. Des factures plus précises: Aujourd’hui: votre facture est estimative et mise à jour une a deux fois par an. Demain: Avec l’apparition des compteurs, les consommateurs n’auront plus à être présents pour la relève des chiffres du compteur ou à faire parvenir son relevé. La relève se fera à distance! De plus, la facture sera effectuée en fonction de la consommation réelle télé relevée et non plus de la consommation estimée. Diversifier les offres tarifaires: Aujourd’hui: Le nombre d’offres est limité. Demain: Grace au compteur communiquant, le consommateur connaitra mieux sa consommation et pourra choisir des offres tarifaires plus adaptées à ses habitudes de vie et ses besoins. Maitriser la demande et les pointes de consommation Aujourd’hui : Les pointes de consommation sont difficiles à gérer. Demain: un client informé en temps réel de sa consommation devrait mieux la gérer. Le compteur permettre au fournisseur de proposer de nouvelles offres tarifaires et de procéder à des effacemens diffus pendant les périodes de pointe. La détection des pannes Aujourd’hui: Il faut téléphoner à son fournisseur pour prévenir d’une panne d’électricité. Demain: Téléphoner ne sera plus nécessaire, le compteur permettra la détection et la réparation automatique des pannes sur le secteur. La détection des pannes