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HAL Id: cel-01246815 https://cel.archives-ouvertes.fr/cel-01246815v2 Submitted on 27 Dec 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Energétique électrique Bernard Multon To cite this version: Bernard Multon. Energétique électrique. Master. Bruz, France. 2017, 163 (environ 320 diapositives). cel-01246815v2 B. Multon ENS de Rennes 1 Généralités sur l’énergie, conversions en électricité (ce diaporama) Aérogénérateurs électriques (diaporama 2) Génération photovoltaïque (diaporama 3) Stockage d’énergie électrique (diaporama 4) M2 ISC parcours enseignement Agrégation SII option Ingénierie Electrique 2017-2018 Bernard MULTON Département de Mécatronique - Ecole Normale Supérieure de Rennes Energétique électrique Energétique électrique Diaporama 1/4 B. Multon ENS de Rennes 2 Unités d’énergie Système international : le joule J Facture d’électricité : le kilowattheure kWh 1 kWh = 3600 000 J = 3,6 106J (MJ) Carburants : tonne équivalent pétrole tep 1 tep kWh Notation en puissance de 10 k kilo = 1000 = 103 M méga = 1000 000 = 106 G giga = 109 T téra = 1012 P péta = 1015 E exa = 1018 (attention 1 TWh = 1012 Wh et bien 109 kWh) 10 Gtep 116 000 TWh 420 EJ B. Multon ENS de Rennes 3 Bilan de quelques équivalences entre unités Valeurs énergétiques moyennes PCI/PCS de combustibles (sauf pour l’uranium, réaction de fission) Uranium natur. (fission) 120 000 kWh/kg Gaz Naturel 13,8/15,3 kWh/kg Hydrogène 34/39 kWh/kg Charbon 7 à 9 / 9 à 10 kWh/kg Fuel 11,6/12,4 kWh/kg Bois 2 à 4 kWh/kg Essence 12,4/13,4 kWh/kg Bagasse 2,2 kWh/kg GPL : Propane Butane 12,8/13,8 kWh/kg 12,7/13,7 Ordures ménagères 0,3 à 0,5 kWh/kg PCI = pouvoir calorifique inférieur (lower heating value: LHV) PCS = pouvoir calorifique supérieur (higher heating value : HHV) 1 Wh = 3600 J (1 kWh = 3,6 MJ) 1 tep  11 600 kWh (1 Gtep  11 600 TWh) 1 tep  41,7 GJ (1 Gtep  41,7 EJ) 1 baril (159 l ou 140 kg)  1700 kWh 1 BTU (British Thermal Unit)  252 cal  1050 J 1 quad BTU : 1015BTU  290 TWh  25 Mtep 1 BTU = énergie pour accroître de 1°F une livre (pound, 453 grammes) d’eau B. Multon ENS de Rennes 4 Des ressources primaires aux services énergétiques Ressources primaires disponible dans la nature Non renouvelables fossiles (charbons, pétroles, gaz naturel), fissiles (uranium, thorium) Renouvelables rayonnement solaire et sous-produits : hydro, vent, houle, biomasse chaleur géothermique interaction gravitationnelle terre-lune-soleil (marées) Energie finale Commercialisable, directement utilisable Combustibles liquides essence, gasoil, kérosène, éthanol, biodiesel… Combustibles gazeux gaz naturel livré au compteur, biogaz, hydrogène… Combustibles solides charbon conditionné, plaquettes et granulés de bois Chaleur (distribuée dans les réseaux de chaleur) Electricité Livrée au compteur (BT ou HT) Services énergétiques Éclairage Froid Chaleur (basse et haute températures) Mobilité (terrestre, navale, aérienne) Force motrice (ventilation, pompage, divers processus…) Processus Industriels Traitement de l’information Etc… Pertes de transformation, de distribution… Pertes de conversion B. Multon ENS de Rennes 5 Bilan énergétique mondial : décryptage et place de l’électricité (année 2015) Source des données :Agence Internationale de l’énergie > 60 000 TWh (40%) prélevés pour produire: 24 400 TWhe d’électricité primaire (en sortie des centrales) Total 13,65 Gtep (158 000 TWhp) Finale 20 100 TWhe d’électricité finale (livrée aux compteurs) Primaire pour commercialiser : Renouvelables 14% Total 9,38 Gtep (109 000 TWh) « Vraie » part du nucléaire : 4,9 % de l’énergie primaire 1,9 % de l’énergie finale car 10,5% de l’électricité est d’origine nucléaire (10,5% * 18,5%=1,9%) Non renouvelables 86% (Uranium) +1,7%/an (moyenne 2005-2015 ralentissement) La part de l’électricité (finale) croit : < 3% en 1940 -> 24% en 2030 ? +3%/an (moyenne 2005-2015) B. Multon ENS de Rennes 6 Evolution de la consommation d’énergie primaire par source en 2015 Moyennes sur 10 ans (2005-2015) Source des données : Agence Internationale de l’énergie Moyenne renouvelables : 2,5%/an EnR : 1,45 à 1,86 Gtep + 1,7%/an (en diminution) + 0,6% + 2,2% + 2,9% - 0,7% + 2,9% + 1,4% + 13,5% Moyenne non renouvelables : 1,6%/an (en diminution) NR : 10 à 11,8 Gtep Données incluant la consommation non énergétique : 0,84 Mtep (6% de la consommation primaire totale) B. Multon ENS de Rennes 7 Evolution de la consommation d’énergie finale par forme en 2015 Moyennes sur 10 ans (2005-2015) Source des données : Agence Internationale de l’énergie + 1,7%/an + 1,1% + 1,3% + 0,3% + 3% + 4,7% + 1,1% 3,84 Gtep (40,9%) 1,4 Gtep (14,9%) 1,05 Gtep (11,2%) 1,74 Gtep (18,5%) 1,04 Gtep (11,1%) 0,31 Gtep (3,3%) 8 Source http://www.developpement-durable.gouv.fr/ Chiffres clés de l’énergie en France - rapport annuel fév.. 2017 Électricité 22,9% L’énergie nucléaire satisfait environ 16,7% des besoins français 43,7% de la conso primaire Bilan énergétique de la France en 2015 64 TWh 431 TWh dont 314 TWhnucl (27,1 Mtep) B. Multon ENS de Rennes 9 Rendement en « production » d’énergie finale Exemple 1 : à partir d’un combustible non renouvelable (procédé thermodynamique) Rendement : entre 30% (nucléaire) et 60% (cycles combinés : combustion + vapeur) Pour « produire » 1 kWh électrique (kWhe) avec un rendement de 30%, on « consomme » 3,3 kWh (kWhpci) de combustible Si l’énergie entrante est non renouvelable, un mauvais rendement est associé à une dégradation irréversible (non renouv.) de matières premières énergétiques Exemple 2 : à partir d’une ressource renouvelable Cas d’un générateur photovoltaïque : rendement entre 8% et 30% Si l’énergie entrante est renouvelable, un « mauvais » rendement a des conséquences totalement différentes : - plus d’espace occupé - convertisseur plus gros… Mais l’optimum de rendement doit être évalué sur cycle de vie, en incluant la disponibilité des matières premières B. Multon ENS de Rennes 10 Demande énergétique (toutes formes) et ressources non renouvelables et renouvelables B. Multon ENS de Rennes 11 Les besoins en énergie des Hommes Transports (personnes et biens) : Travail mécanique agricole, industriel Process divers de l’industrie Eclairage Traitement de l’information Divers Cuisson Chauffage Froid très dépendants du climat B. Multon ENS de Rennes 12 Les grands secteurs consommateurs d’énergie finale au niveau mondial En France : Transports : 33% Industrie : 19% Résidentiel + tertiaire : 45% Agriculture : 3% B. Multon ENS de Rennes 13 Consommation d’énergie finale et tep par hab. types d’énergie, selon niveau de richesse Source : Internat. Energy Agency, Energy Access Outlook 2017 – From powerty to prosperity, oct. 2017 B. Multon ENS de Rennes 14 Les sources historiques Le FEU à partir du BOIS ou d’huile : il a servi à presque tout. La FORCE ANIMALE (bœufs, chevaux, chiens, dromadaires...) L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...) Le VENT (pompes, moulins...) Les COMBUSTIBLES FOSSILES AV J.C. Chine : forages pétrole, XIIIè siècle : charbon, début 1800 : gaz de houille, 1930 : gaz naturel L’accès à une forme d’énergie abondante a accéléré violemment le développement de l’humanité (1 à 7 milliards hab. en 200 ans) B. Multon ENS de Rennes 15 Evolution la population humaine sur la terre : Besoins métaboliques (nourriture) : 3,5 kWh/jour/personne Consommation énergétique des activités humaines : Energie primaire, par habitant : (énergie commerciale, hors biens importés) Moyenne mondiale : 60 kWhp/j Africain subsaharien : 10 kWhp/j US américain : 250 kWhp/j Français : 130 kWhp/j Source image : auteur B. Multon ENS de Rennes 16 Ressources en matières premières énergétiques non renouvelables RAYONNEMENT SOLAIRE AU SOL : 100 000 Gtep… par an ! COMBUSTIBLES FOSSILES (charbon, pétrole, gaz naturel) : entre 2000 et 5000 Gtep (400 à 600 pétrole – 250 gaz – 3500 charbons) (Réserves prouvées 1000 Gtep (240 pétrole, 170 gaz, 650 charbons) URANIUM FISSILE : environ 150 Gtep (avec réacteurs actuels) (Réserves estimées < 60 Gtep) Attention : Ressources = quantités totales estimées en stock dans la nature Réserves < ressources = quantités prouvées ou identifiées accessibles techniquement et économiquement B. Multon ENS de Rennes 17 Réserves de pétrole : un problème de coût Pétroles bon marchés : réserves < 400 Gtep Pétroles chers réserves < 770 Gtep B. Multon ENS de Rennes 18 Source : BP Statistical review 2017 Charbon : évolution du rapport R/P 153 ans La consommation de charbon diminue… B. Multon ENS de Rennes 19 Source : BP Statistical review 2017 Pétrole : évolution du rapport R/P (années) 51 ans B. Multon ENS de Rennes 20 Source : BP Statistical review 2017 Gaz : évolution du rapport R/P 52 ans B. Multon ENS de Rennes 21 Source : BP Statistical review 2016 Combustibles fossiles : bilan du rapport R/P CIS = CEI communauté des états indépendants (ex. URSS) B. Multon ENS de Rennes 22 « Pic de Hubbert » L’uranium aussi s’épuise : Réserves raisonnablement assurées + spéculatives uploads/s1/ energi-electrique.pdf