Transcript Les formes exploitables des énergies renouvelables

Les formes exploitables
des énergies
renouvelables
Les deux grandes sources d’énergie renouvelables sont deux réacteurs nucléaires !
Soleil = fusion
Noyau terrestre= fission
L’énergie solaire est la source de l’énergie l’hydraulique et de la croissance de la
biomasse.
Le soleil est aussi la source de l’énergie éolienne
Une énergie renouvelable est une énergie exploitée par l'Homme, de telle manière
que ses réserves ne s'épuisent pas. En d'autres termes, sa vitesse de formation doit
être plus grande que sa vitesse d'utilisation.
L'éolien
Le solaire
La biomasse
La géothermie
L'hydraulique
Le solaire
L’énergie solaire a directement pour origine l’activité du Soleil. Le Soleil émet un
rayonnement électromagnétique dans lequel on trouve notamment les rayons cosmiques,
gamma, X, la lumière visible, l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radios en fonction
de la fréquence d’émission. Tous ces types de rayonnement électromagnétique émettent
de l’énergie. Le niveau d’ irradiance (le flux énergétique) arrivant à la surface de la Terre
dépend de la longueur d’onde du rayonnement solaire.
• Énergie solaire thermique
• Énergie photovoltaïque
Énergie solaire thermique
Dans les conditions terrestres, le rayonnement thermique se situe entre
0,1 et 100 micromètres. Il se caractérise par l’émission d’un rayonnement
au détriment de l’énergie calorifique du corps émetteur. Ainsi, un corps
émettant un rayonnement thermique voit son énergie calorifique chauffe-eau solaire
diminuer et un corps recevant un rayonnement thermique voit son énergie
calorifique augmenter. Le Soleil émet principalement dans le rayonnement
visible, entre 0,4 et 0,8 micromètres. Ainsi, en rentrant en contact avec un
corps le rayonnement solaire augmente la température de ce corps.
On parle ici d’énergie solaire thermique. Cette source d’énergie est
connue depuis très longtemps, notamment par le fait de se positionner à
un endroit ensoleillé afin de se réchauffer.
Énergie solaire thermique
L'énergie thermique peut être utilisée directement ou indirectement :
directement pour chauffer des locaux ou de l'eau sanitaire (panneaux
solaires chauffants) ou des aliments (fours solaires),
indirectement pour la production de vapeur d'un fluide caloporteur pour
entraîner des turbines et ainsi obtenir une énergie électrique (énergie
solaire thermodynamique (ou heliothermodynamique)).
Centrale solaire de THEMIS
Énergie photovoltaïque
L’énergie photovoltaïque se base sur
l’effet photoélectrique pour créer un
courant électrique continu à partir d’un
rayonnement électromagnétique. Cette
source de lumière peut être naturelle
(soleil) ou-bien artificielle (une lampe).
Principe de fonctionnement
Les cellules photovoltaïques (photon : grain de lumière et volt: unité de tension) convertissent
directement l'énergie lumineuse en électricité courant continu basse tension. Comme
l'énergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires.
On distingue deux types de panneaux solaires :
- Les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui convertissent la
lumière en chaleur récupérée et utilisée sous forme d'eau chaude.
- Les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques, qui convertissent
la lumière en électricité. Le solaire photovoltaïque est communément appelé PV.
Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou
moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de
base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.
Les différents types de cellules
On distingue en outre, en fonction des technologies utilisées :
- silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés
dans une enveloppe plastique (rendement 15%).
- silicium polycristallin : Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium,
notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un
peu plus faible (rendement de 13%). Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de
qualité électronique.
- silicium amorphe : les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir
énergisant et présentés en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale (rendement
de 7%).
La fabrication
Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre
elles, en série et en parallèle. Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les
plus utilisées, les autres types étant encore soit en phase de recherche/développement, soit
trop chères et réservées à des usages où leur prix n'est pas un obstacle.
Le recyclage
Le recyclage des modules à base de silicium cristallin consiste en un simple traitement
thermique servant à séparer les différents éléments du module photovoltaïque et permet de
récupérer les cellules photovoltaïques, le verre et les métaux (aluminium, cuivre et argent).
Le plastique comme le film en face arrière des modules, la colle, les joints, les gaines de câble ou
la boite de connexion sont brûlés par le traitement thermique.
Une fois séparées des modules, les cellules subissent un traitement chimique qui permet
d’extirper les contacts métalliques et la couche anti-reflet.
Ces plaquettes recyclées sont alors : soit intégrées dans le process de fabrication de cellules et
utilisées pour la fabrication de nouveaux modules, soit fondues et intégrées dans le process de
fabrication des lingots de silicium.
Exemple : L’entreprise allemande Deutsche Solar, filiale de Solarworld, dispose de sa propre
usine de recyclage mise en service en 2003 afin de traiter les modules photovoltaïques en fin de
vie provenant d’une ancienne centrale photovoltaïque installée sur l’ile de Pellworm en mer du
Nord.
L'éolien
L’activité solaire est la principale cause des phénomènes
météorologiques. Ces derniers sont notamment caractérisés par
des déplacements de masse d’air à l’intérieur de l’atmosphère.
C’est l’énergie cinétique de ces déplacements de masse d’air qui
est à la base de l’énergie éolienne. L’énergie éolienne consiste
ainsi à utiliser cette énergie mécanique.
L’énergie éolienne a aussi été vite exploitée à l’aide de moulins à
vent équipés de pales en forme de voile, comme ceux que l’on
peut voir aux Pays-Bas ou encore ceux mentionnés dans Don
Quichotte. Ces moulins utilisent l’énergie mécanique pour
actionner différents équipements.
Les moulins des Pays-Bas actionnent directement des pompes dont le but est d’assécher ou de
maintenir secs les polders du pays. Les meuniers utilisent des moulins pour faire tourner une
meule à grains. Aujourd’hui, ce sont les éoliennes qui prennent la place des moulins à vent. Les
éoliennes transforment l’énergie mécanique en énergie électrique, soit pour l’injecter dans un
réseau de distribution soit pour être utilisée sur place (site isolé de réseau de distribution).
L'éolien
Puissance proportionnelle au cube de la
vitesse du vent
La vitesse augmente avec la
hauteur au dessus du sol et en
bord de mer et offshore
Importance du gisement
éolien : nombre
d’heures de
fonctionnement annuel
Vitesse du vent en m/s
Puissance électrique délivrée
par m² au sol occupés par des
éoliennes en W/m²
Les types d’éoliennes
éolienne Darrius
éolienne Savonius
éolienne à pales
Eolienne à 3 pales :
Son principe repose sur l’effet de portance subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif
Le vent est freiné par les obstacles du sol (arbres, bâtiments…), par conséquent, sa vitesse
augmente avec l’altitude.
éolienne à pales
Pour une éolienne, la force exercée par le vent est donc plus
importante au niveau de la pale la plus haute qu’au niveau de
celle la plus basse.
Cette différence induit une torsion au niveau de l’axe du rotor et
du moyeu de l’éolienne. Cela entraîne des contraintes
mécaniques et augmente l’usure et le risque de panne du
système.
La multiplication du nombre de pales et leur disposition en
nombre impaire (donc sans opposition verticale) réduit ces contraintes. En outre, cela diminue
les vibrations et donc le bruit émis par l’éolienne.
Cependant, chaque pale produit des turbulences qui gênent la pale suivante et réduit donc le
rendement global du dispositif. Par ailleurs, le coût d’une éolienne augmente avec le nombre de
pales. Le nombre de trois pales est donc le meilleur compromis entre fiabilité technique,
rendement, coût et nuisance sonore réduite.
Le type Savonius, constitué
schématiquement de deux ou
plusieurs
godets
demicylindriques légèrement désaxés
présente un grand nombre
d'avantages. Outre son faible
encombrement, qui permet
d’intégrer
l’éolienne
aux
bâtiments sans en dénaturer
l’esthétique, il est peu bruyant. Il
démarre à de faibles vitesses de
vent et présente un couple élevé
quoique variant de façon
sinusoïdale au cours de la
rotation.
Ajoutons finalement que
l’accroissement important de
la masse en fonction de la
dimension rend l’éolienne de
type Savonius peu adaptée à
la production de masse dans
un parc à éoliennes.
éolienne Savonius
éolienne Darrius
Le type Darrieus repose sur l’effet de portance subi par
un profil soumis à l’action d'un vent relatif ; effet qui
s'exerce sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs
déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor
cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de
l'axe - jusqu’au rotor parabolique où les profils sont
recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base
de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné
au Québec (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes
dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré
lors d'un coup de vent, il était conçu pour
fournir 4 MW avec un générateur au sol. Ces éoliennes de
type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base
du projet Wind'It.
L'hydraulique
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Énergie des vagues
Énergie marémotrice
Énergie hydrolienne
Énergie osmotique
Énergie thermique des mers
• Énergie des vagues
Énergie marémotrice
L'énergie marémotrice' est issue des mouvements de
l'eau créée par les marées, causées par l'effet conjugué
des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est
utilisée soit sous forme d'énergie potentielle - l'élévation
du niveau de la mer, soit sous forme d'énergie cinétique les courants de marée.
Énergie hydrolienne
Une hydrolienne est une turbine sous-marine (ou
subaquatique, ou posée sur l'eau et à demi-immergée) qui
utilise l'énergie cinétique des courants marins ou de cours
d'eau, comme une éolienne utilise l'énergie cinétique de l'air.
Énergie hydroélectrique
Énergie osmotique
Il est théoriquement possible d'extraire de l'énergie au voisinage des estuaires (où l'eau
douce des cours d'eau se mélange avec l'eau salée de la mer), en exploitant le phénomène
d'osmose : si de l’eau douce et de l’eau salée sont séparées par une membrane semiperméable, l’eau douce migre à travers la membrane.
Si le réservoir contenant l’eau salée est à une pression supérieure à celle de l’eau douce, l’eau
douce migre vers l’eau salée tant que la différence de pression n’excède pas une
valeur limite (limite théorique avec l'eau de mer : 2,7 MPa, soit 27 bars) ;
la surpression ainsi créée peut être utilisée pour actionner une turbine.
Dans la pratique, on envisage d'opérer avec une surpression de
1 MPa (10 bars) ; un débit d’eau douce de 1 m3⋅s-1 générerait alors
1 MW. Une autre possibilité consiste à utiliser des
membranes qui ne laissent passer qu'un type d'ions : on
peut alors produire directement de l'électricité. L'impact sur
l'environnement est en principe nul, puisque le mélange se serait fait
naturellement. Dans l’état actuel de la technologie, la surface de
membrane nécessaire est de 200 000 à 250 000 m2 par Mégawatt .
Énergie thermique des mers
L'énergie thermique des mers (ETM) ou énergie maréthermique (ETM ou OTEC en anglais
pour Ocean Thermal Energy Conversion) est produite en exploitant la différence de
température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Un acronyme
souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion.
Cette différence de température peut être exploitée
par une machine thermique. Cette dernière ayant
besoin d'une source froide et d'une source chaude
pour produire de l'énergie, utilise respectivement
l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface
comme sources.
Énergie thermique des mers
L’ ENR utilise la différence de température entre l’eau chaude de surface et l’eau froide venant
des profondeurs (~ 5°C pompée à env. 1000m) pour faire fonctionner une machine thermique.
L’application est limitée à la ceinture intertropicale pour avoir une eau chaude d’au moins 25°C
afin d’avoir un rendement «acceptable»
Une usine installée en surface utilise cet échange thermique pour produire de l’électricité
24h/24h & 7j/7j (contrairement à d’autres ENR)
Cette machine thermique peut fonctionner selon plusieurs concepts et selon différents cycles
thermodynamiques : ouvert, fermé ou hybride, Rankine, Kalina ou Uehara, …
Énergie thermique des mers
Une histoire française
-Théorie, 1881, J. d'Arsonval, physicien,
propose de mettre à profit la différence de
température entre la surface et le fond de
l'océan tropical pour faire tourner une
machine thermique et produire ainsi de
l’électricité : c'est la première formulation
correcte du principe de l'énergie thermique
des mers.
–La pratique : Georges Claude, 1928-1930.
Premières expériences à l'échelle "industrielle"
du procédé d'énergie thermique des mers.
Énergie thermique des mers
La biomasse
La géothermie
La géothermie est la récupération de la chaleur interne de la Terre.
Pour être directement exploitable, elle nécessite des conditions géologiques particulières. En Ile
de France, par exemple, des nappes aquifères, prisonnières à plusieurs dizaines de mètres sous
terre, peuvent atteindre des températures supérieures à 70°C. Cette eau est alors directement
exploitable, par un simple échange de chaleur avec le réseau de chauffage du bâtiment.
Production de chaleur
Il existe plusieurs façons de récupérer la chaleur de la Terre.
La première est d'utiliser les sources géothermales.
La seconde est d'injecter de l'eau froide en profondeur
pour qu'elle se réchauffe, puis la repomper à
température élevée.
Cette technique nécessite de trouver sur le site des
roches chaudes à une profondeur raisonnable
(quelques centaines de mètres à quelques kilomètres).
Les pompes à chaleur (PAC)
Les pompes à chaleurs sont des systèmes thermodynamiques transférant de la chaleur d'un
milieu à un autre.
Grâce à un apport en énergie électrique, la pompe prélève de la chaleur à l'extérieur (le sol par
exemple)
et
la
restitue
à
l'intérieur
du
bâtiment.
L'intérêt d'un tel système est qu'il transfert plus d'énergie calorifique qu'il ne consomme
d'électricité pour le faire fonctionner. Contrairement à un autre système de chauffage, son
rendement de génération est donc supérieur à 1.
Une PAC est donc un système de chauffage et/ou rafraîchissement électrique.
Les rendements de production variant en fonction des températures des milieux de
prélèvement et d'émission, le rendement moyen annuel est sensiblement inférieur aux données
fabricant qui sont déterminées dans des conditions standardisées. Il n'en reste pas moins que
ces systèmes sont énergétiquement performants.
Pour comprendre le principe d'une pompe à chaleur, il suffit
de vous imaginer en plein hiver, sortant de votre douche.
Comme vous avez oublié de monter le chauffage, vous
grelotez de froid. Vous vous jetez donc sur votre serviette et
vous vous dépêchez de vous essuyer. Une fois sec vous avez
déjà beaucoup moins froid, n'est-ce pas ?
Si nous avons plus froid mouillés que secs, c'est parce que
l'eau qui nous recouvre s'évapore petit à petit en prélevant
la chaleur de notre corps. L'eau a transféré de l'énergie, de
notre corps vers l'air.
Pour qu'un fluide passe de la phase liquide à la phase
gazeuse il faut lui fournir beaucoup d'énergie.
A titre d'exemple, il faut fournir 1 calorie à 1 g d'eau liquide
pour augmenter sa température d'un degré (c'est sa chaleur
spécifique).
Pour faire passer ce même gramme
d'eau (liquide) à l'état de vapeur,
et ce sans modifier sa température,
537 calories sont nécessaires (c'est sa
chaleur latente).
Les pompes à chaleur utilisent ce
phénomène pour transférer de grandes
quantités de chaleur.
Le schéma de principe ci-après montre que
la pompe va forcer un fluide frigorigène à
s'évaporer d'un côté pour aspirer de la
chaleur, puis se condenser de l'autre côté
pour la restituer.
La magie vient du fait que l'énergie
électrique
nécessaire
à
forcer
le
changement de phase est très inférieure au
flux de chaleur entrainé par ce changement.
Les ressources utilises pour cette présentation sont issues:
- de Wikipédia
- de productions de M. Boye Henri rapporteur d'une mission ministérielle,
confiée à Mme la Sénateur Gisèle Gautier, sur les Energies renouvelables Marines.