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Efficacité énergétique Ce module « Efficacité énergétique » de 4h (diaporama et

Efficacité énergétique Ce module « Efficacité énergétique » de 4h (diaporama et exercices corrigés à faire en dehors de la classe) s'inscrit dans l’unité d'enseignement Ingénierie des Systèmes en Master Ingénierie des Systèmes Complexes, parcours enseignement (en tronc commun de la préparation à l’agrégation de Sciences Industrielles de l’Ingénieur) à l'école normale supérieure de Rennes. Plan du diaporama : Introduction à l'énergie : unités physiques, exemples de conversion, définitions des énergies primaire et finale, bilan énergétique mondial, définitions de l’efficacité énergétique et des rendements, puissance et énergie. Notions de rendement : possibilités et limites de conversion, production de chaleur, machines thermodynamiques (moteurs, production de froid et pompes à chaleurs, rendement exergétique), conversions mécaniques et électriques. Rendements instantané (en puissance) et sur cycle (en énergie). Émissions de gaz à effet de serre : émissions de CO2, rejets de GES associés à la production d’électricité et de carburants. Procédés énergétiques et leur efficacité : analyse de la consommation française d’énergie finale, vision globale du convertisseur d’énergie au système énergétique et à son usage (cas de l’éclairage), consommation de l’industrie, les moteurs électriques et l’apport de la vitesse variable, les bâtiments, les alimentations électroniques, les transports. Réglementation en matière d’efficacité énergétique : engagements de la France (plan Climat), évolution des émissions des automobiles (théorie et réalité), étiquetages énergétiques (automobiles, bâtiments, électroménager…), certificats d’économie d’énergie. Conclusion et règles de base en matière d’efficacité énergétique. Exercices (avec corrigés) : 1‐ Généralités et analyse de données énergétiques 2‐ Rendements d’un onduleur photovoltaïque 3‐ Amélioration de l’efficacité énergétique du secteur du bâtiment 4‐ Emissions polluantes Problème (avec corrigé) : Fondamentaux de transferts énergétiques, analogies. Charge d’un condensateur par source de tension puis par source de courant Charge mécanique inertielle entraînée par une chaîne réversible B. Multon ENS Rennes 1 1 Énergie et puissance Rendements de conversion Émissions polluantes (GES…) Procédés énergétiques et leur efficacité Réglementation en matière d’efficacité énergétique Conclusion Efficacité énergétique Bernard MULTON Département de Mécatronique - École Normale Supérieure de Rennes Master ISC parcours enseignement (M2) Agrégation SII (tronc commun) UE Ingénierie des systèmes 2017-2018 B. Multon ENS Rennes 2 Énergie et puissance Rendements de conversion Émissions polluantes (GES…) Procédés énergétiques et leur efficacité Réglementation en matière d’efficacité énergétique Conclusion B. Multon ENS Rennes 3 Unités d’énergie Système international : le joule J 1 J = 1 newton x 1m = 1 volt x 1 ampère x 1 seconde = 1 V x 1 coulomb (6,2.1018 électrons) 1 calorie = 4,18 J (+ 1°C un gramme d’eau) Électricité : le kilowatt.heure kWh 1 kWh = 3600 000 J = 3,6 MJ Carburants : la tonne équivalent pétrole tep 1 tep <=> 11 600 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 donc : 109 kWh) B. Multon ENS Rennes 4 Chimique : La combustion de 1 m3 de méthane dégage environ 40 MJ (modification des liaisons moléculaires) Wikimedia commons Energie : quelques exemples de conversions Chaleur : Il faut 4180 J pour accroître de 1°C la température d’1 kg d’eau E = c.M.T 4180 J/kg/°C 1 °C 1 kg Nucléaire : La désintégration complète d’1 gramme de matière libèrerait 90 000 GJ E = m.c2 0,001 kg c = 3 108m/s La fission d’1 gramme d’uranium naturel libère 400 MJ Source : laradioactivite.com La fusion d’1 gramme de deutérium-tritium (modification des liaisons des noyaux) libère 340 GJ B. Multon ENS Rennes 5 Travail mécanique : il faut 4000 J pour élever de 4 m une masse d’environ 100 kg, dans un champ de pesanteur à 10 m/s², opposant donc une force résistante de 1000 N (newtons) Rayonnement électromagnétique : sous un flux solaire terrestre « normal » (1 kW/m²), une surface noire de 4 m² capte, en une seconde : 4000 J E = F.d 1000 N 4 m Des lois idéales de l’énergétique permettraient de réaliser toute ces transformations d’une forme à l’autre, mais certaines sont possibles, d’autres pas… Electricité : Un courant de 1 ampère sous une tension de 1,2 volts durant 3300 secondes convertit 4000 J E = U.I.t 1,2 V 3300 s 1 A Exemples (suite) B. Multon ENS Rennes 6 Des transformations stellaires aux conversions d’énergie terrestres… Stock de matière (hydrogène stellaire) : Fusion nucléaire d’hydrogène dans les étoiles => chaleur chaleur => rayonnement électromagnétique (visible ou non) (Flux) Rayonnement électromagnétique => photosynthèse de molécules organiques => biomasse, hydrocarbures fossiles (Stocks) Combustion (réaction chimique) => chaleur chaleur => énergie mécanique Flux ou stocks d’énergie peuvent se transformer pour rendre des services B. Multon ENS Rennes 7 Energies primaire, finale et utile : définitions Primaire = disponible à l’état brut dans la nature 2 catégories : Stocks non renouvelables fossiles et fissiles Flux renouvelables soleil, géothermie Finale = commercialisée directement utilisable dans les convertisseurs (combustibles, électricité, chaleur) Utile = service rendu éclairage, mobilité, froid… Source : négaWatt Vecteur = moyen de transport (réseaux) B. Multon ENS Rennes 8 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) +3%/an (moyenne 2005-2015) B. Multon ENS Rennes 9 Définitions Efficacité énergétique (energy efficiency) : Minimisation de la consommation d’énergie pour assurer un service Objectifs économiques, sociaux et environnementaux dans une logique, non dite, de soutenabilité Rendement énergétique (energy conversion efficiency) : Rapport de l’énergie « utile » (ou « produite » par un convertisseur d’énergie) sur l’énergie « absorbée » (ou « consommée ») Exemples de services : - déplacement en kilomètres - éclairement en lumens (lux.m²) - chauffage : m² à une certaine température… Exemples de convertisseurs : - moteur (électrique, thermique…) - lampe - chaudière… Source : Honda B. Multon ENS Rennes 10 Du rendement à l’efficacité énergétique Pour assurer un service, il y a nécessairement des transformations donc une dépense d’énergie Dans la plupart des cas, nos services « consomment » de l’ « énergie finale » (directement consommable) D’où les dénominations de « producteurs » d’énergie (en fait, finale) et de « consommateurs » d’énergie finale Mais, dans tous les cas, on a à faire à des transformations énergétiques Cependant, il est pertinent de distinguer l’efficacité de : - de la production d’énergie finale à partir de ressources primaires - de la consommation d’énergie finale pour la transformer en service Wikimedia commons elle-même « produite » à partir de « ressources primaires » B. Multon ENS Rennes 11 Du rendement à l’efficacité énergétique Au sein de ces procédés, il y a un ou plusieurs « convertisseurs » d’énergie Service 1 : produire de l’électricité à partir de combustibles non renouvelables (fossiles ou fissiles) - extraction minière => machines équipées de moteurs - transformation des matières premières => procédés industriels eux-mêmes exploitants divers convertisseurs - transport, raffinage pour obtenir un combustible de « qualité »… - conversion finale du combustible en électricité : brûleurs, turbines, générateurs, transformateurs… Service 2 : parcourir des km avec une automobile - fabrication de l’automobile (puis recyclage en fin de vie)… - consommation d’énergie finale dans le moteur du véhicule, liée à sa taille et à la façon de le conduire… Les questions de rendement énergétique des convertisseurs sont centrales B. Multon ENS Rennes 12 Diagramme de Sankey Monde 2005 de l’énergie primaire à l’énergie utile Primaire Finale Utile 11,4 Gtep 1,3 Gtep « utiles ») Un rendement global de 11,6% donc un immense potentiel d’économies... B. Multon ENS Rennes 13 Puissance et énergie La puissance P, c’est le débit de la conversion d’énergie E : P en watts (W) et E en joules (J) t en secondes (s) -- en kilowatts (kW) et --- en kilowattheures (kWh) -- en heures (h) La puissance est donc une caractéristique du convertisseur d’énergie : Un brûleur de 20 kW peut transformer un combustible en chaleur deux fois plus vite qu’un brûleur de 10 kW Un moteur électrique de 20 kW peut transformer de l’électricité en travail mécanique deux fois plus vite qu’un moteur de 10 kW… Vouloir réaliser plus vite des services énergétiques conduit à des convertisseurs plus gros, plus chers et nécessitant plus de matières premières et d’énergie grise. d t d E P  B. Multon ENS Rennes 14 Énergie et puissance Rendements de conversion Émissions polluantes (GES…) Procédés énergétiques et leur efficacité Réglementation en matière d’efficacité énergétique Conclusion B. Multon ENS Rennes 15 Exemples : forme entrante forme sortante carburant chaleur (combustion) carburant mécanique (moteur à combustion) rayonnement solaire électricité (photovoltaïque) électricité mécanique uploads/Industriel/ efficaciteenergetique-multon.pdf