2011 - Université catholique de Louvain ELEC 2753 Electrotechnique Les énergies renouvelables E. Matagne :

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1 2011 - Université catholique de Louvain ELEC 2753 Electrotechnique Les énergies renouvelables E. Matagne : ernest.matagne@uclouvain.beernest.matagne@uclouvain.be http://www.lei.ucl.ac.be/~matagne/ELEC2753/INDEX.HTM F. Labrique

2 2011 - Université catholique de Louvain 2 Contexte énergétique Plus de détails à l ’adresse h ttp://www.lei.ucl.ac.be/~matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM La puissance moyenne consommée par l ’humanité est estimée à - En 1998, 9;52 10 12 W, soit 1587 W par personne. - En 2005, 15.48 10 12 W, soit 2380 W par personne Origine : 75 % énergie fossile (pétrole, charbon, gaz…) 18 % énergie renouvelable non nucléaire (bois, déchets, énergie hydraulique, énergie solaire, vent…) 5 % nucléaire (en fait plus, car comparaison tronquée) 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.

3 2011 - Université catholique de Louvain 3 Aspect 2 : Prise de conscience du fait que les combustibles fossiles constituent une ressource limitée.

4 2011 - Université catholique de Louvain 4 Doc. Electrabel Algérie(2006) : 2.4 milliards de tonnes

5 2011 - Université catholique de Louvain 5 Doc. Electrabel Algérie(2006) : 4.05 milliards de tep

6 2011 - Université catholique de Louvain 6 Doc. Electrabel

7 2011 - Université catholique de Louvain 7 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. Si on accepte de sacrifier des espaces naturels (alaska, antarctique), on peut retarder les échéances. Exercice proposé : quelle est la partie de l ’oxygène atmosphérique qui serait transformée en CO 2 si on consommait tous les combustibles fossiles ? Réponse sur le site http://www.lei.ucl.ac.be/~matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM

8 2011 - Université catholique de Louvain 8 Et l ’atmosphère Aspect 3 : Les modifications climatiques sont maintenant une évidence, et l ’implication du CO 2 produit par les combustibles fossiles est (presque) universellement admis. Et si tous les pays vivaient au même niveau de consommation que l ’occident ! Le nucléaire est-il une solution ?

9 2011 - Université catholique de Louvain 9 Doc. Electrabel

10 2011 - Université catholique de Louvain 10 Nucléaire limité, mais... Le tableau précédent suppose que l’on n’utilise que l’urarium 235, or Un des principaux déchets radioactifs dans la filière actuelle est le plutonium, qui pourrait être valorisé. Les réacteurs surgénérateurs permettent d’utiliser l’uranium 238, après transformation en plutonium, ce qui porte les réserves à plusieurs milliers d’années, Il existe un autre matériau fertile abondant, le thorium. La fusion nucléaire permet en principe d’utiliser comme combustible l’hydrogène (en tout cas le deutérium), ce qui rendrait les réserves quasi inépuisables.

11 2011 - Université catholique de Louvain 11 Aspect 4 : Sous la pression de l ’opinion publique, plusieurs pays, suivant l ’exemple de l ’Allemagne, ont décidé la sortie du nucléaire. Opposition encore plus forte aux surgénérateurs qu ’au nucléaire traditionnel. Fusion : propre (?) mais pas d ’espoir dans un avenir proche car énormes problèmes techniques … et politiques.

12 2011 - Université catholique de Louvain 12 Énergies dérivées du Soleil 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 (biomasse…) envasement de l ’estuaire de la Rance dépôts de boues dans les lacs de centrale hydraulique

13 2011 - Université catholique de Louvain 13 Gisement solaire Carré = aire nécessaire pour couvrir la consommation mondiale d’énergie (vers l’an 2000).

14 2011 - Université catholique de Louvain 14 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. - Transport relativement facile (lignes haute-tension) - Mais difficultés de stockage direct (condensateurs, inductances) indirect (batteries, accumulation sous forme d ’énergie cinétique, centrales de pompage…)

15 2011 - Université catholique de Louvain 15 Filières de production d’énergie électrique ENERGIE ELECTRIQUE Générateur photovoltaïque Pile à combustible Convertisseur électromécanique Convertisseurs directs Énergie mécanique Énergie thermique Énergie hydraulique et éolienne Énergie chimique Énergie de fission Radio- isotopes Énergie de fusion Énergie d ’origine solaire Énergie nucléaire

16 2011 - Université catholique de Louvain 16 Filière thermique à combustibles fossiles Thermique classique Combinaison Turbine à Gaz, Vapeur Filière nucléaire Filière Hydraulique Types d ’installations hydrauliques Centrales de pompage Filières nouvelles, notamment Convertisseurs éoliens Convertisseurs directs chaleur-électricité Piles à combustible Convertisseurs photovoltaïques Convertisseurs chaleur-électricité avec intermédiaire acoustique ou magnétique Filières de production d’énergie électrique

17 2011 - Université catholique de Louvain 17 Production d ’énergie électrique en Belgique Doc. FPE

18 2011 - Université catholique de Louvain 18 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

19 2011 - Université catholique de Louvain 19 Justification du chiffre de 6 % Les modules photovoltaïques ont un rendement nominal qui peut dépasser 12 %, mais poussière* 0.94 éclairement oblique moins bon rendement si éclairement < 1000 W/m 2 moins bon rendement 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 ( * 0.8 pour la partie stockée dans une batterie) transport

20 2011 - Université catholique de Louvain 20 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 m 2 ). 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. Actuellement, la demande de modules est supérieure à l ’offre ! L ’énergie éolienne est pour l ’instant économiquement plus intéressante.

21 2011 - Université catholique de Louvain 21 Générateur éolien aile frein à disque roulement du rotor entraînement alternateur pignon d’orientation pylône ventilation Doc. Electrabel

22 2011 - Université catholique de Louvain 22 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. 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. Exercice : Quelle serait la densité (au km 2 ) d ’éoliennes de 1 MW nécessaire pour remplacer la production belge d ’électricité nucléaire ? Réponse en http://www.lei.ucl.ac.be/~matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM couvrir toute la production belge d’énergie électrique ? couvrir toute la consommation belge d’énergie ?

23 2011 - Université catholique de Louvain 23 La puissance produite par une éolienne dépend beaucoup de la vitesse du vent. Idéalement, elle dépend du cube de cette vitesse.

24 2011 - Université catholique de Louvain 24 Installations éoliennes en Belgique Doc. Electrabel

25 2011 - Université catholique de Louvain 25 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 ?

26 2011 - Université catholique de Louvain 26 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 m 2 et par an. Cela représente 1.3 kWh / m 2 / 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.

27 2011 - Université catholique de Louvain 27 Conclusion de cette introduction 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 intéressantes (horodateurs … relais de communication … villages isolés). On aura besoin d’ingénieurs avec une formation polyvalente.

28 2011 - Université catholique de Louvain 28 Recherches en cours au laboratoire LEI (Louvain-la-Neuve) Énergie photovoltaïque modélisation des composants d’une installation simulation du fonctionnement d’installations (but : optimisation) Plusieurs travaux de fin d’étude ( deux en cours actuellement) Collaborations : industrie, universités (Fès, Constantine, Oran(?)) Énergie éolienne Conception des convertisseurs électromécaniques Électronique de puissance Régulation locale

29 2011 - Université catholique de Louvain 29 Exemple de recherches effectuées : comment simuler et optimiser une installation solaire sur base de données météo incomplètes (seulement intégrées sur tout le spectre, parfois dans le temps, et seulement sur certains plans)

30 2011 - Université catholique de Louvain 30 Défaut de cette étude : le rendement des modules solaires dépend du spectre de leur éclairement (infrarouges, rouge …….violet, ultraviolet). Le modèle précédent suppose que le spectre est constant (AM 1.5) alors qu’il varie avec l’heure et l’état de l’atmosphère.

31 2011 - Université catholique de Louvain 31 Idée (pour l’instant sous forme de travail de fin d’étude)