Quelle énergie pour demain

JCG janvier 2014
21 janvier 2014
Quelle énergie pour demain ?
Jean-Claude Guignard
Laboratoire LINA
IUT Angers
[email protected]
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JCG janvier 2014
L’énergie
L’énergie appliquée à un corps :
• Lui transmet de la chaleur (agitation des particules)
• Le met en mouvement (effet d’une force sur un corps)
L’énergie est exprimée en Joules (J) (cal, kWh, tep)
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JCG janvier 2014
L’Homme et l’énergie
Pas de vie sans énergie
L’énergie permet à l’Homme de décupler ses possibilités
Énergie et vivant
• L’Homme a besoin de ≈ 3 kWh par jour
• Grossesse ≈ 90 kWh
Nourriture
• ~ 0,6 Gtep (≈ 5 de la consommation totale d’énergie)
(la plus nécessaire)
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JCG janvier 2014
Usages de l’énergie mondiale
(ordres de grandeur)
Chaleur
4 Gtep
Énergie finale
8 Gtep
Énergie
primaire
12 Gtep
Transports
2,5 Gtep
Pertes
4 Gtep
Électricité
1,5 Gtep
Remarque : importance des pertes
Alimentation humaine : ~ 0,6 Gtep soit 5 %
Sources : AIE, ECRIN, CEA
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JCG janvier 2014
Origine de l’énergie mondiale
Total en 2011 : 13 Gtep (≈ 1 Gtep en 1900)
Domination des énergies fossiles : 82%
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Consommation d’énergie primaire en France en 2011
Total : 266 Mtep en 2011
En %
(Nucléaire)
Les 2/3 du nucléaire sont constitués de pertes
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JCG janvier 2014
Production d’énergies renouvelables
en France par filière en % (année 2009)
Total EnR en 2009 : 20 Mtep
Source : Observatoire de l’énergie
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JCG janvier 2014
Part des différentes énergies dans les transports (monde)
Pétrole 96 %
Gaz 3,2 %
Biomasse 0,5 %
Charbon 0,3 %
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Réserves d’énergie fossile
Source : IFP et AIE
Energies
fossiles
Charbon
Pétrole
Gaz naturel
Schistes
bitumineux
Réserves
exploitables
700 Gtep
160 Gtep
100 Gtep
170 Gtep
Durée
d’exploitation*
200 ans
40 ans
60 ans
?
* Au rythme actuel
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JCG janvier 2014
Découvertes et consommation d’hydrocarbures
Gtep
8
6
4
2
1900
1920
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Exxon Mobil 2002
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JCG janvier 2014
Consommation de pétrole en fonction du temps
Gtep/an
4
3
2
1
0
1
500
1500
2000
2500
t (ans)
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JCG janvier 2014
Énergie solaire : définitions
1. Solaire thermique
Utilisation de l’énergie solaire transformée en chaleur pour chauffer
l’habitat (bioclimatisme), de l’eau (capteurs), de l’air…
2. Solaire photovoltaïque
Utilisation de l’énergie solaire transformée en électricité par des cellules
photovoltaïques au silicium ou autres
3. Solaire thermodynamique
Énergie solaire concentrée, transformée en chaleur sous forme de
vapeur sous pression puis en électricité (possibilité de cogénération)
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JCG janvier 2014
Solaire thermique
Chauffe-eau solaire (Angers)
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JCG janvier 2014
Chauffe-eau solaire (Angers)
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Chauffe-eau solaire (Angers)
• Mise en service : 1979
• Utilisation : ECS pour 4 personnes (douches, vaisselle…)
• Investissement : 10 000 F (1979) (1500 €)
• Amortissement : 4 à 5 ans
• Surface : 4 m²
• Circulation par thermosiphon
• Circuit primaire : eau glycolée (antigel)
• Ballon de stockage électro-solaire à double échangeur :
• En bas échangeur solaire sur 200 L
• En haut échangeur chaudière sur 100 L
• Résistance électrique inutilisée
• Maintenance : aucune
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Chauffe-eau solaire (Angers)
• Température d’eau
Température
d’eau
Moyenne
Mi-saison
40°C
55°C
été
70°C
90°C *
Maximum
* → couverture d’un panneau
• Évolution de la consommation de fioul domestique
Années
moyenne
1978 - 1979
moyenne
1980 à 1985
Fioul (L)
2501
1601
Chauffe
eau solaire
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Solaire thermodynamique
Centrale solaire à tour de 10 MWe de Barstow (Californie)
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Solaire photovoltaïque
Quelques types de cellules – Rendements
Silicium cristallin η 10 à 15%
Silicium amorphe η 5 à 8%
Cellules organiques η 4 à 6%
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Capteurs PV et onduleur domestiques pour injection dans le réseau
Onduleur de 3 kVA
Capteurs PV d’environ 3 kW
Protections réseau et capteur
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Énergie éolienne
Évolution de la hauteur et du diamètre des éoliennes
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Éolienne construite par un angevin
• Diamètre : 4 m
• Puissance : 1 kW
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Énergie hydraulique
Schéma de principe d’une centrale hydraulique
Orig. EDF
Puissance mondiale de 720 GW en 1996 (fort potentiel de croissance)
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Production d’énergie hydraulique en France
• De l’ordre de 10 à 15% de l’électricité
• 1er producteur européen
• Puissance totale de l’ordre de 23 GW
• Production annuelle : environ 50 TWh
• Coût moyen du kWh produit : 2,2 c€
• Plus grand barrage : Grand’Maison 1,8 GW
• Petite hydraulique 2 GW
• 3000 petites centrales
• Production d’environ 7 TWh par an (1,5% de l’électricité)
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Énergie des vagues
Le Pelamis (nom d’un serpent de mer) Sté OPD (Ocean Power Delivery) (GB)
• 4 tronçons articulés par des vérins hydrauliques
• Longueur totale 150 m
• Puissance 750 kW
• Prix du kWh : 18 à 24 c€
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Énergie de la biomasse
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JCG janvier 2014
Énergie de la Biomasse
Soleil
Chaleur
O2
CO2
Photosynthèse
Plantes
Arbres
Stockage
Carbone
Biomasse :
hydrates de carbone,
glucose, amidon, cellulose…
CO2 → C + O2
Combustion
Métabolisme
Feu
Organisme
C + O2 → CO2
En résumé :
Photosynthèse : CO2 + Ensol → C + O2
Combustion : C + O2 → CO2 + Entherm
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Production de biométhane (La Verrie 85)
• 4 digesteurs de 185 m3 traitant 2000 t de fumier par an
• Temps de séjour en digesteur : 1,5 à 2 mois
• Température 30 à 40°C
• Production de biogaz annuelle : 130 000 Nm3 (65 000 Nm3 de méthane)
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Production de biométhane (La Verrie 85)
Moteur thermique du groupe
Groupe électrogène
de 30 kW
Réseau de
chaleur
• Puissance électrique moyenne : 25 kW
• Puissance thermique : 40 kW
• Production d’électricité annuelle : 200 MWh
• Consommation de biogaz du moteur : environ 14 m3/h
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La géothermie
Origine de l’énergie géothermique
1. Le flux de la chaleur de l’énergie interne du globe qui
traverse la croûte terrestre
2. La radioactivité des roches (uranium, thorium…)
3. Les marées induisent des déformations continuelles du globe
qui se traduisent par une dissipation d’énergie sous forme de
chaleur
Ressource
• Le flux d’énergie géothermique moyen est de 60 mW/m²
• Énergie stockée dans les 5 premiers km : 38.1012 kWh
• 99% de la planète a une température dépassant 200°C
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