Des veilles bien gourmandes

Nous sommes entourés d’appareils électroniques de toutes sortes : télévision, lecteur de DVD, chaîne HI FI, ordinateur, boitier ADSL, etc. Ceux-ci sont très souvent équipés d’un dispositif de veille : lorsque l’on arrête l’appareil avec la télécommande, celui-ci ne s’éteint pas complètement mais se met en veille (et même une personne avertie ne trouve pas toujours facilement l’interrupteur qui éteindra complètement l’appareil).

Bien que le consommateur n’utilise pas l’appareil, celui-ci consomme alors de l’énergie. Paradoxe, sur certains appareil anciens, la consommation en veille (parce qu’elle dure plus longtemps) est supérieure à celle pendant sa durée d’utilisation.

Un téléviseur peut ainsi consommer en veille environ 150 kWh/an, une chaîne HI FI 200 kWh/an. Une famille peut ainsi consommer jusqu’à 800 kWh/an pour la veille de ses appareils, soit plus que le réfrigérateur et le lave vaisselle réunis, et ce pour un service complètement inutile !

En Allemagne, en 2003, la production d’électricité de l’ensemble des éoliennes a été 18,6 TWh (pour une puissance installée de 14 GW). C’est moins que la consommation annuelle de veille des appareils électroniques du pays ! C’est un gaspillage car cette énergie aurait pu être utilisée à autre chose, diminuant ainsi les besoins en centrales en charbon particulièrement polluantes.

Puissance d’une éolienne

La puissance d’une éolienne varie comme le cube de la vitesse  (V) du vent :

P = 1/2 ρ S V3 Cp

avec ρ = densité de l’air ; S = surface balayée par l’éolienne ; Cp = rendement de l’éolienne ou efficacité dynamique.

Si la vitesse du vent est multipliée par 2 la puissance est multipliée par 8. Si elle est divisée par 2 elle est divisée par 8. Ce sont des variations considérables.

La courbe de puissance d’une éolienne Vestas V90 de 3 MW est montrée dans la figure ci-dessous.

puissance-eolienne

En tenant compte des vents, la valeur moyenne de la puissance fournie varie en général entre 25 % à 45 % de la valeur nominale mais cela dépend de la vitesse moyenne du vent sur le site considéré.

La vitesse  Vr (r pour rated) est celle qui correspond à la puissance nominale de l’éolienne (celle que l’on indique).  Vci (ci pour cut in speed) est la vitesse au dessous de laquelle le couple fourni par l’éolienne ne peut compenser les différents frottements. La puissance fournie au réseau est nulle pour V ≤ Vci. La vitesse Vco (co pour cut out speed) est la vitesse au-delà de laquelle on arrête l’éolienne car la puissance est trop importante. En cas de vent fort, les éoliennes modernes contrôlent de manière aérodynamique l’hélice de l’éolienne pour maintenir la puissance nominale entre Vr  et  Vco.

Pour une éolienne typique on a :

  • Vci = 3,5 m/s= 12,6 km/h (force 3 sur l’échelle de Beaufort)
  • Vr = 15m/s = 54 km/h (force 7 sur l’échelle de Beaufort)
  • Vco = 25 m/s = 90 km/h (force 10 sur l’échelle de Beaufort)

Le maximum théorique du coefficient d’efficacité Cp est de 16/27, soit 0,59 ou 59% (limite de Betz). Dans la pratique  est inférieur à cette limite théorique.

Le paramètre λ permet de représenter la valeur de Cp selon la vitesse du vent V, le rayon de l’éolienne R et la vitesse de rotation des pales Ω. Il est défini par :

λ= ΩR / V

Une évolution typique de Cp en fonction de λ est montrée dans la figure ci-dessous pour un rotor à 3 pales. Cp dépend d’autres paramètres comme l’orientation des pales de l’hélice.

cp-eolienne

Les éoliennes modernes essaient d’avoir Cp compris entre 0,4 et 0,5. On essaie de maintenir λ constant si bien que la vitesse de rotation du rotor varie en fonction de la vitesse du vent ce qui permet de lisser les fluctuations de vitesse du vent. Les fluctuations de puissance de l’éolienne sont donc plus faibles que celles du vent ce qui est un avantage pour le réseau électrique.

Les pales des hélices sont souvent orientables (pas variable, pitched or feathered blades) ce qui permet de diminuer la puissance et le couple moteur lorsque le vent augmente. Ces éoliennes à contrôle par orientation des pales (pitch-controlled) permettent de contrôler la puissance fournie au réseau.

Pour les éoliennes de faible puissance (50 à 500 kW) on utilise l’effet Stall pour limiter la vitesse de rotation lorsque le vent est fort (Stall-regulation) mais ce n’est pas très intéressant lorsque l’on injecte dans le réseau électrique car cette régulation est passive, donc indépendante de la demande électrique.

On utilise parfois, pour les éoliennes puissantes, un contrôle actif par effet Stall (active Stall control) mais la plupart des éoliennes de forte puissance utilisent le contrôle par pas variable.

Le rendement mécanique-électrique des éolienne de forte puissance est très bon : environ 98%.


Référence : Les énergies renouvelables pour la production d’électricité, L.Freris et D.Infield, Dunod 2009.

Électricité durable : les nouvelles stars

Les stars du durables produisent de l’électricité à l’aide du soleil et du vent. Leur existence permet d’éviter l’utilisation de fossiles et le dégagement de CO2 .
Poster 2

postit Les stars du durables

Les grandes stars du durables produisent de l’électricité à l’aide du soleil et du vent. Leur  existence permet d’éviter l’utilisation de fossiles et le dégagement de CO2  1

Sur la plus haute marche du podium, celui qui permet le stockage de l’électricité : le solaire à concentration. Dans ces grandes centrales solaires le stockage est prévu d’origine. Elles sont construites en Espagne ou en Afrique du Nord, dans les pays du Golfe,  dans les régions les plus ensoleillées.

Les deux autres grandes stars du durable, sont le photovoltaïque en réseau et l’éolien,  Elles produisent, mais sans stoker, et de façon intermittente.

Pour qu’elles puissent vraiment satisfaire la demande d’électricité, il faut des adaptations pour gérer l’intermittence de la production… Par exemple il faut des systèmes additionnels de stockage d’électricité. Dans le cas du solaire photovoltaïque autonome pour des habitats isolés, le stockage  est réalisé en couplant un panneau solaire à une batterie, la plupart du temps au plomb pour des raisons de coût.

photovoltaïque Procédés photovoltaïques

photovoltaïque

80 % des panneaux sont à base de Silicium, un matériau aux propriétés très  particulières : il devient très bon conducteur électrique à la lumière. Avec une astuce et beaucoup de technologie on arrive à lui faire produire de l’électricité.

La fabrication des cellules solaires est énergivore,  parce qu’elle demande du silicium très pur (à 99,999 %). Pour cela on utilise du quartz, qu’il faut distiller en le chauffant dans le vide ! Ces opérations  sont énergivores, et la fabrication d’un m2  de panneau solaire coûte plusieurs milliers de kWh ! Actuellement, il faut environ deux ans dans le Sud de la France pour qu’un tel panneau solaire restitue l’énergie nécessaire à sa fabrication ; mais il produit de l’électricité pendant 20 ans au minimum, et même 40 ans. Le rendement, une fois installé, varie entre 15 % à 20 %. Il ne cesse d’être amélioré. Il se dégrade légèrement avec le temps, surtout si ils sont chauffés.2.

Ce sont ces panneaux qui sont en général proposés aux particuliers pour équiper le toit de leur habitation, d’une grange, d’un hangar. Dans

centrale La plus grande centrale solaire photovoltaïque de France

La plus grande centrale solaire photovoltaïque est construite à Toul (Lorraine)3,

entre 2012 et 2013. Le terrain de 360 hectares est une ancienne base militaire, ne pouvant pas facilement être transformée en autre équipement ou rendu à l’agriculture. La puissance maximale prévue est de 115 MW-crête. Elle n’est réellement atteinte que quelques heures dans l’année, quand l’éclairage est maximal. Au cours d’une année complète, en considérant la météo locale moyenne, elle devrait produire une énergie de 110 GWh4 par an,soit 0,02% de la production électrique française.

centrale-toul-edf-basse-def

Sa production correspondrait à la consommation de 55 000 personnes selon l’annonce faite par EDF. En fait la production durant la journée correspond surtout au besoin d’une activité tertiaire.

Elle devrait couter 430 Millions d’Euros en investissement (Panneaux  First Solar), et son électricité sera achetée 18 centimes pendant 20 ans.

En France, l’ensemble de l’énergie fournie au réseau électrique par tous les panneaux solaires installés (sur les toits, dans les centrales comme celle de Toul etc.) constitue actuellement 0,3 % de l’énergie électrique produite en France, et 1% des énergies renouvelables.

ameliorer_cout_rendement La recherche sur les panneaux photovoltaïques

Les recherches en laboratoire visent à produire de l’électricité moins chère, avec des méthodes moins polluantes.

Il s’agit d’inventer de nouveaux procédés, de trouver de nouveaux matériaux dotés de rendements meilleurs. La plupart des nouveaux procédés utilisent des couches minces, soit en Silicium aussi, soit en utilisant d’autres matériaux, nouveaux, qui utilisent moins d’énergie5

Ils ne sont pas aussi  efficaces, mais ils sont moins chers. Les rendements  obtenus en laboratoire peuvent atteindre 40 %.

Il s’agit aussi de développer des produits différents pour des usages différents. Par exemple les panneaux photovoltaïques organiques se présentent comme des feuilles de plastique sur les quelles sont imprimés des circuits photovoltaïques par des procédés à bas coût. Leur cout très faible pourrait compenser leur durée de vie réduite à 2 ou 3 ans.

centrale Énergie Solaire à concentration

  Concentrer la lumière pour produire de la chaleur, puis de l’électricité

turbineUne centrale solaire à concentration fonctionne avec les rayons du Soleil, que l’on fait converger pour produire de la chaleur.  La chaleur est utilisée pour faire bouillir un liquide – de l’eau. On obtient de la vapeur sous pression qui fait tourner une turbine, qui entraine un générateur électrique. L’énergie des rayons lumineux est donc convertie en chaleur, puis force mécanique, puis en mouvement,  puis en électricité.  Le rendement n’est pas fameux : dans tout système à vapeur, les pertes d’énergie thermiques sont de l’ordre de 2 fois l’énergie de mouvement produite (environ 25¨%). Arriver à gagner quelque pour cents sur ce rendement de production constituerait une importante économie d’énergie !

Ce qui est intéressant dans ce système,  est que l’on peut stocker la chaleur pendant quelques heures pour produire de l’électricité  après le coucher du Soleil.  Le point critique devient donc la question du stockage d’une quantité importante de chaleur, puis sa restitution avec le moins de pertes possible.

centrale espagnole La centrale espagnole de Gemasolar

Gemasolar est une centrale solaire à concentration (CSP) d’une puissance de 19.9 MW, située dans la région de Séville en Espagne. Elle peut fournir une énergie de 0,110 TWh par an et a couté 171 millions d’Euros.6

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Vue aérienne de Gemasolar : le champ solaire se compose de 2,650 miroirs (appelés héliostats), répartis en cercles concentriques autour d’une tour centrale. L’héliostat le plus éloigné étant situé à environ 1 km de la tour. Chaque héliostat mesure 120 m2 et est orienté à chaque instant pour renvoyer la lumière du Soleil sur le four situé en haut de la tour, à 140 mètres de hauteur.

Dans Gemasolar la chaleur est communiquée à du sel fondu. Ce fluide chaud, transmet sa chaleur à de de la vapeur d’eau qui fait tourner la turbine, mais il stocke aussi un surplus de chaleur dans des réservoirs. L’ensemble de ces transformations aboutit à un rendement énergétique plus faible que 3%. De nombreux travaux de recherche tentent améliorer le stockage de la chaleur et faire baisser son coût, comme au Promes, à Perpignan.

Malgré la faiblesse de son rendement, cette installation est très intéressante : elle permet la production d’électricité au moment où l’on en a le plus besoin, le soir, après le coucher du Soleil.

Vu les performances actuelles d’un coté,  le prix des miroirs, et autres installations de l’autre, ces centrales ne sont rentables que dans les régions où le Soleil est présent un nombre d’heures supérieur à 1800  heures par an. C’est le cas dans le sud  de l’Europe ou en Afrique du Nord. L’Espagne pourrait produire beaucoup plus d’électricité par ce type de centrales, dont une partie serait exportée vers le nord de l’Europe aux heures de pointe.

électricité à partir du mouvement De l’énergie électrique à partir du mouvement

Un générateur électrique permet de transformer le mouvement en électricité.

unwattIl repose sur une propriété des aimants. Ceux-ci sont connus pour attirer les autres aimants et certains métaux comme le fer. Mais c’est une autre propriété, moins connue qui est utilisée pour produire un courant électrique : les aimants exercent aussi une force sur les électrons d’un matériau qui bouge. Si ces électrons sont libres de se déplacer, comme dans un fil électrique, ils créent alors un courant électrique dans le fil.

Sur la figure ci dessus, ce n’est pas le fil, mais l’aimant qui bouge, cela revient au même : il suffit que l’un bouge par rapport à l’autre.  Le fil électrique fait des  tours et des tours sur lui même pour augmenter le nombre d’électrons soumis à la force magnétique. Plus le nombre d’électrons qui bougent ensemble est grand, plus l’intensité du courant est élevée.

La main fournit typiquement 1 Wh en quelques minutes à la manivelle, ce qui convient bien aux lampes LED. Souvent le circuit possède une petite batterie rechargeable qui permet au courant d’être stocké, pour que la lampe éclaire même quand on ne tourne plus la manivelle.

Les générateurs électriques utilisent cette propriété des aimants de multiples façons.  Dans une dynamo, c’est l’aimant qui bouge, alors que dans un alternateur, c’est le fil électrique. Le rendement de la conversion de l’énergie du mouvement en énergie électrique dépend du montage. Il peut être très faible comme dans les anciennes dynamos de vélo. Mais il peut aussi être excellent et dépasser 95 %.

etiquette Énergie fournie par une éolienne

Les éoliennes génèrent de l’électricité grâce à un générateur électrique entrainé par les pales que le vent fait tourner.

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Evolution de la dimension des éoliennes  (Source IPCC)

Plus les pales sont grandes et plus l’éolienne peut fournir de énergie. En pratique les grandes pales d’une grande éolienne ne peuvent pas tourner vite.  Mais cela n’est pas gênant, et n’empêche pas l’énergie que peut fournir une éolienne d’augmenter très vite avec la vitesse du vent (voir plus de détails ici sur la puissance d’une éolienne).

etiquette

C’est seulement au-delà d’une certaine vitesse  (en général 50 km/h) que l’éolienne fonctionne à plein régime.  Sur un an en moyenne, une éolienne terrestre fournit 20% de sa « puissance installée », et une éolienne marine environ 33% car les vents sont plus fréquents et forts et large des côtes.7

On estime à 4 800 TWh/an les ressources éoliennes terrestres européennes disponibles. Au niveau mondial les ressources terrestres sont d’environ 53 000 TWh/an. Pour l’off-shore mondial il n’y pas d’estimation car cela dépend des distances au rivage et du type de relief sous marin sur lequel on pourrait planter des mats d’éoliennes. Pour l’Europe les ressources de l’éolien off-shore sont de l’ordre de 3 000 TWh/ mais cela dépend des distances au rivage.

En France 4200 éoliennes peuvent produire potentiellement 60 TWh/an, si le vent souffle en permanence, ce qui n’est jamais le cas. Elles ont produit en fait 12 TWh en 2011, soit 2,5% de la consommation Française. La production pourrait atteindre 100 TWh en 2050 dans les scénarios les plus favorables.

éolienne L’éolien marin en France

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Les cinq grandes fermes éoliennes offshore en construction les long du littoral, comprennent en tout 600 éoliennes  de 5 MW de puissance maximale, pour 10 milliards d’Euros. Elles devraient fournir environ 9 TWh  partir de 2020, pour un prix estimé de  0,35 euros/kWh.8

nenuphar-red_0 D’autres voies se dessinent pour l’avenir : celles des éoliennes flottantes

Comment implanter des éoliennes en mer loin des côtes si les fonds sont profonds ? Plusieurs entreprises développent le concept d’éolienne flottante. Une de celles-ci est en France, près de Lille : l’entreprise « Nenuphar-wind » a l’objectif  d’installer à l’horizon 2015 le premier parc commercial de 13 éoliennes flottantes produisant 25 MW.

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Vue d’artiste : ferme d’éoliennes flottantes. copyright Technip/Nenuphar/EDF EN/Ginger

stockage Le stockage de l’énergie

Une introduction massive d’éolien ou de solaire va nécessiter des moyens de stockage importants. Les STEP sont les plus adaptées.

rendement-stockage

Il faudrait stocker de grandes quantités d’électricité. Au Japon, la capacité de stockage représente 20 % de la production moyenne d’électricité. En France, c’est  plutôt 1 %. Le besoin devrait augmenter avec l’entrée en service de nouveaux moyens d’énergie durable. En 2030 le besoin pourrait être de 15 TWh stockés dans monde9.

Il existe plusieurs façons de stocker l’électricité, la plus connue est l’utilisation de de batteries. Mais les batteries les plus importantes peuvent stocker au mieux 10 MWh, c’est à dire une quantité d’énergie qui peut servir à un quartier,   mais pas une ville.

99% de l’énergie stockée dans le monde l’est par des STEP, les Stations  de Transfert d’Energie par Pompage. C’est le seul moyen connu aujourd’hui pour stocker de grandes quantités d’énergie.  Ces stations de pompages sont des barrages qui fournissent de l’électricité en turbinant l’eau. La particularité est qu’elles peuvent fonctionner à l’envers et remonter l’eau turbinée pour remplir à nouveau le réservoir. La STEP, en pompant l’eau vers le haut consomme de l’énergie électrique quand elle est peu demandée, la nuit, et peut produire de l’énergie électrique selon les besoins. Bien sûr, un peu d’énergie est perdue à chaque fois dans l’opération, mais le rendement global est de l’ordre de 75 % et ce système est très rentable :  la Suisse réalise ainsi entre un et deux milliards d’ Euros de bénéfice chaque année10. Quelques milliards d’Euros, c’est justement le prix d’une STEP. En France, il existe 6 grandes STEP,  la plus grande étant celle du barrage de Grand Maison, qui consomme  sur un an 1,7 TWh d’électricité pour permettre la production de 1,4 TWh. (Cliquer pour plus d’informations sur le stockage d’énergie par STEP)

Une autre façon de stocker l’énergie consiste à produire de l’hydrogène. L’hydrogène peut être utilisé soit comme carburant dans un moteur thermique, soit pour produire de l’électricité dans une pile à combustible. C’est ce que fait la centrale solaire expérimentale de Myrte, en Corse.11

vignola-vue-aerienne-4-ld

puce Références

  1. Production et consommation d’électricité en France,

    • Le bilan prévisionnel 2011 (p. 71) indique que  l’énergie produite par l’éolien installé, malgré son  intermittence évite le recours aux centrales thermique. bilan_complet_2011.pdf
    • Le site de RTE permet de connaitre la consommation passée et présente, par filière production-d-electricite-par-filiere

    et les émissions de CO2 due la production électrique emission-de-co2-par-kwh-d-electricite-produite-en-france []

  2. Solaire voltaïque

    []

  3. Centrale solaire voltaïque de Toul

    []

  4. Pour 1 kWc installé, l’ensoleillement produit en France environ 1000 kWh par an, un peu plus dans le sud de la France. Voir Ricaud, cours []
  5. Nouveaux matériaux photovoltaïques

    []

  6. La centrale Gemasolar : http://fr.wikipedia.org/wiki/Torresol []
  7. Éolien

    • Carte des vents : The World of Wind Atlases – Wind Atlases of the World http://www.windatlas.dk/index.htm
    • Le vent en direct ; la balise du golfe du Lion : http://www.infoclimat.fr/mer/bouees.php?id=61002&amp
    • D’après Réseau de Transport d’Électricité (RTE), « Le Grenelle de l’environnement a retenu que l’énergie éolienne constitue l’un des principaux contributeurs potentiels à l’atteinte des objectifs 2020, constituant le quart de l’objectif global et les deux tiers du supplément d’électricité renouvelable, avec un potentiel de 25 GW, répartis entre 19 GW sur terre et 6 GW en mer, pour une production de 57,9 TWh. »

    []

  8. Eolien marin

    []

  9. http://www.belle-ile-union.org/eole-STEP/STEP-marines_Vigny.pdf []
  10. Statistique suisse de l’électricité 2011, page 23 : http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00542/00630/index.html?lang=fr&dossier_id=00768 []
  11. Le stockage de l’énergie par hydrogène : Myrte http://myrte.univ-corse.fr/ et documents annexes : photos et dossier de presse []

Les sources d’énergie durables

Nous avons à notre disposition d’énormes quantités d’énergie durable. Mais il faut savoir s’en servir.
Poster 5

puce Les  énergies durables

  • Les sources d’’énergie solaire, éolienne, hydraulique,  et la biomasse sont des sources durables car elles sont renouvelables : on pourra en disposer chaque jour nouveau tant que le Soleil nous inondera de sa lumière. Celui-ci s’est formé voilà environ 4,5 milliards d’années et brillera encore 5 milliards d’années de cette façon avant de faire disparaître notre planète. 1Ces sources d’énergies,  éolienne, hydraulique, et la biomasse sont toutes dues à la lumière du Soleil.  C’est parce toutes les parties de notre atmosphère ne sont pas chauffées de la même manière par la lumière, que se produisent des « courants d’air ». C’est cette chaleur qui évapore l’eau qui retombera sous forme de pluie, de neige ou de grêle et alimentera nos barrages. C’est la lumière enfin qui fait pousser nos végétaux et produit la biomasse (plantes, bois…) qui a été une des formes les plus utilisées de l’énergie pendant des siècles.

    • L’énergie géothermique utilise la chaleur de la Terre pour le chauffage ou produire de l’électricité. La géothermie n’est pas une énergie renouvelable, mais une énergie pratiquement inépuisable que l’on classe aussi dans les énergies durables.
    • L’énergie nucléaire utilise l’uranium, un atome naturel présent sur Terre depuis que notre planète s’est formée à partir de la nébuleuse solaire constituée de poussières d’étoiles. Notre utilisation actuelle de l’uranium n’est pas durable mais, avec de nouvelles technologies elle pourrait atteindre plusieurs dizaines de milliers d’années. On pourrait aussi utiliser un autre atome, le thorium, qui est plus abondant que l’uranium.
    • Il existe une source d’énergie qui fait toujours l’objet de recherches, la fusion nucléaire. Elle pourrait fournir de l’énergie pendant des millions d’années. Dans le meilleur des cas elle ne sera pas disponible avant le 22 ème siècle.

    4foisLes ordres de grandeur, non de l’énergie disponible sur Terre, mais qui serait exploitable avec les techniques actuelles ou accessibles,  sont indiqués sur le poster par un chiffre pour chaque source d’énergie. Ce chiffre représente ce que l’on pourrait extraire de chaque source d’énergie, en nombre de fois la consommation mondiale actuelle d’énergie.

    En tout, l’ensemble de ces sources durables représente facilement 4 fois la consommation actuelle mondiale d’énergie.   2

soleil L’énergie solaire, quelques chiffres :

Quelques chiffres :

– La lumière du Soleil apporte  sur Terre à chaque instant environ 10 000 fois l’énergie que l’humanité consomme.

-Une surface exposée au Soleil en haut de l’atmosphère reçoit environ 1366 W par m2 de surface perpendiculaire à ses rayons.  Au sol, à l’équateur, ce sont 1000 W/m2 qui touchent le sol. L’énergie qui touche le sol dépend de l’épaisseur d’air traversée, des nuages, des aérosols, de la pollution atmosphérique, …

– L’Europe du Nord reçoit entre 2 et 3 kWh par jour et par m2, la France entre 3 et 5 , et l’ Afrique du Nord entre 5 et 6. Il s’agit de moyennes sur un an, car bien sûr, l’Europe reçoit plus de soleil en été qu’en hiver. (Voir la carte de l’ensoleillement)

– Par comparaison, un adulte a besoin d’environ 3 kWh par jour sous forme de nourriture.

Le flux d’énergie venant du Soleil est donc gigantesque ! Mais, il y a un « mais »  : ce flux d’énergie n’est disponible que le jour : l’énergie solaire est intermittente.

photovoltaique Le solaire photovoltaïque

L’électricité produite par un panneau solaire photovoltaïque dépend de son éclairement, qui varie selon le lieu,  le jour de l’année, l’heure de la journée, la météo …
ensoleillement-selon-l-heure
légende : voir texte

Les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité quand ils sont éclairés, avec un rendement3 de 15 à 18 % pour les panneaux standards grand public. La figure montre l’énergie fournie par la lumière en cas de beau temps pour la journée du 6 novembre, à Paris (courbe jaune). Ce jour précis, le jour se lève après 8 h et il fait nuit avant 18 h.  L’éclairement et la production d’électricité sont maximales quand le Soleil est le plus haut dans le ciel, vers 13  heures (heure d’hiver). La courbe bleue montre le besoin d’électricité dans le secteur tertiaire ce jour-là. L’électricité des panneaux photovoltaïques peut répondre à ce besoin. La courbe  mauve montre la consommation électrique  des particuliers.  C’est le soir entre 19 h et 20 h que le besoin d’électricité a été le plus fort en France, à une heure où le Soleil ne peut plus fournir d’énergie.

Quand le Soleil est voilé,  par temps nuageux, les panneaux photovoltaïques produisent, mais moins. Au cours d’une journée, la production électrique peut varier très vite comme le montre la figure ci dessous

production solaire
Production par la centrale Myrte en Corse, à deux dates différentes du mois d’avril 2010. Le 11 avril, on observe l’effet de la couverture nuageuse du ciel4

Le moyen d’éviter les inconvénients de l’intermittence est de stocker l’électricité. Pour stocker de petites quantités d’électricité (quelques Watt-heures à quelques kilowatt-heure) on peut utiliser des batteries? C’est ce qui est fait dans les endroits isolés où il n’y a pas de réseau, dans les montagnes ou dans les campagnes des pays émergeant. Ainsi on peut s’éclairer, pomper de l’eau, téléphoner, à n’importe quel moment …. Pour  stocker 10 kWh  il faut quelques centaines de kg de batteries  au  Plomb.

La production d’électricité varie aussi au cours de l’année :  la figure ci dessous montre la variation de la production d’électricité photovoltaïque au cours de l’année,   en Provence dans le nord de la France, en 2011. On voit qu’en janvier, février, novembre et décembre, cette production s’écroule.

production voltatique deux regions
Production par m2 de deux installations particulières en France, en 20115

En France,  l’électricité  est vendue au réseau.  Elle représente 0,7 TWh en 2010, et pourrait passer à 5 TWh en 2020, soit 1% de la production d’électricité. En Europe, elle passerait dans le même temps de 20 à 180 TWh.

solaire_thermique Le solaire thermique

Pas besoin de fioul ni d’électricité,  le Soleil suffit pour chauffer de l’eau !
eau-chaude
Quantité d’eau chaude obtenue grâce à un capteur thermique performant6

La transformation de son énergie lumineuse en énergie thermique est bien  plus efficace que la transformation en électricité par un panneau photovoltaïque.

Un bon panneau solaire thermique a une efficacité de 75 %.  Un tel panneau de 1 m2 permet de récupérer 1 000 kWh de chaleur par an en Provence et la moitié à Bruxelles. Toutefois les courbes montrent qu’à Bruxelles, la production d’eau chaude en hiver est 6 fois plus faible qu’en été (contre 2 fois à Aix en Provence).  Ces panneaux peuvent donc facilement couvrir la totalité (au Sud) ou une partie (au Nord) des besoins d’une famille : eau chaude sanitaire, eau chaude pour les machines à laver, eau chaude pour les radiateurs. Par contre, en hiver, dans le nord,  il faut avoir recours à un autre moyen de chauffage de l’eau, car très peu d’eau chaude est produite par le rayonnement du soleil.

eolien Énergie éolienne

L’énergie éolienne est celle qui possède les ressources les plus importantes  après l’énergie solaire photovoltaïque. Mais elle est intermittente, et le vent ne peut être stocké.

Elle est transformée en électricité par les générateurs électriques des éoliennes. C’est une forme d’énergie qui n’est pas concentrée : une grande masse d’air en mouvement contient un peu d’énergie. Il faut donc de grandes éoliennes pour obtenir des MégaWattheures. La figure ci-dessous7  montre l’évolution de la taille des éoliennes, qui sont de plus en plus grandes pour être capables de fournir de plus en plus d’électricité.

dimension-eoliennes

En Europe de l’Ouest, c’est dans le nord de l’Ecosse et le long des côtes françaises que le vent souffle le plus dans l’année (Voir la carte de la vitesse des vents en Europe). Mais ces vents sont irréguliers. Le graphique ci-dessous montre la vitesse des vents mesurée dans le Golfe du Lion, un des endroits les plus ventés de France et d’Europe, début janvier 2012

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Vitesse du vent mesuré dans le Golfe du Lion en février 2012.8

On observe l’absence totale de vent, la nuit du 1er au 2, jusqu’après midi,  puis la nuit du 3 au  4 janvier. Ensuite, la vitesse du vent change sans cesse au cours du temps. Cependant  il peut souffler des jours et des nuits entiers  à plus de 50 km/h, et les éoliennes pourraient produire alors à plein rendement.

Le Danemark a installé un grand nombre d’éoliennes. Il espère produire 50% de son énergie grâce aux éoliennes en 2030 (il en produit aujourd’hui environ 30% mais ne l’utilise qu’en partie).  Comme le vent ne souffle qu’à certaines heures, le reste du temps le Danemark  l’achète à ses voisins, qui ont d’importantes réserves hydrauliques,  ou fait fonctionner ses centrales à gaz qui sont les plus adaptées à réagir rapidement aux sautes de vent. Le vent à lui seul ne peut remplacer les énergies fossiles.

hydraulique L’énergie hydraulique

Les barrages constituent un stock d’énergie renouvelable très intéressant mais il faut beaucoup d’eau pour obtenir des Mégawatt-heures. C’est pour cela que les barrages ont des tailles imposantes.

L’eau en passant dans une conduite descendant vers une turbine entraine celle-ci comme dans un moulin à eau. Cette turbine fait tourner un générateur de courant (alternateur ou dynamo) qui produit du courant électrique :   l’énergie de la chute de l’eau (énergie potentielle, puis énergie cinétique) est transformée en énergie électrique. Il faut 3,6 tonnes d’eau tombant d’une hauteur de 100 m pour produire 1 kWh d’électricité. La production d’électricité à partir de l’hydraulique est extrêmement efficace et peu coûteuse dans un pays qui a un relief montagneux comme la France.

L’énergie hydraulique représente  10 % de l’électricité produite en France, environ 60 TWh, produite par des dizaines de barrages. En 1950, la consommation française d’électricité s’élevait à 30 TWh. Si un français d’aujourd’hui consommait comme en 1950, la moitié de l’électricité française issue de l’hydraulique suffirait à satisfaire les besoins du pays, et l’autre moitié pourrait être exportée.

La figure ci dessous montre la courbe de production hydraulique au cours d’une année; de juillet à juin.

puissance-hydraulique
Courbe de puissance hydraulique, de Juillet 2011 à juin 2012.9

On voit que la quantité  d’énergie hydraulique  produite dépend de la période de l’année. Au printemps la pluie et la fonte des neiges remplit fleuves et barrages, et permet une grande production. En été et automne, l’eau des barrages est économisée pour être disponible les mois d’hiver quand la demande en électricité est la plus forte.

Outre les grands barrages (le barrage des 3 Gorges, en Chine, a une puissance de 18 GW, soit celle de 18 réacteurs nucléaires de 1 GWe), on peut utiliser « la petite hydraulique »,  au fil de l’eau, c’est-à-dire sans retenue d’eau.

L’hydraulique représente aujourd’hui 2% de l’énergie produite dans le monde. Elle pourrait produire 10 fois plus. En France, l’essentiel du potentiel est déjà exploité.

biomasse La biomasse

Le bois et autres organismes vivants ont stocké l’énergie solaire dans leurs molécules complexes. Une fois séchés, les végétaux et autres organismes brûlent facilement, en dégageant du CO2. Ils peuvent aussi être transformés en agrocarburants.

La biomasse est l’énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde. En France, les cultures permettent de produire typiquement 0,75 tonne équivalent pétrole à l’hectare par an, avec des variations importantes selon les espèces.

La biomasse ne peut être considérée comme « renouvelable » que si on replante autant de végétaux que ce qu’on utilise.  Dans ces conditions le CO2 de la combustion  ne participe  pas au réchauffement climatique, car sur toute la période de croissance, autant de carbone est absorbé que rejeté  et le bilan global  est nul. Par contre, si les végétaux coupés ne sont pas remplacés, le dégagement de CO2 n’est pas compensé et il participe au réchauffement climatique. La déforestation, c’est à dire la destruction de la forêt, pour faire place à des cultures  qui contiennent bien moins de carbone par hectare, est responsable d’environ 10% des émissions de gaz à effet de serre.

La première utilisation de la biomasse est  l’alimentation. Les surfaces non utilisées restantes pourraient fournir au mieux  20 % de l’énergie consommée dans le monde. En France,  plus d’arbres pourrait être plantés. Cela ferait du bois de chauffage (pour  les chaudières à bois), de façon à diminuer l’utilisation de gaz ou de pétrole pour le chauffage .10.

geothermie La géothermie

99% de notre planète est à une température supérieure à 200°C. Cette chaleur peut être utilisée de différentes façons. Pour bien s’en servir, il faut disposer d’études et de cartes géologiques très détaillées, qui souvent n’existent pas.

La température augmente avec la profondeur. En France, cette augmentation varie de  2 à  10 °C tous les 100 mètres, selon les endroits.11

Cette chaleur  a trois causes  principales :

  1. la Terre s’est formée il y a environ 4,56 milliards d’années, elle était très chaude, elle se refroidit toujours.
  2. le coeur de la Terre (la « graine ») se solidifie progressivement. Cette solidification dégage de la chaleur.
  3. La Terre contient des éléments radioactifs12 qui disparaissent lentement en dégageant de l’énergie qui se transforme en chaleur.

Chaque année la Terre évacue  vers l’espace 370 000 TWh de chaleur. Les 3 /4 sont évacués par les océans, et 1/4 par les continents. Cette chaleur des profondeurs remonte lentement : typiquement, il faut un million d’années à la chaleur pour parcourir quelques kilomètres vers la surface, et le flux de chaleur est très hétérogène : il y a par endroit des zones anormalement chaudes assez près de la surface de la Terre, qui constituent des réserves intéressantes.  C’est le cas en France métropolitaine et dans les Antilles.

Si-dessous la carte de températures à 5 km de profondeur en Europe. Le sous-sol est en moyenne à plus de 140°C partout en France. Certains endroits sont encore plus chauds, comme en Alsace, dans le massif central, le Sud-Est de la France.

carte-geothermie

Géothermie basse énergie, l’exemple du bassin parisien

geothermie-paris

Plusieurs méthodes sont utilisées pour extraire  la chaleur du sous-sol.  L’une d’elle  consiste à pomper les eaux chaudes souterraines pour les utiliser directement si leur température est comprise entre 25 et 100 °C.  Leurs calories sont extraites à travers un échangeur, puis l’eau est réinjectée dans la nappe d’eau souterraine avec quelques degrés de moins. La chaleur extraite est éventuellement utilisée par des pompes à chaleur.

Par exemple dans la région parisienne, une nappe située vers 600 m de profondeur contient de l’eau à 27°C. C’est cette nappe qui chauffe la maison de la radio, l’aéroport d’Orly, et fournit sur l’ensemble de l’Ile de France, 1,4 TWh par an pour le chauffage de 140 000 logement13
Le projet d’éco-quartier de Clichy Batignolles prévoit aussi d’utiliser cette  eau chaude,  avec des pompes à chaleur (voir figure ci contre, source : écoquartier Clichy-Batignolles).

Mais comment est chauffée cette nappe d’eau souterraine ? L’étude de la structure géologique du sous-sol du bassin parisien montre une couche sédimentaire contenant plusieurs grandes nappes d’eau, situées au dessus d’une couche épaisse de granite. Le granite est connu pour contenir des éléments radioactifs qui libèrent de l’énergie, rapidement transformée en chaleur. Or les sédiments et l’eau sont de mauvais conducteurs de chaleur, en comparaison du granite. Donc, la chaleur qui s’échappe de celui-ci arrive dans la nappe d’eau qui l’évacue moins vite, ce qui fait augmenter sa température14.   La chaleur des nappes d’eau souterraines dans le bassin parisien est donc une source d’énergie renouvelable, et pourrait être plus exploitée qu’elle ne l’est.

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Géothermie haute température  en Alsace et très haute température à la Guadeloupe

L’eau souterraine à plus de 100°C produit de la vapeur quand on l’amène à l’air libre,  on s’en sert pour produire de l’électricité avec des turbines à vapeur.

soultz

Un projet pilote a vu le jour à  Soultz-sous-Forêts, dans le Haut-Rhin, qui utilise de l’eau à plus de 100 °C.15

De l’eau est injectée à 5000 m de profondeur, et est pompée après avoir circulé à travers les failles et fractures.

A Soultz-sous-Forêts, c’est l’addition des effets de plusieurs phénomènes qui provoque cette anomalie thermique : un sous-sol en granite très fracturé, avec des failles qui permettent la circulation naturelle de l’eau, et une remontée volcanique souterraine qui atteint presque la surface, et datant de moins de 20 millions d’années : elle n’a pas encore eu le temps de relâcher toute sa chaleur (en savoir plus sur la température dans le sous-sol de Soultz-sous-Forêts).

A Bouillante en Guadeloupe, la température est de 240°C à 300 mètres de profondeur. L’explication obtenue par des études détaillées du terrain, fait intervenir comme à Soultz plusieurs  réseaux de failles profondes dans lesquels l’eau circule et remonte efficacement la chaleur des profondeurs. Ces réseaux de failles sont créés par le mouvement tectonique. A Bouillante, ces réseaux de rencontrent et permettent la plus grande circulation d’eau.

Grâce à un forage, l’eau sous pression atteint la surface sous forme de vapeur et alimente une turbine qui produit de l’électricité. La Guadeloupe prévoit la production de 20 % de l’électricité en 2020 par géothermie profonde.

Géothermie de très basse énergie

On peut aussi se servir de la chaleur du sol tout près de sa surface, en dehors de toute anomalie thermique : au delà de quelques dizaines de centimètres ou mètres de profondeur la température du sous-sol reste à peu près constante  au cours de l’année. En hiver la température du sol est plus élevée que celle de l’air, et est donc intéressante associée à une pompe à chaleur. En effet la pompe à chaleur fonctionne d’autant plus efficacement que la différence de température entre la source et l’intérieur est petite : pour chauffer une pièce à 19 °C, on consomme moins d’énergie à pomper la chaleur d’une source de chaleur à 10°C que d’une source à 5°C, ou moins. On pompe alors la chaleur du sol, grâce à un long circuit d’eau enterré. Si le circuit d’eau est horizontal,  il doit occuper environ 100 à 250 m2 de surface pour couvrir les besoins d’une habitation de 100 m2.

mer L’énergie des mers

Les mers constituent un vaste réservoir d’énergie, assez dilué, et peu exploité

– L’énergie des marées est exploitée en Bretagne : c’est le flux et le reflux de la mer, deux fois par jour, qui actionne les turbines placées dans l’eau. L’usine de La Rance fonctionne ainsi depuis plus de 40 ans. Elle a été, jusqu’en 2011, la plus grande usine marémotrice du monde avec une production de 0,540 TWh/an. Sa production représente 3,5% de la consommation de la région Bretagne.16

D’ici 2050, la France pourrait, si elle développait à nouveau cette énergie, produire 100 TWh d’électricité à moins de 100 €/MWh. Les sites intéressants ont des marées d’amplitude moyenne entre 5 m et 8 m. On pourrait y  produire entre 15 et 50 GWh/an par km2.

– les mers sont aussi un vaste réservoir de chaleur. A la Seyne-sur-Mer17, les calories de la mer sont utilisées avec des pompes à chaleur pour le chauffage d’un quartier d’un ensemble d’habitations et bureaux de 50 000 m2.
– vers l’équateur terrestre, on pourrait se servir des différences de températures entre eau de surface et eau profonde. Ces différences de température pourraient créer un courant d’eau ou un courant électrique.
– Le mouvement des vagues, de la houle, peut être transformé en énergie électrique. En France, la côte Atlantique possède le deuxième potentiel européen dans ce domaine après la Grande-Bretagne18.

intermittence L’intermittence des flux d’énergie

L’inconvénient de certaines sources d’énergie est qu’elles sont « intermittentes » :  elles ne sont pas disponibles à volonté, mais seulement à certains moments.

faitquepasser_1Si on fait le point sur les principales sources d’énergie durable on s’aperçoit que :

  • L’énergie de la lumière, n’est disponible que le jour, et plus en été qu’en hiver
  • L’énergie du vent dépend de la météo, comme celle des vagues
  • L’hydraulique est liée aux pluies et à la fonte des neiges en montagne. Elle est disponible à certaines périodes de l’année, pas toujours.

C’est casse-pieds :  les deux sources d’énergie les plus importantes, le Soleil et le vent, sont deux gigantesques fontaines à énergie qui ne coulent pas quand on pourrait en avoir besoin. Ces sources d’énergie sont incapables de remplacer simplement les énergies fossiles :il faut trouver des moyens de stockage.

La géothermie et la biomasse ne posent pas ce genre de problème. On pourrait s’en servir bien plus, par exemple pour remplacer tous les fossiles qui servent au chauffage.

stock Stocker l’énergie

Pour utiliser les énergies intermittentes il faudrait pouvoir les stocker
  •  La biomasse constitue un stock d’énergie assez important. Elle est utilisable très facilement pour le chauffage. Elle sert déjà aussi un peu dans les transports.
  • La pluie qui tombe s’accumule dans les rivières et les lacs, qui forment des stocks d’énergie « potentielle » : les retenues d’eau des barrages. En ouvrant les vannes, la la vitesse acquise par l’eau qui chute peut servir à générer de l’électricité.
  • La géothermie repose sur un stock de chaleur qui est sous utilisé.
  • La lumière solaire est utilisable pour obtenir de l’eau chaude, avec une bonne efficacité, de l’ordre de 75 %. La chaleur peut être conservée pendant des heures, des jours et même des mois s’il le faut !

Mais

  • L’énergie  de la lumière solaire n’est pas facilement stockable : on ne sait pas piéger la lumière.
  • Le vent n’est pas stockable. On ne sait pas piéger le vent

Cepndant la lumière et surtout le vent sont faciles à transformer en électricité.  On peut se servir de cette électricité pour élever de l’eau qui rendra l’énergie en tombant : pour stocker 4 heures de production électrique française sous forme d’énergie potentielle, par des retenues d’eau en hauteur, il faudrait environ 900 millions de m3 d’eau stockés à une hauteur de 100 m. Cela correspond à dix retenues de 10 m de profondeur et de 9 km2 de superficie chacune. Ceci constitue actuellement le meilleur moyen de stocker l’énergie électrique. On appelle ces retenues les « Stations de Transfert d’Energie par Pompage » (les « STEP »).

ref Références

 

  1. Ouvrages généraux sur les énergies durables
  2. -La situation énergétique en France et dans le monde, quels choix politiques ?, Société Française de Physique, (2012) EDP Sciences et références citées
    -Rapport Énergies 2050 : les différents scénarios de politique énergétique pour la France 15 février 2012 http://www.developpement-durable.gouv.fr/Rapport-Energies-2050-les.html-SOURCES D’ÉNERGIE RENOUVELABLE ET ATTÉNUATION DU CHANGEMENT CLIMATIQUE, GIECC http://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srren/srren_report_fr.pdf-The inflection point for energy markets, Health, safety, security and the environment. DB climat change advisors : Une note de la Deutsche Bank (Mai 2011) https://www.dbadvisors.com/content/_media/Inflection_Point_Research_Note.pdf-L’énergie, ressources, technologies et environnement, C.Ngô, Dunod
    -Demain l’énergie, moteur de l’humanité, C.Ngô, Dunod
    – http://www.technologystudent.com/energy1/engex.htm []

  3. Disponibilités des Ressources 

    • Outre le rapport de l’IPPC, sont cités dans l’ouvrage de la SFP « La situation énergétique de la France et dans le monde, quels choix politiques ?, Société Française de Physique, (2012) EDP Sciences » :
    • La disponibilité de la biomasse pour les valorisations énergétiques à l’horizon de 2050, HH. Bichat, http://sauvonsleclimat.org
    • Inventory of the exergy resources on earth including its mineral capital, Alicia Valero, et al. Energy 35 (2010) 989–99.
    • le site wikipédia constitue aussi une référence intéressante : Ressources énergétiques mondiales, Wikipédia http://fr.wikipedia.org/wiki/Ressources_et_consommation_énergétiques_mondiales

    []

  4. le rendement donne le pourcentage d’énergie arrivée sur le panneau qui a été convertie en électricité. Le reste n’a pas servi à fabriqué de l’électricité, a été réfléchi ou converti en chaleur. Plus le rendement est élevé plus le processus de transformation est efficace []
  5. La plateforme Myrte, Dossier de presse []
  6. Le site BDPV – Base de Données sites Photovoltaïques http://www.bdpv.fr/index.php fournit les informations détaillées sur toutes les installations photovoltaïques de France. Par exemple http://www.bdpv.fr/carte_installation.php permet d’atteindre les informations sur une installation particulière, comme par exemple celle-ci près de Marseille : http://www.bdpv.fr/fiche_utilisateur.php?util=germat13 []
  7. Solaire thermique :

    Pour ce qui est de la quantité d’eau qui peut être chauffée : 1 000 kWh par an correspondent en moyenne à 2,7 kWh par jour. Comme il faut 1 kWh pour porter 10 litres d’eau de 20 à 100°C, il faut aussi 1 kWh pour porter 16 litres de 10°C à 60°C. Un  m2 de panneau solaire  permet donc de chauffer à 60°C,  2,7*16 = 43 litres d’eau par jour dans le sud de la France. Il faut deux fois cette surface dans le nord. []

  8. taille et puissance des éoliennes, IPCC []
  9. éolien offshore

    []

  10. Hydraulique

    • http://www.hydroweb.fr/ et  RTE : électricité par filière : http://www.rte-france.com/fr/developpement-durable/eco2mix
    • « Les énergies renouvelables électrogènes, H. Flocart et al. Sauvons le climat, 6 décembre 2012 » qui utilise les données de transparency.eex et de Bundesnetzagentur

    []

  11. Biomasse : Quelles ressources en biomasse pour un système énergétique durable ?, IFPENPanorama2010_07-VF_Biomasse.pdf []
  12. géothermie:

    []

  13. potassium, uranium, thorium []
  14. éco-quartier de Clichy Batignoles http://www.geothermie-perspectives.fr/11-informations-utiles/01-documentation-reference.html []
  15. on peut comparer cette situation à une borne de péage sur l’autoroute. Sur l’autoroute l’écoulement est fluide, puis arrive un péage qui ralentit le flux de voitures. Ce ralentissement provoque une plus grande densité de voitures près du péage. C’est la même chose avec la chaleur : l’eau freine l’écoulement de la chaleur, sa densité de chaleur augmente, et donc sa température []
  16. Soultz-sous-Forêts  : http://www.larecherche.fr/savoirs/technologie/geothermie-profonde-produit-electricite-

    01-02-2010-87408 et  le site de Soultz, avec des documents pédagogiques :  http://www.geothermie-soultz.fr/salle-de-cours/outils-pedagogiques []

  17. Energies marines