UNECOF Sources d’énergie électrique renouvelables ou non conventionnelles 25 juillet 2014 E. Matagne : ernest.matagne@uclouvain.be Ces transparents sont disponibles sur le site Internet http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM

Rappels relatifs à l’énergie "L'énergie, c'est ce qui fait marcher les choses." James Clerk Maxwell Pour étudier le monde physique, on essaie d'identifier différents systèmes (exemple : mon corps, mon ordinateur...). Lorsque différents systèmes interagissent, on a constaté qu'ils échangent "quelque-chose" que l'on a appelé énergie. Les formules qui permettent de calculer l'énergie échangée sont différentes selon que l'interaction est de nature mécanique, thermique, électrique.... Pourtant, quels que soient les phénomènes en présence, l'expérience conduit toujours à la conclusion suivante : Si un système effectue une évolution qui le ramène dans son état initial, l'énergie qu'il a échangée avec les autres systèmes pendant cette évolution est globalement nulle.

Puissance et énergie La vitesse à laquelle s’opère un échange d’énergie est la puissance, La puissance se mesure en watt ( W) Si un échange se fait à une puissance P pendant un intervalle de temps Dt , l’énergie échangée Dw vaut, exprimée en joule (J) Dw = P x Dt L’énergie w se mesure en joule (J). Un joule est l’énergie échangée en une seconde si l’échange se fait avec une puissance de 1 W. Comme les notions d'énergie et de puissance touchent un grand nombre d'activités humaines et de domaines scientifiques, on ne s'étonnera pas du fait qu'il existe, en plus des unités SI, une multitude d'autres unités plus ou moins farfelues. Nous en donnons ci-dessous quelques exemples.

Autres unités d’énergie le kilojoule : 1 kJ = 1000 J le mégajoule : 1 MJ = 1000000 J = 106 J le gigajoule : 1 GJ = 1000000000 J = 109 J le wattheure : 1 Wh = 3600 J le kilowattheure : 1 kWh = 3600000 J (énergie transmise en une heure à une puissance de 1 kW) la petite calorie : 1 cal = 4.1868 J (énergie nécessaire pour échauffer 1 gramme d'eau de 1°C) la grande calorie : 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal = 4186.8 J = 4.1868 kJ la tonne d'équivalent charbon : 1 t.e.c. = 29.3076 GJ = 8141 kWh la tonne d'équivalent pétrole : 1 t.e.p. = 41.86 Gjoule = 11628 kWh

Autres unités de puissance le kilowatt : 1 kW = 1000 W le mégawatt : 1 MW = 1000000 W = 106 W le gigawatt : 1 GW = 1000000000 W = 109 W le terawatt : 1 TW = 1000000000000 W = 1012 W le cheval vapeur : 1 CV = 735.7 W (puissance nécessaire pour soulever une masse de 75 kg à une hauteur de 1 m en 1 seconde) horse power (cheval vapeur encore utilisé aux USA) : 1 HP = 745.7 W (puissance nécessaire pour soulever une masse de 550 livres à une hauteur de 1 pied en 1 seconde) Il existe de nombreuses autres unités. Vous pouvez trouver les coefficients de conversion d'un certain nombre d'entre elles sur le site MEASURE CONVERTER.

Puissance et énergie Les différentes puissances (en W) Mécanique : force (en newton) x vitesse (en mètre par seconde ou couple (en newtonmètre) x vitesse de rotation (en radians par sec.) Electrique : tension (en volt) x courant (en ampère) Conduction thermique (flux de chaleur) Rayonnement ……………

Contexte énergétique Plus de détails à l ’adresse http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM La puissance moyenne consommée par l ’humanité est estimée à -En 1998, 12.97 1012 W pour 5936978622 personnes, soit 2185 W / personne. -En 2002, 13.93 1012 W pour 6246193906 personnes, soit 2230 W / personne. -En 2006, 16.02 1012 W pour 6554167609 personnes, soit 2444 W / personne. En 2012, 18.09 1012 W pour 7058000000 personnes, soit 2564 W / personne. En 2013, 18,28 1012 W ? pour 7095000000 personnes, soit 2577 W / personne ? Source : sites officiels des USA (http://www.eia.gov) et autres Attention : la moyenne cache de grandes disparités Origine : 75 % énergie fossile (pétrole, charbon, gaz…), pourcentage en diminution malgré l’augmentation 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.

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.

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

Algérie(2006) : 2.4 milliards de tonnes ! Ancien doc. Electrabel Algérie(2006) : 2.4 milliards de tonnes

Algérie(2006) : 4.05 milliards de tep ! Ancien doc. Electrabel Algérie(2006) : 4.05 milliards de tep

! Ancien doc. Electrabel

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). L’exploitation (très polluante) des gaz de schiste permet de retarder les échéances. On pourrait aussi sacrifier des espaces naturels (Alaska, antarctique), d’autant que la fusion des calottes polaires (due au réchauffement climatique) libère de nouveaux terrains d’exploitation près des pôles. Remarque : même si on brûlait tous les combustibles fossiles connus, la teneur de l’atmosphère en O2 serait à peine modifiée ! Estimation faite sur le site http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM

On dispose donc de réserves d’énergie fossile pour longtemps encore, mais … Aspect 3 : Les modifications climatiques sont maintenant une évidence, et l ’implication du CO2 produit par les combustibles fossiles est (presque) universellement admis. Et si tous les pays vivaient au même niveau de consommation que l ’occident ! D’où l’intérêt des technologies « low carbon ». Le nucléaire est-il une solution ?

Ancien doc. Electrabel

Nucléaire classique limité, mais... Le tableau précédent suppose que l’on n’utilise que l’uranium 235, or Les réacteurs surgénérateurs permettent d’utiliser l’uranium 238, ce qui porte les réserves à plusieurs centaines ou milliers d’années, Le thorium pourrait aussi être exploité, et il est plus abondant que l’uranium, Un des principaux déchets radioactifs dans la filière actuelle est le plutonium, qui pourrait être valorisé.

Le nucléaire peut donc devenir une énergie renouvelable, mais... 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… Le danger vient du fait que, lors d’un arrêt d’un réacteur, il continue longtemps à produire de la chaleur et donc doit pouvoir être refroidi. L’autre problème est la gestion des déchets radioactifs générés par ces réacteurs Opposition encore plus forte aux surgénérateurs qu’au nucléaire traditionnel. Et pourtant, la recherche se poursuit dans cette direction. La fin de vie des centrales existantes et leur non renouvellement met en péril l’approvisionnement en énergie électrique et/ou la lutte contre le réchauffement climatique.

Un espoir, mais... La fusion nucléaire permet en principe d’utiliser comme combustible l’hydrogène (en tout cas le deutérium), ce qui rendrait les réserves quasi inépuisables. Ces réacteurs seraient moins dangereux car ils s’arrêteraient instantanément quand on arrête leur alimentation. La fusion nucléaire sera-t-elle propre ? Acceptée ? Il n’y 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.

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 d’un biotope par un autre) dépôts de boues dans les lacs de centrale hydraulique

Gisement solaire Carré = aire nécessaire pour couvrir la consommation mondiale d’énergie (vers l’an 2000).

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 l’énergie - Mais difficultés de stockage direct (condensateurs, inductances) indirect (centrales de pompage, batteries, accumulation sous forme d ’énergie cinétique…)

Filières de production d’énergie électrique

A noter aussi une plus grande attention portée à une utilisation plus efficace de l’énergie 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.

A noter que la Belgique importe de l’énergie électrique ! Source : wikipedia A noter que la Belgique importe de l’énergie électrique ! Doc. FPE

Chiffres pour 2012 ( www.synergrid.be) via le réseau Elia Production d’électricité : 61,8 TWh Importation d’électricité : 16,8 TWh Exportation d’électricité : 6,8 TWh A noter que la Belgique a importé plus qu’elle n’a exporté, ce qui est une conséquence de l’arrêt de centrales nucléaires ! Pour être « autosuffisant », il aurait donc fallu produire au moins 61,8 + 16,8 – 6,8 = 71,8 TWh + l’énergie électrique qui ne passe pas par le réseau ! Doc. FPE

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

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/m2 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 * 0.912 stockage ( applicable seulement à la partie stockée dans une batterie) * 0.8 transport

En Belgique Il y a (2013) une puissance installée photovoltaïque de 2869 MWc (pas beaucoup plus qu’en 2012 !) selon www.apere.org Si on admet un facteur d’utilisation de 10% (optimiste, notamment parce que toutes les installations ne sont pas optimales), la production estimée pour 2013 est de 2,525 TWh .

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 m2 ) . 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 d’une 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 d’une taxe à l’importation.

Electricité solaire via thermique C’est 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 d’un 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 d’ombre mutuelle (commun à tous les systèmes avec poursuite) Voir http://www.psa.es/webeng/index.php Plataforma Solar de Almeria

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 !

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

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

Avec concentration par héliostats Centrale solaire d’Almeria (Andalousie) http://www.psa.es/webeng/index.php

Générateur éolien alternateur ventilation entraînement aile pignon d’orientation frein à disque roulement du rotor pylône Doc. Electrabel

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. L’éolien 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 www.apere.org En 2012, la puissance installée est passée de 1078 à 1375 MW. La production a été de 2,608 TWh , soit un facteur d’utilisation d’environ 24 % !

Carte du vent en Belgique La puissance produite par une éolienne dépend beaucoup de la vitesse du vent. Idéalement, elle dépend du cube de cette vitesse. 8 + 7-6 5 4-3-2 Vitesse du vent à 50 m au-dessus du sol (m/s) Zandvliet Bütgenbach Veurne Jabbeke Koksijde Doc. Electrabel

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 d’énergie. Actuellement, on peut stocker de l’énergie dans des volants d’inertie pour un temps caractéristique de l’ordre de la dizaine de minute (donc assez pour lisser l’effet des rafales de vent). On espère monter à des durées de quelques heures pour pouvoir lisser l’effet de l’alternance 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 ? Cela devient un problème politique !

Problème de la production locale d’énergie L ’énergie solaire se prête bien à une production locale. On parle aussi de petit éolien. Le réseau électrique n’a pas été conçu pour récolter cette énergie. Sa gestion est donc devenue plus difficile. Les petits producteurs devraient en principe contribuer au coût du transport de l’énergie. Ce n’est pas le cas avec la politique du « compteur qui tourne à l’envers ». Logiquement, il faudrait que le prix de vente de l’électricité soit plus bas que le prix d’achat, et que les petits producteurs contribuent comme les gros aux frais d’entretien du réseau. Cela devient un problème politique ! Et si les prix de l’électricité variaient en fonction de l’offre et de la demande ? Cela inciterait les consommateurs à attendre le bon moment pour lancer des applications grosses consommatrices d’énergie (lessive…). Il faut pour cela utiliser des compteurs intelligents et de la domotique.

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 m2 et par an. Cela représente 1.3 kWh / m2 / 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 c’est le cas, ne pourrait-elles pas être mieux utilisées ?).

Conclusion 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). L’utilisation à grande échelle des énergies renouvelables pose de nombreux problèmes au réseau de distribution électrique. La pénétration de ces énergies dépend de la solution de ces problèmes à la fois sur le plan technique et sur le plan économique et politique. On aura besoin d’ingénieurs avec une formation polyvalente.