Ressources Consommation Conséquences des manipulations énergétiques

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

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

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

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

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

6. Besoins, ressources impact environnemental

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

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

9. « Epuisables  et polluantes» Les ressources énergétiques non renouvelables :réserves exploitablesdurées au rythme actuel de consommation Activités énergétiques humaines : 140.1012 kWh FOSSILES pétrole : 2.1015 kWh soit 40 à 50 ans charbon : 8.1015 kWh soit 200 ans gaz naturel : 1,6.1015 kWh soit < 60 ans hydrates de méthane : >10.1015 kWh ? NUCLÉAIRE Fission (U 235): 400.1012 kWh soit 40 ans Surgénérateurs (U238): 80.1015 kWh(600 ans pour l’ensemble des besoins) Fusion(deutérium et tritium): 80.1015 à 1021 kWhQuasi-inépuisable mais encore très loin de la maturité industrielle…

10. lune marées 25 1012 kWh terre 25% convertis en surface et dans l’atmosphère 1600 1015 kWh soleil noyau 300 1012 kWh 30% directement ré-émis dans l’espace 45% : 720 1015 kWh transformés en chaleur puis rayonnés Les ressources énergétiques renouvelables (chiffres annuels) Activités énergétiques humaines : 140.1012 kWh - cycles hydrologiques (88%) 350 1015 kWh - vents, houle 32 1015 kWh - photosynthèse (0,24%) 1015 kWh

11. 140 1012 kWh  12 Gtep Croissance de la consommation globale d’énergie primaire source : Agence Internationale de l ’Energie + compl. + 2,2%/an

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

13. Croissance de la population humaine, corrélation à la consommation énergétique Besoins métaboliques : 2,5 kWh/j/personne 1 français consomme :120 kWh/j 1 américain : 250 kWh/j

14. 28 Gb = 47.1012 kWh Les ressources naturelles s’épuisent 1 baril = 1700 kWh Jacques Laherrere, www.oilcrisis.com L’uranium aussi s’épuise : Réserves raisonnablement assurées + spéculatives : 3 Mtonnes à moins de 80$/kg 4 “ “ 120 “ 4 Mtonnes = moins de 60 ans au rythme actuel (3 ans pour satisfaire l’ensemble des besoins actuels) Réserves spéculatives estimées : 12 Mtonnes

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

16. Rejets de gaz à effet de serre Consommation de carburants fossiles Rejets gazeux dus à la combustion des produits carbonés Pour produire 1 kWh électrique 20 litres d’eau chaude (+40°C) - charbon classique : 1 kg de CO2 - gaz cycle combiné : 0,38 kg de CO2 Teneur en CO2 dans l’atmosphère Pour parcourir 10 000 km en voiture : 2 tonnes de CO2 Matsuno_Japan La combustion de 1 kg de carbone dégage 3,6 kg de CO2

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

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

19. L’électricité

20. 1 2 1 0 k W h c r o i s s a n c e d e l a p r o d u c t i o n m o n d i a l e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e 3 5 15.1012kWh (15 000 TWh) 3 0 2 5 2 0 1 5 France(2003) Production : 548 TWh Consommation i ntérieure : 425 TWh + 42 TWh (« pertes et autoconso ») 1 0 5 0 , 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 3 4 6 7 9 0 1 2 5 2 9 9 9 9 9 9 0 0 9 9 0 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 L’énergie électrique : croissance mondiale de la production + 3 %/an

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

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

23. France : 1,4. 1012 kWh (110 GW) p é t r o l e 1 0 % f o s s i l e c h a r b o n h y d r a u l i q u e 9 % g a z n a t u r e l 3 6 % 5 % 1 6 % n u c l é a i r e 1 7 % h y d r a u l i q u e e t a u t r e s n u c l é a i r e 8 6 % 2 1 % 63 GW (59 réacteurs) Fossiles : 62% A partir de quelles sources primaires l’électricité est-elle produite ? Monde : 40. 1012 kWh (3200 GW) pour produire 15.1012 kWh pour produire 0,53.1012 kWh

24. Produire une électricité durable ?

25. Eoliennes : déjà plus de 39 GW (fin 2003) croissance 30 % par an 0,4% de la production mondiale d’électricité offshore Photovoltaïque : presque 3 GW installés (fin 2003) croissance de 30 % par an Encore marginal mais très prometteur au-delà de 2030 Les « nouvelles » sources renouvelables d’électricité www.windpower.org Remarque : 1 MW éolien fournit environ 2 à 4 GWh (1 an = 8760 heures) 1 MW solaire environ 0,8 à 1,5 GWh 1 MW nucléaire environ 7 GWh

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

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

28. Production éolienne d’électricité

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

30. 50.1012 kWh exploitables Humanité : 140.1012 kWh primaires et 14.1012 kWh électriques Ressources énergétiques du vent POTENTIEL mondial: Europe : 3.1012 kWh (double de la consommation électrique actuelle) Europe : potentiel offshore plus de 5.1012 kWh (5000 TWh) (triple de la consommation électrique actuelle)

31. La génération d’électricité éolienne : le plus fort taux de croissance actuel (environ 30% par an en moyenne depuis plus de 10 ans) Fin 2003 : 39,3 GW mondiaux 29 GW européens 15,2 GW Allemagne 253 MW France En 2010 ? 140 GW mondiaux 90 GW européens En 2030 ? 2700 GW mondiaux 1 W installé produit annuellement entre2000 Whet4000 Whselon les sites 6 m/s9 m/s (offshore)

32. Coût du kWh produit : Gaz hors coûts environnementaux Conditions : Vmoy 6 m/s (2000 heures) amortissement sur 20 ans (intérêts 5%/an) Pales de 39 m sur une Nordex N80 (2,5 MW) En 2003, coût d’investissement : 0,8 à 1,1 €/W (terrestre) et 1,1 à 2 €/W (offshore) Baisses de coût grâce aux effets de masse et d’échelle Taille moyenne des éoliennes 2002 > 1 MW Prévision 2030 : 2,3 c€/kWh (0,474 €/W)

33. Rapport WindForce 12 (may 2004): Prévisions mondiales : 2030 : 2700 GW – 6620 TWh prix plancher : 2,3 c€/kWh – 0,474 €/W Stagnation de la puissance installée à partir de 2038: 3238 GW – 8510 TWh Retombées économiques et environnementales: En 2020, l’éolien - fournirait 12% de l’électricité mondiale - générèrerait un CA annuel de 80 G€ - " 2,3 M emplois - éviterait 11 G tonnes de CO2

34. 2001 : Middelgründen 20 x 2 MW (2250 h/an) 4 à 8 m de fond, 3.5 km de la côte 1.1 €/W 1991 : Vindeby 11 x 450 kW Décembre 2002 : mise en service de Horns Rev 160 MW 80 x 2 MW Production annuelle prévue : 600 GWh (3750 h) 6 à 14 m de fond, 14-20 km de la côte – 1.7 €/W Depuis 1990, décollage de la production éolienne offshore Europe fin août 2004 : plus de 610 MW installés près de 4000 MW prévus en 2007

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

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

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

38. Exemples de chaînes de conversion à machine rapide : Génératrice asynchrone à deux vitesses fixes Nordex N54 1000 kW Commutation 4/6 poles, 1000/200 kW 1513 et 1014 tr/mn Turbine21,5 et 14,3 tr/mn (multiplicateur 1:70)

39. Génératrice asynchrone à double alimentation Nordex N80 2500 kW 6 pôles 700 à 1300 tr/mn (1000 +/- 300 tr/mn) Turbine10,9 à 19,1 tr/mn (multiplicateur 1:68,1) convertisseur IGBT 750 kVA Génératrice : 12 tonnes (1,6 N.m/kg)Multiplicateur : 18,5 tonnes Nacelle complète : 83 tonnes (+ 65 tonnes turbine)

40. La turbine entraîne directement la génératrice Exemples : 500 kW 30 tr/mn : 160 kN.m 4,5 MW 12 tr/mn : 3,6 MN.m Chaînes de conversion à entraînement direct Objectifs : améliorer la fiabilité, le rendement… Réduire la maintenance et le bruit Enercon

41. Assemblage : la structure mécanique représente une part importante de la masse Génératrice synchrone à grand nombre de pôles (structures annulaires) et excitation bobinée sans balais Enercon E66 1800 kW 10 à 22 tr/mn Nacelle complète : 71 tonnes (machine à multiplicateur même puissance : 60 tonnes environ)

42. Rotor à pôles saillants bobinés Enercon Rotor à aimants ABB Génératrices directes : amélioration des performances Aimants : réduction de masse d’environ 25% Génératrice à aimants 500 kW à 32 tr/mn, avec 188 pôles masse active de 2,7 tonnes (dont 125 kg d’aimants haute énergie) masse totale de 10 tonnes ( 2/3 inactifs) soit un couple massique global de 15 N.m/kg (58 N.m/kgactif). 4,5 MW à 12 tr/mn : 50 tonnes dont 13 tonnes actifs et 600 kg d’aimants.

43. Production photovoltaïque

44. Satellites Electrification des sites isolés, notamment : pompage d ’eau balises… pays en développement loisirs Production au « fil du soleil », la plus forte croissance depuis années 90 grâce à des incitations financières (tarif rachat du kWh) De façon marginale : véhicules (courses sunracers) bateaux... Applications

45. Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : 720.1015 kW.h Humanité : 135.1012 kWh primaires et 14.1012 kWh électriques Ressources énergétiques solaires Selon les régions : de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an, soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m² et une puissance crête de plus de 1 kW/m² Une grande part de cette puissance par unité de surface peut être directement et aisément convertie en chaleur, une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité

46. Générateurs photovoltaïques Monde Environ 2700 MWc installés fin 2003 moins de 30% en site isolé (total Europe 563 MW) pour une production d ’environ 3.106kWh Prévision mondiale 2030 : 1000 GW (plus de 1000 TWh) Eolien 2030 : 2700 GW – 6620 TWh production de capteurs PV Taux de croissance :  30 à 40%/an Croissance de la filière photovoltaïque • Production + installation : • environ 20 + 30 emplois/MW • (en 2030 : 10 + 25, soit 1,5 Memplois permanents)

47. Centrales de grande puissance : Exemples Hemau (Bavière) déc. 2002 4 MW (4,6 €/Wc) Systèmes photovoltaïques connectés au réseau (au fil du soleil) : Toits solaires : Allemagne, dès 1990 : 1000 toits solaires puis 100 000 Japon, dès 1994 : 70 000 toits solaires pour 2000 USA : 1 million solar roofs (MSR) pour 2010 Projet2004-2009 Portugal (Amareleja) 64 MW (3,9 €/Wc)

48. Grâce aux améliorations de rendement, à l ’accroissement de la production… le coût du watt crête (générateur photovoltaïque seul) baisse rapidement R. MESSENGER, J. VENTRE, Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, 1999. (générateur PV seul) Avec 1000 h à pleine puissance pendant 20 ans : prix du kWh (hors coût installation et électronique de puissance) élevé :  0,15 €/kWh avec équipements : x 2 et avec stockage x 3 à x 4 : 0,3 à 0,6 €/kWh

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

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