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Etude et analyse des systèmes énergétiques Cours enseigné par le Prof. Edgard G

Etude et analyse des systèmes énergétiques Cours enseigné par le Prof. Edgard Gnansounou EPFL, Génie Civil 2011 Nguyen Ha-Phong Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 1 Table des matières générale Résumé .....................................................................................................................................................2 Cours n°1 ..................................................................................................................................................3 Cours n°2 ............................................................................................................................................... 14 Cours n°3 ............................................................................................................................................... 26 Cours n°4 ............................................................................................................................................... 39 Cours n°5 ............................................................................................................................................... 44 Cours n°6 ............................................................................................................................................... 79 Cours n°7 ............................................................................................................................................. 104 Cours n°8 ............................................................................................................................................. 121 Bibliographie normalisée.................................................................................................................... 173 Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 2 Résumé Ce dossier a pour objectif d’approfondir les notions fondamentales de l'énergie afin d’acquérir les capacités de jugement sur son utilisation, et déterminer le rôle de l'énergie pour un développement socio-économique durable. Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 3 Cours n°1 Qu’est-ce l’énergie ...................................................................................................................................4 Problèmes en relation avec l’énergie......................................................................................................5 Systèmes énergétiques ............................................................................................................................5 Exercice ....................................................................................................................................................6 Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 4 Qu’est-ce l’énergie Sur terre, nous disposons d’une multitude d’agent énergétique de qualité différente. On entend par le terme ‘agent énergétique’ toute les sources d’énergie primaire qui peuvent être utilisé pour satisfaire les besoins du consommateur. Parmi ces agents énergétiques, on distingue les énergies renouvelables des énergies non renouvelables. Nous verrons plus tard dans ce cours la signification plus approfondies de ces deux termes. Avant d’aller plus loin, il me semble utile d’expliquer certain terme pour éviter toute confusion. Le cycle de l’énergie est le suivant :  Energie primaire. Il s’agit d’énergie que l’on prélève de l’environnement physique naturel (sol, atmosphère, espace). Ce sont par exemple le pétrole, le charbon, le gaz naturel, le bois, etc.  Energie secondaire. Il s’agit de l’énergie qui provient de la transformation d’énergie primaire. Ce processus est nécessaire pour pouvoir utiliser l’énergie dans les machines et les installations. Les énergies secondaires sont par exemple l’électricité avant le transport, les produits de raffinage du pétrole, etc. Lors de la transformation, il y a toujours une part d’énergie qui se dégrade et qui n’est pas utilisé. On l’appelle la perte énergétique.  Energie finale. On parle aussi d’énergie distribué. Il s’agit de l’énergie qui est vendu au consommateur. Ce sont par exemple le gaz naturel à l’entrée dans la chaudière, l’énergie électrique mesurée par le compteur électrique, etc.  Energie utile. Il s’agit de l’énergie finale transformée chez le consommateur. Celle-ci lui permet de satisfaire ses besoins. Par exemple la température du salon, le niveau d’éclairement, etc. Différents scénario basés sur l’efficacité énergétique et les données socio-économiques sont ensuite établi afin de prévoir l’évolution de la demande à moyen et long terme et d’estimer les besoins en énergie des consommateurs. Ces différents scénarios sont :  Tendanciel, c.à.d. où la futur demande d’énergie évolue de manière quasi semblable aux tendances observées jusqu’à maintenant. Dans ce cas, aucune nouvelle politique n’est adoptée.  Haut, c.à.d. où la futur demande en énergie connaît une forte augmentation.  Bas, c.à.d. où la futur demande en énergie connaît une augmentation raisonnable. Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 5 Problèmes en relation avec l’énergie Tout au long de ce cours, nous allons tenter de répondre aux diverses problématiques liées à l’énergie. En voici les principaux.  Demande d’énergie : quantité, évolution, consommateurs (dépend du stade de développement économique. Par exemple Cameroun (subsistance) ≠Mexique (développement) ≠France (masse)).  Offre d’énergie : disponibilité, organisation, distribution, objectif à atteindre.  Prix : évolution, statut offre-demande.  Evaluation économique d’un projet d’investissement : rentabilité, facteurs influençant, incertitudes.  Performance technique de l’approvisionnement énergétique : étape de transformation, rendement.  Performance d’un secteur énergétique : facteurs influençant.  Performance d’un secteur de consommation : facteurs influençant.  Impact sur l’environnement : évaluation, mesure, solution.  Impact de l’approvisionnement énergétique sur le développement économique : rôle, mesure.  Marché énergétique : organisation, participant, prix, incertitude.  Régulation : règlement, moyen, pénalité. Systèmes énergétiques Définition : toute installation ou ensemble d’installations intervenant dans la chaine de transformation-distribution-utilisation de l’énergie dans un contexte donnée (pays, agglomération, usine, etc.). 1 Filière énergétique : ensemble des installations de conversion/transformation intervenant dans la chaîne énergétique donné. 1 Ci-contre la représentation de la filière d’approvisionnement de l’énergie électrique. 1 Système énergétique, Gérard Sarlos, Pierre-André Haldi, Pierre Verstraete. Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 6 3% 11% 5% 1% 16% 29% 11% 23% 1% 0% Consommation brute d'énergie 2010 Bois et charbon de bois Force hydraulique Ordures ménagères et déchets industriels Charbon Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Autres énergies renouvelables Exercice 1) La statistique globale suisse de l’énergie 2010 indique que la consommation brute d’énergie était de 1'187’850TJ. a) Sur la base des informations fournies par ce document, préciser la structure de cette consommation. b) S’agit-il d’une énergie primaire, secondaire, finale ou d’un autre type d’énergie ? a) Tout d’abord, définissons ce qu’est la consommation brute d’énergie. Il s’agit de la somme de la production indigène, de l’excédent des importations et des variations de stock. La structure de la consommation brute d’énergie pour 2010 est la suivante (en TJ): Bois et charbon de bois 3.4% 39930 Force hydraulique 11.3% 134820 Ordures ménagères et déchets industriels 4.6% 54640 Charbon 0.5% 6420 Pétrole brut 16.3% 194040 Produits pétroliers 28.5% 338450 Gaz 10.6% 126010 Combustibles nucléaires 23.1% 274960 Autres énergies renouvelables 1.4% 16710 Electricité solde import/export 0.2% 1870 Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 7 Nous remarquons que la consommation d’énergie brute en 2010 provient pour 45% des ressources pétrolières. Viens ensuite les combustibles nucléaires avec 23% suivit du gaz et des ressources hydrauliques (11%). Si nous regroupons ces différentes ressources en énergie renouvelable et non renouvelable, on obtient le graphique suivant. Ces chiffres sont tirés du bilan des énergies renouvelables en Suisse pour 2010 (TJ). Energies renouvelables 210034 Energies non renouvelables 977816 On remarque donc que la consommation brute d’énergie en Suisse est principalement issue des ressources non renouvelables. Intéressons-nous maintenant à la répartition de la consommation finale d’énergie en 2010 selon les différents groupes de consommateurs. Comme on s’en doutait, la mobilité qui est en constante augmentation représente le secteur le plus consommateur d’énergie. 18% 82% Part d'énergie renouvelable/non renouvelable dans la consommation brute 2010 Energies renouvelables Energies non renouvelables 34% 30% 19% 16% 1% Part en 2010 des quatre secteurs en % Transports Ménages Industries Services Différence statistique y compris l’agriculture Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 8 b) Pour répondre à cette question, on reprend les données sur les consommations brutes en TJ issues du bilan énergétique de la Suisse pour 2010. Nous mettons en vert les énergies primaires. Bois et charbon de bois 3.4% 39930 Force hydraulique 11.3% 134820 Ordures ménagères et déchets industriels 4.6% 54640 Charbon 0.5% 6420 Pétrole brut 16.3% 194040 Produits pétroliers 28.5% 338450 Gaz 10.6% 126010 Combustibles nucléaires 23.1% 274960 Autres énergies renouvelables 1.4% 16710 Electricité solde import/export 0.2% 1870 On voit que la part des énergies primaire représente environ 55% de la consommation brute totale. 2) Sur la base des informations fournies dans le slide 1.12, on peut noter le changement significatif de la structure de l’offre mondiale d’énergie primaire entre 1973 et 2008. a) Identifier les principaux changements intervenus b) Quelles peuvent être les principales raisons de ces changements ? a) En premier lieu, on peut dire que l’offre mondiale d’énergie totale a environ doublé entre 1973 et 2008. On remarque aussi que tout augmente de façon relative mis à part le pétrole. Celui-ci ne représente plus que 33.2% en 2008 contre 46.1% en 1973. Le charbon, le gaz et le nucléaire sont les énergies primaires qui ont augmenté le plus rapidement entre 1973 et 2008. Nous allons tenter d’expliquer ces changements au point b). b) La part relatif du charbon a augmenté entre 1973 et 2008. Ceci peut s’expliquer par la montée en puissance des pays émergents qui convoitent ce type d’énergie pour leurs développements. Ils s’en servent principalement dans leurs centrales thermiques pour produire l’électricité dont ils ont besoin. D’autres pays disposant d’importantes Etude et analyse des systèmes énergétiques Génie civil – 2011 Nguyen Ha-Phong Page 9 ressources en charbon (Allemagne, Chine) s’en servent pour promouvoir leurs indépendances énergétiques. Le nucléaire connaît aussi une augmentation relative importante. Ceci s’explique par les nombreux progrès techniques concernant le sujet. Le nucléaire est surtout utilisé pour la production d’électricité grâce à son faible coût de production. Prenons l’exemple de la France où le nucléaire produit plus de ¾ de l’électricité. Cela a eu pour conséquences :  L’indépendance énergétique. La France ne doit plus importer d’importante quantité de combustibles fossiles pour produire son électricité.  Electricité bon marché : moins cher que celle produite à partir du charbon ou du gaz.  Le nucléaire a permis à la France d’exporter de l’énergie. Le gaz a connu une forte augmentation également. Ceci s’explique par une augmentation des réseaux de distribution qui permet de faciliter son acheminement uploads/Management/ etude-et-analyse-des-systemes-energetique.pdf