Transcript MBSOFT : a Symbolic/ Numerical Program for Analysing Mechanical

ELEC 2670
Sources d’énergie électrique renouvelables ou
non conventionnelles
E. Matagne : [email protected]
E. De Jaeger : [email protected]
P. Jacques : [email protected]
Site principal :
http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/ELEC2670/INDEX.HTM
+ occasionnellement icampus
Autre site, utile mais utilisé de façon non suivie
http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM
2014 - Université catholique de Louvain
Sujets traités
- Contexte énergétique
- Énergie solaire photovoltaïque
- Énergie éolienne
- Conversion thermoélectrique
- Effet magnétoélectrique
- Conversion Magnéto-Hydro-Dynamique
Cours de 4 ECTS, ce qui fixe le pourcentage de votre temps de travail que
vous pouvez (ou devez) consacrer au cours.
Pour un programme de 30 ECTS/quadri, on a 4/30 = 13.3% du temps.
Cette estimation concerne tout le travail : cours, étude, travaux pratiques non
encadrés, laboratoire, rédaction de rapport…
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Evaluation
1) L’évaluation se fera en partie sur base des travaux pratiques :
•Travaux non encadrés : questions posées lors du cours magistral et
auxquelles vous répondrez par écrit au plus tard au début du cours
suivant, seul ou en équipe,
•Deux à trois séances de laboratoire avec rapport selon un horaire à
convenir.
Les équipes peuvent changer d’un document à l’autre, pourvu que
tous les noms des rédacteurs se trouvent sur le document.
Les questions ne sont pas toujours préparées sur les transparents !
2) L’essentiel de l’évaluation se fera en session lors d’un examen oral à
livre ouvert (1/2 heure sans préparation).
3) Des points de vue différents de ceux adoptés par l’enseignant peuvent
être utilisés. Quel que soit le point de vue adopté, il doit pouvoir être
discuté (cohérence interne et correspondance avec d’autres points de
vue).
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Contexte énergétique
Plus de détails à l ’adresse http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM
La puissance moyenne consommée par l ’humanité est estimée à
-En 1998,
-En 2002,
-En 2006,
-En 2012,
-En 2013,
12.97
13.93
16.02
18.09
18,28
1012 W pour 5936978622 personnes, soit 2185 W / personne.
1012 W pour 6246193906 personnes, soit 2230 W / personne.
1012 W pour 6554167609 personnes, soit 2444 W / personne.
1012 W pour 7058000000 personnes, soit 2564 W / personne.
1012 W ? pour 7095000000 personnes, soit 2577 W / personne ?
Source : sites officiels des USA (http://www.eia.gov) et autres
Attention : la moyenne cache de grandes disparités
Origine :
75 % énergie fossile (pétrole, charbon, gaz…), pourcentage en diminution malgré
l’augmentation en valeur absolue.
18 % énergie renouvelable non nucléaire (bois, déchets, énergie
hydraulique, énergie solaire, vent…)
5 % nucléaire (sous-estimé car exprimé en valeur électrique !)
Le « grand public » ne connaît pas la loi de conservation de l ’énergie. Pourtant, l ’attitude
envers les principales sources d ’énergie a changé. Je vais relever 4 aspects de cette attitude.
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Aspect 1 : A l ’occasion de crises pétrolières successives, la
dépendance de nombreux pays vis à vis du pétrole étranger est
apparue comme une faiblesse et une source de conflits.
La même prise de conscience se fait vis-à-vis de la dépendance en
gaz naturel.
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Aspect 2 : Prise de conscience du fait que les combustibles fossiles
constituent une ressource limitée.
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! Ancien doc. Electrabel
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Algérie(2006) : 2.4 milliards de tonnes
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! Ancien doc. Electrabel
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Algérie(2006) : 4.05 milliards de tep
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! Ancien doc. Electrabel
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L ’argument d ’un épuisement à court terme est souvent cité, mais
• Cela fait longtemps que l ’on annonce que les réserves de pétrole ne
couvrent que 40 ans (on parle même maintenant de 60 ans).
• Si on accepte de sacrifier des espaces naturels (Alaska, antarctique), on
peut retarder les échéances.
• La fusion des calottes polaires (due au réchauffement climatique) libère
de nouveaux terrains d’exploitation près des pôles.
Remarque : même si on brûlait tous les combustibles
fossiles connus, la teneur de l’atmosphère en O2 serait
à peine modifiée !
Estimation faite sur le site
http://perso.uclouvain.be/ernest.matagne/SOLAIRE/INDEX.HTM
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Et l ’atmosphère
Aspect 3 : Les modifications climatiques sont
maintenant une évidence, et l ’implication du CO2
produit par les combustibles fossiles est (presque)
universellement admis.
Et si tous les pays vivaient au même niveau de consommation que l ’occident !
D’où l’intérêt des technologies « low carbon ».
Le nucléaire est-il une solution ?
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Ancien doc. Electrabel
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Nucléaire classique limité, mais...
Le tableau précédent suppose que l’on n’utilise que l’uranium 235, or
• Les réacteurs surgénérateurs permettent d’utiliser l’uranium 238, ce
qui porte les réserves à plusieurs centaines ou milliers d’années,
• Le thorium pourrait aussi être exploité, et il est plus abondant que
l’uranium,
• Un des principaux déchets radioactifs dans la filière actuelle est le
plutonium, qui pourrait être valorisé.
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Aspect 4 : Sous la pression de l ’opinion publique, plusieurs pays, suivant
l ’exemple de l ’Allemagne, ont décidé la sortie du nucléaire. Actuellement, on
recule les échéances…
Opposition encore plus forte aux surgénérateurs qu’au nucléaire traditionnel. Et
pourtant, la recherche se poursuit dans cette direction,
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La fusion nucléaire permet en principe d’utiliser comme combustible l’hydrogène
(en tout cas le deutérium), ce qui rendrait les réserves quasi inépuisables.
La fusion nucléaire sera-t-elle propre ? Acceptée ?
Il n’y a pas d ’espoir dans un avenir proche : énormes problèmes techniques … et
politiques.
Projet ITER : international, installation expérimentale en France.
Les américains y travaillent de leur côté : les chercheurs du "National Ignition
Facility" ont réussi à chauffer un mélange de deutérium et tritium à plus de 111
millions de degrés Celsius par faisceaux laser.
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Énergies dérivées du Soleil
Le Soleil est un immense réacteur nucléaire !
La plus grande partie de l ’énergie consommée provient directement ou
indirectement du soleil (combustibles fossiles, mais aussi énergies
renouvelables comme le bois , le vent , l ’hydroélectricité). Comme autres
sources renouvelables non nucléaires : géothermique, énergie des astres
(marées).
Intérêt croissant pour les sources d ’énergie renouvelables, mais seulement
une partie de celles-ci sont durables.
Mauvais exemples :
déboisement (mauvaise utilisation de la biomasse…)
envasement de l ’estuaire de la Rance (remplacement
d’un biotope par un autre)
dépôts de boues dans les lacs de centrale hydraulique
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Gisement solaire
Carré = aire nécessaire pour couvrir la consommation mondiale d’énergie
(vers l’an 2000).
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Énergie électrique
Une partie importante de l ’énergie est transformée en électricité avant
d ’être consommée.
- Utilisation facile car facilement transformable
Donc, on consommera de plus en plus d ’électricité, surtout
si on prévoit une élévation du niveau de vie dans les pays
en voie de développement et le développement de voitures
électriques.
- Transport relativement facile (lignes haute-tension)
- Possibilité de choix politique des sources de l’énergie
- Mais difficultés de stockage
direct (condensateurs, inductances)
indirect (centrales de pompage, batteries, accumulation sous
forme d ’énergie cinétique…)
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Filières de production d’énergie électrique
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A noter aussi une plus grande attention portée
 à une utilisation plus efficace de l’énergie électrique (LED, …)
 à la récupération des énergies perdues (déchets organiques, chaleurs industrielles)
Pour profiter de ces opportunités, des convertisseurs originaux donnent lieu à des
recherches: convertisseurs chaleur-électricité avec intermédiaire acoustique ou
magnétique, ou encore de nouveaux matériaux thermoélectriques.
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Source : wikipedia
A noter que la Belgique importe de l’énergie électrique !
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Doc. FPE
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Chiffres pour 2012 ( www.synergrid.be) via le réseau Elia
Production d’électricité : 61,8 TWh
Importation d’électricité : 16,8 TWh
Exportation d’électricité : 6,8 TWh
A noter que la Belgique a importé plus qu’elle n’a exporté, ce
qui est une conséquence de l’arrêt de centrales nucléaires !
Pour être « autosuffisant », il aurait donc fallu produire au
moins
61,8 + 16,8 – 6,8 = 71,8 TWh
+ l’énergie électrique qui ne passe pas par le réseau !
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Doc. FPE
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Exploitation du gisement solaire
Deux techniques permettent d ’atteindre un rendement d ’environ 6 %
• Énergie solaire photovoltaïque
• Énergie solaire thermique à haute température (forte concentration)
avec cycle thermodynamique
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Justification du chiffre de 6 %
Les modules photovoltaïques ont un rendement nominal qui peut dépasser 12 %,
mais (attention, ordres de grandeur seulement)
• poussière
* 0.94
• éclairement oblique
• moins bon rendement si éclairement < 1000 W/m2
• rendement différent si spectre  AM 1.5
• échauffement des modules
* 0.8
• pertes dans les câbles électriques
* 0.99
• manque d ’adaptation électrique ou pertes du convertisseur
* 0.97
• équipements auxiliaires
• conversion avant utilisation
* 0.912
• stockage ( applicable seulement à la partie stockée dans une batterie)
* 0.8
• transport
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En Belgique
Il y a (2013) une puissance installée photovoltaïque de 2869 MWc (pas beaucoup
plus qu’en 2012 !) selon www.apere.org
Si on admet un facteur d’utilisation de 10% (optimiste, notamment parce que toutes
les installations ne sont pas optimales), la production estimée pour 2013 est de
2,525 TWh .
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Energie solaire photovoltaïque
Le rendement semble faible, mais
• Le rendement est-il si important quand la source d ’énergie est gratuite ?
Il faut plutôt regarder le prix au kWh produit (et pas au m2 ) .
Un mauvais rendement conduit « seulement » à une surface plus grande
• Les autres solutions ont un rendement encore moins bon (y compris la synthèse
chlorophyllienne !)
Le principal obstacle au développement du solaire photovoltaïque est son prix.
On a cru pouvoir faire baisser les prix en stimulant la production, mais cela
n ’a pas (encore) donné les résultats escompté.
Développement d’une production de Si pour le photovoltaïque en cours.
Soupçons de vente à perte en provenance de pays hors Europe !
Quasi disparition de la production européenne.
Récemment, mise en place d’une taxe à l’importation.
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Electricité solaire via thermique
C’est un concurrent sérieux des centrales photovoltaïques.
On peut concentrer la lumière du Soleil pour atteindre des températures plus
élevées. Le rendement du cycle thermodynamique croît avec la température.
Mais

Nécessité d’un système de poursuite du Soleil

Les concentrateurs font perdre le rayonnement diffus !

Le rendement du capteur thermique diminue quand la concentration et la
température augmentent.

Problème d’ombre mutuelle (commun à tous les systèmes avec poursuite)
Voir
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http://www.psa.es/webeng/index.php Plataforma Solar de Almeria
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Sans concentration (1x) (capteur 2D)
T : < 120°C
Rendement thermique : 80%
Rendement du cycle thermodynamique :
minuscule
Produit des précédents : minuscule
Mais si on peut réaliser un générateur
électrique bon marché, cela pourrait devenir
intéressant !
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Avec concentration sur capteur à 1 dimension (200x)
T : 400°C
Rendement thermique : 60%
Rendement du cycle thermodynamique : 20%
Produit des précédents : 12 %
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Avec concentration sur capteur « ponctuel »
(45000x)
Rendement thermique : 50%
Rendement du cycle thermodynamique : 36%
Produit des précédents : 18%
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Avec concentration par héliostats
Centrale solaire d’Almeria (Andalousie)
http://www.psa.es/webeng/index.php
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Générateur éolien
alternateur
ventilation
entraînement
pignon
d’orientation
aile
frein à disque
roulement du rotor
pylône
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Doc. Electrabel
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Note sur l ’énergie éolienne
Plus rentable ( déficit moindre !) que l ’énergie photovoltaïque, mais
Environ 2% seulement de l ’énergie solaire reçue par la terre est transformée
en énergie éolienne……le gisement éolien est plus faible.
En tenant compte d ’un facteur d ’utilisation d ’environ 1/3 , pour remplacer un
réacteur nucléaire de 300 MW, il faut 900 éoliennes de 1 MW.
L’éolien en Belgique a une puissance installée de 1707,5 MW (625,2 MW offshore, 479,8 MW en Flandre et 602,5 MW en Wallonie) selon www.apere.org
En 2012, la puissance installée est passée de 1078 à 1375 MW.
La production a été de 2,608 TWh ,
soit un facteur d’utilisation d’environ 24 % !
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Carte du vent en Belgique
La puissance produite par une éolienne dépend beaucoup de la vitesse du vent.
Idéalement, elle dépend du cube de cette vitesse.
Zandvliet
Koksijde
Jabbeke
Veurne
Vitesse du vent à
50 m au-dessus du
sol (m/s)
Bütgenbach
8+
7-6
5
4-3-2
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Doc. Electrabel
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Problème des énergies fluctuantes
L ’énergie solaire et l ’énergie éolienne sont très fluctuantes.
Leur pénétration sur le marché dépend de la disponibilité de méthode de
stockage d’énergie. Actuellement, on peut stocker de l’énergie dans des
volants d’inertie pour un temps caractéristique de l’ordre de la dizaine de
minute (donc assez pour lisser l’effet des rafales de vent). On espère monter
à des durées de quelques heures pour pouvoir lisser l’effet de l’alternance
jour-nuit.
A défaut de méthode de stockage, il faut prévoir des sources d ’énergie
alternatives, mais celles-ci ont aussi un faible facteur d ’utilisation. Donc,
risque d ’installations bon marché et … pollution, ne serait-ce que parce que
les installations fonctionnant en transitoire ont un moins bon rendement
(exemple du Danemark qui est équipé de nombreuses éoliennes).
Alternative au stockage : permettre une régulation centralisée de la charge.
Base volontaire avec incitants ou par contrainte légale ?
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Agriculture énergétique
On parle souvent de l ’agriculture (bois, colza…) comme une source
d ’énergie. Voici (sous réserve) un petit calcul.
Tablons sur une production de 1 à 1.5 kg de matière sèche par m2 et par
an.
Cela représente 1.3 kWh / m2 / an,
soit un rendement moyen de 0.13 % seulement.
Conclusion : l ’énergie de la biomasse est intéressante seulement comme
un sous-produit ou pour valoriser des surfaces désertiques (mais le sontelles vraiment ? Et même si c’est le cas, ne pourrait-elles pas être mieux
utilisées ?).
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Conclusion de cette introduction
L ’énergie est le principal défi auquel l ’humanité
va devoir faire face !
A noter :
La gestion de l ’eau et de la nourriture dépend aussi de l ’énergie disponible !
Actuellement, pas de développement possible à grande échelle des énergies
renouvelables en l ’absence de subside.
Il existe des utilisations locales déjà intéressantes
(horodateurs … relais de communication … villages isolés).
On aura besoin d’ingénieurs avec une formation polyvalente.
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Exemples de recherches
Recherches en énergie photovoltaïque
• modélisation des composants d’une installation
• simulation du fonctionnement d’installations (but : estimation réaliste du
risque de manque d’énergie, optimisation….)
Autres recherches en cours
Thermoélectricité : un chercheur engagé sur un projet région wallonne
(IMAP-MCTR-ULg-CRM) puis doctorant.
Effet magnétocalorique : un doctorat (IMAP-MCTR) en cours ! Bourse
FRIA obtenue.
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Exemples de problèmes :
1)
Les données météo disponibles pour dimensionner une installation
photovoltaïque ne sont jamais complètes (échelle de temps trop
grande, mesure de l’éclairement global seulement, uniquement sur
plan horizontal, pas de mesure du spectre…..).
Comment les compléter par calcul en utilisant des modèles du ciel ?
2) le rendement des modules solaires dépend du spectre de leur
éclairement (infrarouges, rouge …….violet, ultraviolet). Actuellement,
on suppose souvent dans les calculs que le spectre est constant (AM
1.5) alors qu’il varie avec l’heure et l’état de l’atmosphère.
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Idée pour compléter les mesures expérimentales
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Utilisation des
données
complétées
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