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Bernard MULTON Dpt Mécatronique, Labo SATIE UMR CNRS-ENS Cachan 8029 Production

Bernard MULTON Dpt Mécatronique, Labo SATIE UMR CNRS-ENS Cachan 8029 Production d'électricité à partir des Production d'électricité à partir des ressources renouvelables : ressources renouvelables : solutions et travaux de recherche solutions et travaux de recherche Conférence « Science et société » Nucléaire et renouvelables : quelles solutions énergétiques pour le futur ? ENS Cachan 13 mars 2008 Croissance de la consommation humaine mondiale d’énergie primaire Actuellement > 3 % / an (3,7% pour 2005/2004) Référence : + 2,6%/an 140 1012 kWh ≅12 Gtep Renouvelables : < 13 % Source : AIE Durant, le 20ème siècle, prise de conscience planétaire : - nos ressources sont limitées, notamment celles en énergie - nous perturbons fortement notre environnement COMBUSTIBLES FOSSILES charbon, pétrole, gaz naturel Ressources « épuisables » (non renouvelables) COMBUSTIBLES FISSILES uranium Pétrole, gaz, charbon, uranium… épuisés avant 2100 Les activités énergétiques sont parmi les plus coûteuses pour l’environnement Limite : 11 milliards d’hectares biologiquement productifs Impact des activités énergétiques > 50% Empreinte écologique de l’ensemble des activités humaines noyau noyau terre terre 2 Eh Ressources renouvelables (chiffres annuels) soleil soleil 12 000 Eh 30% directement ré-émis dans l’espace lune lune 0,2 Eh marées 45% : 6000 Eh transformés en chaleur puis rayonnés 25% convertis en surface et dans l’atmosphère 3000 Eh Cycles hydrologiques (eau, vent houle) Photosynthèse ≅7 Eh Valeur de référence : activités énergétiques humaines Eh ≅140.1012 kWh manteau manteau Le potentiel global Le potentiel global Ressources Renouvelables Ressources Renouvelables « « interceptable interceptable » à la surface du globe représente » à la surface du globe représente plus plus de 8000 fois la consommation humaine de 8000 fois la consommation humaine ! ! Quelques ordres de grandeurs : - Avec 10% de rendement, cette surface permettrait de satisfaire les besoins actuel en énergie primaire de l’humanité : Des ressources immenses, inépuisables à notre échelle, Des ressources immenses, inépuisables à notre échelle, mais peu concentrées et souvent intermittentes mais peu concentrées et souvent intermittentes - Energie éolienne exploitable : plusieurs fois la consommation électrique mondiale Source : Ph. Malbranche CEA-INES (2006) Possibilités de transformation des ressources renouvelables en : - carburants - chaleur - électricité Diversité Diversité des besoins énergétiques des besoins énergétiques Résidentiel, tertiaire Industrie Transports Etc… Des spécificités fortes Une Une grande diversité grande diversité de ressources renouvelables exploitables : de ressources renouvelables exploitables : optimisations économique et environnementale liées au optimisations économique et environnementale liées au spécificités locales spécificités locales Ensoleillement : presque partout suffisamment abondant Source : http://re.jrc.ec.europa.eu/solarec/ Cas de la France (900 à 1700 kWh/m²) ordres de grandeurs : Toitures seules : environ 1200 km² soit 1,2 1012 kWh solaires (primaires) annuels accessibles - Besoins eau chaude sanitaire : 80 109 kWh Avec η annuel de 50% : 13% des toitures nécessaires (déjà environ 700 000 m² installés, environ 0,35 109 kWh) Métrople : 540 000 km² soit plus de 540 1012 kWh rayonnés annuellement 170 fois la consommation primaire française d’énergie - Electricité spécifique : 90 109 kWhe Avec η annuel de 10% : 75% des toitures nécessaires Diversité Diversité des ressources renouvelables exploitables des ressources renouvelables exploitables Biomasse Cours d’eau… - 30 Mha cultivés, il faudrait 20 Mha pour produire, en agrocarburants 1ère génération, les 40 Mtep actuellement « brûlées » dans les transports… - 14 Mha de forêts pour 10 Mtep de combustibles solides Vent Houle Courants de marée Géothermie Environ 80 109 kWhe annuels (besoins industrie : 130 TWh Éclairage public : 6 TWh Tertiaire + résidentiel spécifique : 90 TWh) Potentiel très élevé surtout en offshore : > 400 109 kWhe Chaleur « basse température »: déjà 2 109 kWh Cas de la France (suite) L’électricité L’électricité L’énergie électrique : croissance de la production Actuellement : > + 4 %/an (4,8% pour 2005/2004) 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 croissance de la production mondiale d'énergie électrique 5 10 20 25 30 35 0,12 15 10 kWh 12 18 000 TWh (18 1012kWh) Production mondiale d’énergie électrique par source (2005) 81,6 % de l’électricité mondiale est d’origine non renouvelable 18 235 TWh en 2005 (+ 4,8% / 2004) dont 3355 TWh renouvelables (+ 6,2% / 2004) Charbon : 40,3% Gaz : 19,7% Pétrole : 6,6% ≅1% en 2007 Source : Observ’ER Production mondiale d’énergie électrique renouvelable (2005) Source : Observ’ER 3355 TWh (+ 6,2% / 2004) Pour produire 1 kWh électrique (par exemple : 20 litres d’eau chaude de +40°C) - charbon vapeur : 1 kg de CO2 Rejets de gaz à effet de serre par kWh électrique La combustion de 1 kg de carbone dégage 3,6 kg de CO2 Source : IFP - gaz cycle combiné : 0,36 kg de CO2 η (%) kg CO2 /kWh La production d’électricité consomme le tiers de l’énergie primaire mondiale et rejette plus de 40% du CO2 d’origine anthropique Rejets de carbone dus à la production d’électricité investissement énergétique compris + combustible éventuel Part due au combustible 270 g eqC = 970 g eq CO2 + corrections récentes Production d’électricité Production d’électricité d’origine renouvelable : d’origine renouvelable : quelques exemples quelques exemples Problème : cyclage thermique dû aux passages nuageux et aux cycles journaliers Solutions : hybridation avec brûleur gaz Centrales à tour : champ d’héliostats + turbine à vapeur Thémis (1982 Pyrénées, France) 1,8 MWe miroirs 11 800 m² Rapport 5ème PCRD et/ou Stockage de la chaleur (jusqu’à qq 10 h) Dans PS10 : 20 MWh (50 min à ½ puissance) Génération thermodynamique solaire PS10 (Espagne, près de Séville) 35 M€ 11 MWe (624 miroirs de 120 m²) 23 GWh/an www.solarpaces.org/ Usines à auges (miroirs cylindro-paraboliques) Kramer Junction Power (Californie, désert du Mojave) (9 usines pour 354 MW cumulés) ANDASOL 1 (Espagne, 2008) : 50 MW + stockage 6 h Source : Monash Univers. (Australie) Orientation Est-Ouest + rotation Facteur concentration : 80 Centrales à tour et à miroirs cylindro-paraboliques : 5 GWe envisagés pour 2015 Exemple Labo PROMES (Odeillo France) : Générateur Stirling 10 kWe avec capteur parabolique de 8,5 m de diamètre facteur concentration : 2500 50 m² = 50 kW avec 1 kW/m² crête soit un rendement global de 18% Concentrateur parabolique + Moteur Stirling Source : PROMES CNRS Aérogénération 1ère ferme off-shore (1991) Danemark 11 x 450kW Environ 94 GW installés fin 2007, croissance + 27% par rapport à 2006 1 % de la production mondiale Très fort potentiel encore peu exploité en off-shore (environ 1 GW) Prévisions mondiales : 2020 : 12% de l’électricité mondiale à partir de 2038 : stagnation de la puissance 3238 GW – 8510 TWh Horns Rev (Danemark 2002) : 80 éoliennes de 2 MW Tendances Vitesse variable Entraînements directs Génératrices à aimants Source : Jeumont Industrie Source : European Wind Energy Report Europe 2005 Un précurseur : Jeumont Industrie… Accroissement de taille et de puissance A380 La houle : du « vent concentré » Exploitation encore marginale, travaux en cours Exemple : Hs = 2 m T = 9 s Pw = 35 kW/m (monochromatique) 15 kW/m (aléatoire) T . H . . 32 g . P 2 s 2 w π ρ ≅ Puissance incidente en watts par mètre de front de vague : (houle monochromatique) Caractérisation de la ressource Exemple Ile d’Yeu sur 1 an Houlogénération Source : T. Lewis, Univ. Cork Source : Thèse A. BABARIT, EC Nantes 2005 Ensemble de 4 boudins diamètre 3,5 m, longueur totale 150 m 750 kW – 2,7 GWh pour une houle de 55 kW/m (équivalent 3600 heures annuelles) Exemple : système Pelamis (Ocean Power Delivery) Source : www.oceanpd.com « Wavefarm » 30 MW – 1,3 km² (2,1 x 0,6 km) Image de synthèse Récupération de l’énergie des courants de marées Projet MARENERGIE Hydrohélix Energies – SAIPEM Source : http://www.hydrohelix.fr 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 Vitesse de rotation (tr/min) P u is s a n c e (k W ) 1.6 m/s 2 m/s 2.4 m/s 2.8 m/s 3.2 m/s Turbines 200 kW @ 2,2 m/s diamètre 10 m m/s Productivité énergétique et optimum de vitesse nominale m/s En projet : Nord du Pays de Galles (Skerries, Anglesey) 9 machines de 1,5 MW turbines jumelles rotation = 10 à 20 tours/mn Seaflow project - Marine Current Turbines Ltd (UK) Source : Marine Current Turbines™Ltd www.marineturbines.com Prototype : 300 kW depuis juin 2003 Vitesse courant = 2.5 m/s, Profondeur = 15 à 20 m Diamètre turbine = 11 m Travaux Travaux de recherche de l’équipe de recherche de l’équipe Quelques contributions Quelques contributions au développement durable au développement durable en matière énergétique en matière énergétique Traitement de l’intermittence dans la production d’électricité d’origine renouvelable et fluctuante L’intermittence de la production d’électricité : un problème majeur pour exploiter massivement les ressources renouvelables : vent, soleil, houle… parce que : stockage de l’énergie électrique coûteux structure de tout le système électrique fondée sur le courant alternatif et les réseaux Travaux sur le stockage par volants d’inertie Travaux sur la gestion optimale de l’énergie sur cycle de vie Modélisations, optimisations, conception, expérimentation… 168 169 170 uploads/Science et Technologie/ confsciencessociete-multon-cachan-13mar08.pdf