Energies. Energie électrique : les enjeux

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

2 Dans l’univers, l’énergie se transforme :
elle « vit », puis « meurt » en chaleur…

3 Exemples de « cycles de vie de l’énergie »
réactions nucléaires de fusion d’hydrogène dans les étoiles rayonnement transmis dans l’espace intercepté par la terre effet photo-électrique sur des cellules Évaporation de l’eau photosynthèse Électricité (ex. éclairage) Biomasse (combustible) cycle de l’eau CHALEUR

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

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

6 Besoins, ressources impact environnemental

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

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

9 « Epuisables et polluantes»
Les ressources énergétiques non renouvelables : réserves exploitables durées au rythme actuel de consommation Activités énergétiques humaines : kWh FOSSILES pétrole : kWh soit 40 à 50 ans charbon : kWh soit 200 ans gaz naturel : 1, kWh soit < 60 ans « Epuisables  et polluantes» hydrates de méthane : > kWh ? NUCLÉAIRE Fission (U 235): kWh soit 40 ans Surgénérateurs (U238): kWh (600 ans pour l’ensemble des besoins) Fusion (deutérium et tritium): à 1021 kWh Quasi-inépuisable mais encore très loin de la maturité industrielle…

10 Les ressources énergétiques renouvelables
(chiffres annuels) lune kWh marées Activités énergétiques humaines : kWh soleil kWh noyau terre kWh 25% convertis en surface et dans l’atmosphère - cycles hydrologiques (88%) kWh - vents, houle kWh - photosynthèse (0,24%) 1015 kWh 30% directement ré-émis dans l’espace 45% : kWh transformés en chaleur puis rayonnés

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

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

13 consommation énergétique
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 s’épuisent
28 Gb = kWh 1 baril = 1700 kWh Jacques Laherrere, L’uranium aussi s’épuise : Réserves raisonnablement assurées + spéculatives : 3 Mtonnes à moins de 80$/kg 4 “ “ “ 4 Mtonnes = moins de 60 ans au rythme actuel (3 ans pour satisfaire l’ensemble des besoins actuels) Réserves spéculatives estimées : 12 Mtonnes

15 Les cours des matières premières énergétiques fluctuent et affectent
économie et stabilité politique… Le baril de pétrole brut : la référence Le cours de l’uranium : également instable Et le prix du gaz naturel est indexé sur celui du pétrole… Annonce de l’entrée de la Chine et de l’Inde dans les consommateurs d’uranium…

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

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

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

19 L’électricité

20 L’énergie électrique : croissance mondiale de la production
1 9 2 3 4 5 6 7 8 c r o i s a n e d l p u t m ' é g q , k W h kWh ( TWh) + 3 %/an France (2003) Production : 548 TWh Consommation i ntérieure : 425 TWh + 42 TWh (« pertes et autoconso »)

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

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

23 A partir de quelles sources primaires
l’électricité est-elle produite ? Monde : kWh (3200 GW) n u c l é a i r e 8 6 % f o s 9 h y d q 5 63 GW (59 réacteurs) France : 1, kWh (110 GW) pour produire kWh pour produire 0, kWh Fossiles : 62% p é t r o l e 1 % c h a b n 3 6 y d u i q s 2 7 g z

24 Produire une électricité durable ?

25 Les « nouvelles » sources renouvelables d’électricité
Eoliennes : déjà plus de 39 GW (fin 2003) croissance 30 % par an 0,4% de la production mondiale d’électricité offshore Photovoltaïque : presque 3 GW installés (fin 2003) croissance de 30 % par an Encore marginal mais très prometteur au-delà de 2030 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 nucléaire environ 7 GWh

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

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

28 Production éolienne d’électricité

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

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

31 (environ 30% par an en moyenne depuis plus de 10 ans)
La génération d’électricité 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 En 2010 ? 140 GW mondiaux 90 GW européens Voir Puissance installée au Maroc En 2030 ? 2700 GW mondiaux 1 W installé produit annuellement entre 2000 Wh et 4000 Wh selon les sites 6 m/s m/s (offshore)

32 En 2003, coût d’investissement :
0,8 à 1,1 €/W (terrestre) et 1,1 à 2 €/W (offshore) Coût du kWh produit : Conditions : Vmoy 6 m/s (2000 heures) amortissement sur 20 ans (intérêts 5%/an) Baisses de coût grâce aux effets de masse et d’échelle 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, l’éolien - fournirait 12% de l’électricité mondiale - générèrerait un CA annuel de 80 G€ " ,3 M emplois - éviterait 11 G tonnes de CO2

34 6 à 14 m de fond, 14-20 km de la côte – 1.7 €/W
Depuis 1990, décollage de la production éolienne offshore 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 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 Europe fin août 2004 : plus de 610 MW installés près de 4000 MW prévus en 2007

35 Principe des turbines éoliennes
Puissance aérodynamique : Théorie de Betz : CP maximal 16/27 = 0,59 Cp Cp_max l = r.W v lopt

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

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

38 Exemples de chaînes de conversion à machine rapide :
Génératrice asynchrone à deux vitesses fixes 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 Enercon E kW 10 à 22 tr/mn Nacelle complète : 71 tonnes (machine à multiplicateur même puissance : 60 tonnes environ) Assemblage : la structure mécanique représente une part importante de la masse

42 Rotor à pôles saillants bobinés
Génératrices directes : amélioration des performances Aimants : réduction de masse d’environ 25% Rotor à aimants ABB 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 d’aimants haute énergie) masse totale de 10 tonnes ( 2/3 inactifs) soit un couple massique global de 15 N.m/kg (58 N.m/kgactif). 4,5 MW à 12 tr/mn : 50 tonnes dont 13 tonnes actifs et 600 kg d’aimants.

43 Production photovoltaïque

44 Applications Satellites Electrification des sites isolés, notamment : pompage d ’eau balises… pays en développement loisirs 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...

45 Ressources énergétiques solaires
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

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 3.106kWh 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) :
Toits solaires : Allemagne, dès 1990 : toits solaires puis Japon, dès 1994 : toits solaires pour 2000 USA : 1 million solar roofs (MSR) pour 2010 Centrales de grande puissance : Exemples Hemau (Bavière) déc. 2002 4 MW (4,6 €/Wc) Projet Portugal (Amareleja) 64 MW (3,9 €/Wc)

48 Grâce aux améliorations de rendement, à l ’accroissement de la production…
le coût du watt crête (générateur photovoltaïque seul) baisse rapidement R. MESSENGER, J. VENTRE, Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, 1999. (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

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

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

51 Cellule, module, assemblage :
Web EREN, US dpt of Energy Cellule : diode PV élémentaire dimensions de l’ordre 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

52 Modules PV directement connectés à un accumulateur
Iu> 0 variable 5 4 6 Ubo Iu=0 1 2 3 Ip Ensemble de modules PV Vp Ip Ubo Rb Accumulateur Ib consommateurs Iu Vp Pp Vp Ubo et Rb sont également fonction de l’état de charge

53 Intérêt de la poursuite de la puissance maximale : systèmes MPPT
Utile pour exploiter la puissance maximale dans des conditions très variables : de température, d’ensoleillement… de tension continue (vieillissement batterie, EDC…) des disparités d’éclairement des modules de la consommation… Ensemble de modules PV Vp Ip Iu Accumulateur Ubo Rb Ib consommateurs Convertisseur DC-DC Cde MPPT Ub Is

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

55 Bilan - Perspectives Un colossal potentiel d’économie d’énergie
Quelles sources pour demain ? après- demain ?

56 L’énergie la moins chère et la moins polluante :
celle qu’on 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 d’économie d’énergie 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 Décentralisation Diversification Cogénérations
… quelles sources pour demain (2010) ? Des choix liés au potentiel local : Biomasse, vent, houle, géothermie, solaire… Transports : toujours des carburants, mais plus propres (biocarburants), dans des voitures électriques ? À la maison : une chaudière qui fait de la chaleur et de l’électricité Décentralisation Diversification Cogénérations

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

60 L’utilisation des ressources renouvelables de façon décentralisée génère :
- une nouvelle économie - des emplois locaux (installations, maintenance, renouvellement…), - une plus grande sécurité d’approvisionnement - de réelles possibilités d’accès à l’énergie pour les pays en voie de développement - Une plus grande stabilité politique mondiale - une économie durable !

61 On ne manque pas d’énergie, 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 : www.bretagne.ens-cachan.fr
rubriques Enseignement : Département Mécatronique Recherche : Actionneurs et Energie