Principe de la pompe à chaleur

Le principe est simple : on fait circuler un gaz dans un conduit, situé à l’extérieur, mais  à une température plus basse que celle de l’air ambiant. Il se réchauffe donc un peu, et on le comprime (à l’aide  d’un moteur électrique),  puis on le transfère dans le bâtiment déjà chaud.  La compression augmente sa température. On s’est arrangé pour le comprimer de façon à ce qu’il soit plus chaud que l’air de la pièce.

On lui laisse  le temps de communiquer son excès de chaleur à l’air de la pièce, puis on le renvoie dehors. On le détend alors, ce qui fait baisser non seulement sa pression mais aussi sa température.  On s’arrange pour que la détente abaisse sa température en dessous de la température de l’air extérieur. L’air le réchauffe donc un peu, et on le comprime, etc., etc.

Cette suite d’opérations (qui constitue un « cycle ») est continuée autant de fois que l’on veut.  A chaque cycle, un peu de la chaleur extérieure est apportée à l’intérieur grâce à ce mécanisme de compression et décompression.

Dans la réalité on utilise le passage de liquide à vapeur ou de vapeur à liquide d’un fluide pour stocker et libérer une plus grande quantité de chaleur rapidement à chaque cycle.

Moins d’énergie, moins de CO2, plus de confort

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futur_possible Habitat malin, à consommation réduite

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Il a trois acteurs principaux dans un habitat : l’habitant, les sources d’énergie, et l’enveloppe, c’est à dire le bâtiment lui même. Quand ces trois éléments sont pris en compte dès la conception, la consommation d’énergie descend, le confort augmente. Par exemple, cette jolie  maison, ne consomme que 8000 kWh par an, tout compris, pour une surface de 200 m2 ! C’est  entre 5 et 10 fois moins que les maisons construites avant 1975.

Et pour arriver à une telle diminution de la consommation  d’énergie des habitants, le bâtiment utilise des techniques simples. Celles-ci peuvent encore être améliorées : il y a encore beaucoup d’imagination à avoir pour concevoir les enveloppes thermiques (notamment  pour la rénovation des bâtiments anciens), pour développer de nouvelles techniques de construction, pour avoir de bons diagnostiques thermiques, pour modéliser les bâtiments.

orientation Profiter de la lumière pour se chauffer

Un bâtiment bien orienté par rapport au soleil  peut profiter de l’énergie apportée par la lumière pour son chauffage. En été la circulation de l’air peut réaliser une climatisation naturelle. Les nouvelles maisons devraient utiliser ces principe plutôt que compter sur les radiateurs et climatisations énergivores 1.

isolation Isoler  le bâtiment et garder la chaleur

De façon spontanée un objet chaud refroidit et un objet froid se réchauffe. Un isolant thermique permet de limiter ce phénomène : ce qui est chaud reste chaud plus longtemps, et de même pour ce qui est froid.

Empêcher la chaleur de s’échapper d’un logement permet de réduire la consommation d’énergie de chauffage et/ou de climatisation.

Certains matériaux de construction sont naturellement de bons ou de mauvais isolants2. Par exemple, une chambre d’appartement séparée de l’extérieur par un simple mur de béton (épaisseur 10 cm, surface 10 m2 ) est très mal isolée : quand il fait froid dehors, pour une différence de température de 20°C entre l’extérieur et la pièce, la fuite de chaleur est de 2 kWh chaque heure.  Pour contrer cette fuite, et maintenir la température,  il faut  fournir ces 2 kWh à la pièce, en faisant fonctionner en permanence un radiateur puissant3.

Si ce mur est protégé par 20 cm de laine de roche ou de liège, la fuite de chaleur est réduite 40 fois. Le radiateur n’est pas nécessaire : un ordinateur allumé ou les occupants pourraient même dégager assez de chaleur pour chauffer la pièce !

pompe Le futur du chauffage électrique : les pompes à chaleur

La pompe à chaleur permet de faire passer de l’énergie thermique d’un endroit froid à  un endroit chaud ! C’est le contraire de ce qui se passe spontanément.

C’est le système de chauffage le plus performant : on s’aperçoit que quand on utilise  1 kWh électrique  (pour le compresseur), on arrive à  pomper 3 à 4 kWh de chaleur qui passe de l’endroit froid vers l’endroit chaud.

Toutefois, plus l’écart de températures est grand, moins le système est efficace, et certains systèmes doivent être réchauffés pour fonctionner sous 0 °C.

L’inconvénient de la pompe à chaleur est qu’elle est beaucoup plus chère à l’achat qu’un simple radiateur électrique (mais celui ci reviendra plus cher à l’usage) : il faut investir pour faire ensuite des économies.

equipement Choisir des équipements efficaces

En choisissant des appareils ménagers performants, on économise de l’énergie. Des progrès considérables ont été faits. Un réfrigérateur d’aujourd’hui consomme environ 300 kWh/an, soit environ 37 fois moins qu’un frigidaire des années 60. Toutefois il y a beaucoup plus de réfrigérateurs aujourd’hui qu’il y a cinquante ans 4 .

L’étiquette énergie, que l’on peut voir sur les appareils ménagers indique leur efficacité énergétique. Par exemple, un lave-linge ou un lave-vaisselle utilisant peu d’eau utilisent aussi moins d’électricité pour la chauffer. Ils peuvent être encore plus économes s’ils acceptent l’eau chaude d’un panneau solaire thermique, chauffée gratuitement.

puits_canadien Puits canadien, VMC et renouvellement de l’air

Dans les maisons très bien isolées, les échanges d’air sont limités. L’air est renouvelé par un système de ventilation naturel ou mécanique. Avant d’entrer dans l’habitat l’air extérieur est mis à température par un système peu énergivore : « puis canadien », VMC double flux, pompe à chaleur.

Le « puits canadien » est un conduit enterré de plusieurs dizaines de mètres de long. L’air y passe en hiver avant d’entrer dans la maison. A l’issue du trajet, l’air n’est plus glacial, et le chauffer avant qu’il n’entre dans l’habitat coûte moins cher. En été, l’air est rafraîchi par son passage sous terre, et l’air qui rentre par ce moyen dispense de climatisation. Au printemps, si la terre est fraiche, il n’est pas utilisé.

Un puits canadien doit être réalisé selon des règles précises, pour que l’eau de condensation ne puisse s’y accumuler. Sinon il devient un nid à bactéries.

eclairage Il y a lumière et lumière

Les lampes aussi doivent faire l’objet d’un choix judicieux. Les modèles à incandescence (lampes dites ordinaires qui disparaissent progressivement) produisent 5% de lumière et 95% de chaleur. C’est pourquoi elles sont bouillantes lorsqu’elles sont allumées. Les lampes fluocompactes (dites aussi basse consommation) émettent au contraire 80% de lumière et seulement 20% de chaleur. Elles sont plus chères mais durent en théorie plus longtemps (6 à 7 fois) si on ne les éteint et allume pas trop souvent (dans la pratique leur durée de vie dépasse rarement 5000 heures contre 2000 à 3000 heures pour une lampe halogène). Ainsi, une lampe à incandescence de 100 W peut être remplacée par une lampe fluocompacte de 15 W qui, sur sa durée de vie, permettra une économie théorique de plus de 300 kWh. Toutefois il ne faut les jeter n’importe où en fin de vie car elles comportent du mercure, un poison pour l’homme et l’environnement.

L’avenir est aux lampes utilisant des LED (en Anglais « light emission diodes », ou en français DEL : diodes électroluminescentes) qui consomment encore moins que les lampes fluorocompactes,  durent beaucoup plus longtemps (15 000 à 30 000 heures en pratique).  Leur rendement est proche de 15-20%, elles utilisent donc 5 fois moins d’électricité. La difficulté avec ces dispositifs est de produire une  lumière agréable, dont la teinte est proche de la lumière naturelle.

La lumière du jour, lorsqu’on peut l’utiliser, est encore plus économique … Bien aménager  un espace c’est aussi exploiter au maximum la lumière du jour : placer le plan de travail sous une fenêtre, opter pour des couleurs claires, bien orienter le bureau, etc.

transport_velo Éviter les transports énergivores

Selon l’endroit où l’on habite un véhicule est nécessaire ou non.

En France, les automobiles produisent en moyenne une tonne de CO2 par habitant et par an.  Une petite  voiture effectuant 60 km par jour produit 3  tonnes de CO2 par an, et une grosse voiture, 6 tonnes.

Les véhicules de l’avenir émettent beaucoup moins de CO2 : voiture, vélo, scooter électriques, par exemple.

D’autre part, un véhicule électrique possède une batterie qui pourrait fournir quelque centaines de Watt-heures d’électricité à toute la maison en cas de besoin.

fenetres Le secret des fenêtres isolantes

Le verre n’est pas un bon isolant thermique. Pour qu’une fenêtre soit néanmoins isolante, elle possède deux vitres séparées par une fine couche d’air. C’est elle qui procure l’isolation. C’est le principe des fenêtres à « double vitrage ». L’air  peut être remplacé par un autre gaz, encore meilleur isolant thermique.

Une fenêtre double vitrage d’un m2, soumise à une différence de température de 20°C, laisse fuir environ 0,03 kWh de chaleur par heure 5.  Les fenêtres à « triple vitrage » permettent de gagner encore un facteur 2 si nécessaire.

Mais des mesures simples permettent d’éviter les fuites de chaleur la nuit : les rideaux, les  volets  constituent de très bons moyens supplémentaires de réduire la fuite de chaleur.

casquette Une « casquette » pour faire de l’ombre

Un bon moyen de ne pas avoir trop chaud en été est de se mettre à l’ombre. Au sud, un toit qui dépasse fait de l’ombre à la fenêtre, en pleine journée, tout en laissant la lumière entrer le soir quand le soleil est plus bas.

Un arbre bien placé peut aussi faire de l’ombre au bon moment l’été. En hiver, s’il a perdu ses feuilles, il laisse passer la lumière.

panneaux Utiliser  l’énergie renouvelable disponible

Un panneau solaire thermique et un panneau photovoltaïque sur le toit permettent de produire chaleur et  électricité, pour obtenir un habitat autonome du point de vue énergétique, et utilisant une électricité sans carbone.Cette électricité peut aussi être cédée au réseau électrique, surtout en été.

L’électricité est fournie par le panneau solaire en courant continu, et il doit être transformé en courant alternatif de tension 220 V. Cette transformation fait perdre de l’énergie. Il faudrait que les appareils électroménagers puissent être alimentés directement avec du courant continu de 24 Volts !

energie_positive Innovation : les bâtiments à énergie positive

Ces bâtiments pilotes démontrent qu’il est possible de concevoir des bâtiments très peu consommateurs d’énergie,  avec des matériaux contenant peu d’énergie grise. Leurs faibles dépenses de fonctionnement peuvent amortir sur la durée le surcoût de leur fabrication.

Les BEPOS, bâtiments à énergie positive, ce sont des « Bâtiments Basse Consommation »(BBC) 6 qui possèdent sur le toit des panneaux photovoltaïques dont production d’électricité couvre en moyenne la consommation d’énergie annuelle du batiment.

fr_maison-zenLa Maison Zen, dans les Alpes est la première maison construite en France7 selon cette exigence. Exposition, ouvertures, isolation, pompes à chaleur, circulation d’air, échanges avec l’extérieur ont été pensés pour minimiser les besoins en énergie, avec un confort élevé. Elle a été construite avec des matériaux ayant une faible empreinte CO2. Sa surface est de 200 m2.

Les panneaux photovoltaïques qui constituent le toit sont des panneaux à couche mince. Ils   sont disposés sur les deux cotés du toit, donc y compris la face nord pour une production de 3000 kWh contre 7000 kWh au Sud, pour une surface un peu moindre au nord.

La maison est occupée par des bureaux (14 personnes en 2011). « Sur trois ans, du 12 Nov. 2007 au 11 Nov. 2010, la production photovoltaïque s’élève à 29 460 kWh (soit 9 820 kWh/an) et la consommation totale d’énergie (relevés compteur EDF) s’élève à 26 760 kWh (soit 8 920 kWh/ an) et 44,6 kWh/m².an. L’objectif de départ a donc été rempli. »8.

Ce bilan repose en premier lieu sur l’efficacité énergétique du bâtiment et des appareils électroménagers et informatiques. Mais elle repose aussi sur la manière de vivre des occupants, car dans une maison à si faible consommation,  l’impact des comportements devient prépondérant.

La sobriété énergétique des occupants  implique une plus grande attention aux dépenses d’énergie dans l’utilisation des appareils domestiques, le chauffage et l’aération des pièces.

annees_60 Rénovation des anciens bâtiments : la tour Bois le Prêtre

Une astuce à la base de cette rénovation qui fait économiser beaucoup d’énergie : la couche extérieure d’isolant thermique n’est pas posée sur le mur de l’immeuble. C’est une vaste enveloppe de verre, qui entoure le bâtiment en créant des jardins d’hiver pour tous les logements.

tour-bois-le-pretre-avantEn général, la rénovation de l’habitat ancien vise  plusieurs objectifs :

  • Un confort accru pour les occupants ;
  • Une consommation énergétique moindre, ce qui permettra d’amortir le coût des travaux ;
  • une réduction des émissions de gaz à effet de serre, pour se conformer aux engagements de la France.
  • La prise en compte d’exigences environnementales diverses, pour un habitat durable.

En général, le coût de la rénovation est inférieur au coût de la démolition reconstruction, qui exige de plus de loger les habitants durant les travaux.

La rénovation de la Tour Bois le Prêtre9 (Paris) a valu l’Équerre d’argent à leurs auteurs en 2011. Elle comporte 100 logements.

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Le bâtiment datant de 1962 étant encore sain du point de vue de la structure,   mais ne correspondait plus du tout aux besoins des familles y habitant : isolation, installation de chauffage, nombre d’ascenseurs. Cette rénovation a été effectuée en maintenant les habitants dans leur logement. Elle réorganise l’espace, apporte des améliorations techniques. Elle offre plus de surface aux habitants par l’ajout de jardins d’hiver : la surface passe de 8 900 m2 à plus de 12 000 m2. Le confort été comme hiver est amélioré.

La performance énergétique passe à  82 kWh/m2, ce qui réduit de plus de la moitié  la facture énergétique. Le site de Druot (voir références) offre de nombreux documents sur cette rénovation.

futur_possible Innovation : le futur possible de l’habitat urbain 

Un projet d’habitat écologique innovant porté par une équipe d’étudiants  ingénieurs,  architectes, designers de Rhône Alpes a remporté  le Solar Decathlon Europe 2012 à Barcelone.

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Le projet « Canopea » a remporté ce concours international  proposé à des universités du monde entier. Le but du concours qui a lieu tous les deux ans, est de construire la maison de demain,  n’utilisant que le solaire comme source d’énergie.  Un genre de « Concept House », un démonstrateur,  très en avance sur son temps mais qui permet de tester les idées et les techniques.

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Le projet de la Team Rhône-Alpes10 était le seul à proposer  un habitat collectif de petits immeubles, appelés « Home-towers », qui s’inscrit dans un quartier.  Le coordonateur de l’aventure Pascal Rollet, enseignant à l’école d’architecture de Grenoble raconte11 :   «C’est un habitat simple, l’antithèse de la maison d’architecte ! Surtout, Canopea n’est pas un bâtiment seul mais un écosystème urbain, en relation avec des voisins, des transports. Qui a nécessité un travail collectif de Recherche & Développement de haut niveau pendant quatre années. Avec des milliers de règles, comme dans la réalité.»

Les dix critères étaient : architecture, ingénierie/ construction, fonctionnalité énergétique, balance énergétique, confort, fonctionnement, liens avec le social, industrialisation et marchés, innovation et développement durable. «C’était une folie, Pour ce marathon de deux semaines, nous avons piloté numériquement notre prototype comme un bateau à voile, en fixant des caps. Afin d’ajuster notre stratégie en direct pour répondre à dix épreuves.»

L’intérêt de cette recherche ne se limite pas à un bilan énergétique domestique. Par exemple «Il y a une cinquième roue oubliée, ajoute Rollet, la chaîne alimentaire. Une salade, pour arriver dans un magasin, parcourt en moyenne six cents kilomètres. On propose donc une ferme en étages à côté des tours, une agriculture urbaine biologique dans des bacs de terre, une invention savoyarde. Cela fonctionne et est agréé par l’Inra. On pourrait assurer le complément alimentaire du quartier en fruits et légumes.

Retrouvez l’article complet  dans le dossier de presse 12

puce Compléments

puce Références

  1. voir l’article sur le chauffage []
  2. voir l’article : Quels matériaux pour la construction ? []
  3. Matériau conductivité thermique(l) Épaisseur e (m) résistance thermique (e/ l)  Fuite : 10 m2 20°C en une heure
    laine de roche, liège 0,045  W/m/K 0,20 m  0,20/0,045 = 4,4 m2.K/W 20*10/4,4 ~ 0,05 kWh par heure
    béton 0,92     W/m/K 0,10 m   0,1/1,1 = 0,11 m2.k/W  20*10/0,11 ~ 2 kWh par heure

    []

  4. voir l’article Moins consommer, c’est mieux []
  5. Pour une fenêtre double vitrage ayant un assez bon coefficient  Ug=1,5 W/m2/K, le flux de chaleur à travers  1 m2, pour une différence de 20 °C est de  30 Wattheures par heure []
  6. selon la norme RT 2005 []
  7. []

  8. Suivi de performance de la Maison Z.E.N, 2007-2010, http://www.cythelia.fr/documents.html []
  9. Rénovation de la tour Bois le Prêtre

    []

  10. voir le site facebook de l’équipe : http://www.facebook.com/pages/CANOPEA-Solar-Decathlon-Europe-2012-Team-Rh%C3%B4ne-Alpes/207903355924726 []
  11. Dans le journal libération, voir le dossier de presse du projet : http://www.solardecathlon.fr/?page_id=270 []
  12. site http://www.solardecathlon.fr/?page_id=270 []
  13. http://www.dailymotion.com/video/xb784p_le-puit-canadien-et-la-ventilation_tech#.UTRgxDeUKWE []
  14. http://onetonnelife.com/ un cas intéressant, car ils ont pris en compte les 3 principaux postes d’émissions de CO2 pour un ménage : alimentation, logement, déplacement []

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.

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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.

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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.

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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