Transcript Diagnostic énergétique : Pourquoi - Accueil de l`Intranet IUT Longwy
DIAGNOSTIC ENERGETIQUE Economies d’énergie
Licence professionnelle E2D2
Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
• Raréfaction des
énergies fossiles
– Système fermé !
+100 Millions /an !
+ 210 Millions de TEP /an !
Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
Même avec le charbon, une croissance de 2% de la consommation d’énergie fossile ne « passe pas » le siècle (pic tous fossiles au plus tard entre 2050 et 2100, dans tous les cas de figure).
Source : Jancovici, 2007 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
• Impact visible sur
l’environnement mettant en péril notre survie sur terre
Diagnostic énergétique : Dans quel cadre ?
• Objectifs de maîtrise des coûts (facture
énergétique)
• Démarche de management environnemental, DPE,
BC et politique d’amélioration continue
• Projet de remplacement de matériel en fin de vie,
de réhabilitation de patrimoine
• Projet d’extension ou de rénovation, création de
nouveaux sites
L’énergie : formes et unités
• Énergie = travail que peut fournir une force en action = N.m = Joule • Puissance d’un système = capacité à échanger une énergie en un temps donné P = énergie /temps en Joule /s = Watt
Energies : Différents stades de transformation
• Energie primaire : potentiel énergétique de la ressource naturelle – Pétrole brut au fond de son puits, charbon dans la mine mais aussi minerai d’uranium, vent, réserve d’eau, flux solaire.
• Energie finale : ce que j’arrive à exploiter et à livrer (énergie commerciale) – Produits pétroliers à la pompe, charbon de bois, électricité • Energie utile : – Energie mécanique d’un moteur, flux lumineux d’une lampe, chaleur, etc .
ce que j’en fais…d’utile Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
De l’énergie primaire à l’énergie finale
Coût énergétique extraction Pertes en ligne Moi consommateur : je paye Rendement fuites
Mais physiquement que se passe-t-il?
Pertes production Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
De l’énergie primaire à l’énergie finale Monde 2006
Hydroélectricité 2,2% Biomasse 10,6% Autres 0,4% Nucléaire 6,5% Pétrole 34,3% Electricité 19,6% Biomasse et déchets 13,7% Produits pétroliers 42,3% Gaz naturel 20,9% Charbon 25,1%
11,7 Gtep primaire L’ENERGIE PRIMAIRE (le prélèvement aux ressources)
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31%
Gaz naturel 16,0% Charbon 8,4%
8,1 Gtep final L’ENERGIE FINALE (ma facture ) 69%
De l’énergie finale à l’énergie utile
Electricité
Finale
Carburant Energie mécanique Energie lumineuse
Utile
Energie thermique Energie mécanique Energie thermique
De l’énergie finale à l’énergie utile Électricité Électricité Air comprimé Carburant Energie mécanique > 90 % Energie lumineuse < 15 % Energie mécanique < 20 % Energie mécanique ~ 30 % Carburant Energie thermique
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> 80 %
Etiquettes du DPE
Energies : Différentes unités
• SI :
Energie = joule = watt.seconde
• A l’échelle du citoyen : – Litre de carburant – Stère de bois – m
3 de gaz
– kWh électrique • A l’échelle d’un pays ou planétaire : – TEP, MTEP ou GTEP – TWh
élec 1kWh = 36OOkJ 1 TEP = 11626 kWh (1 kcal = 4,18 kJ) = 7,33 barils 1MWh = 0,086 TEP
Equivalence d’énergie
• Pétrole • GPL • Carburants liq • Gaz naturel • Houille • Bois 1t 1t 1t 1t
sur PCS
1t = 1 TEP = 1,095 TEP = 1,048 TEP = 1,117 TEP = 0,619 TEP 1 t = 1,7 stère = 0,257 TEP • Electricité 1000 KWhe = 0,2606 TEP
ou
= 0,267 TEP
1- Observatoire : 33% 2 Office statistique des communautés européennes : 32,2%
Pour économiser….
Il faut d’abord apprendre à compter !
Qu’est-ce qu’un kWh ?
Que peut-on faire avec un kWh ?
Combien ça coûte un kWh ?
Combien de CO 2 dans un kWh ?
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Quelques ordres de grandeur
Qu’est-ce qu’un kWh (final) ?
1 gobelet d’essence 300 g de bois sec 2 boulets de charbon (pour ceux qui s’en souviennent !) ….mais….
18 m 3 d’eau qui chutent de 20 mètres Que peut faire un kWh ( utile) ?
Electricité : cuire une tarte !
Mécanique : remonter 360 tonnes de sable d’un mètre Combien de CO 2 par kWh (final) ?
Combien ça coûte un kWh (final) ?
Carburant, gaz, électricité, bois, etc… Mais pas le travail mécanique humain !
Electricité : entre quelques grammes et 1 kg Combustibles : entre 0 et 600 g Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Production et consommation !!
Quelques ordres de grandeur ! ! ! !
-
1 homme
travaillant 8h produit
0,05 kWh
d’énergie méca
1 l d’essence
produit
5 kWh
soit 800h d’hommes
1 français
consomme l’équivalent de 10 6
4,6 TEP/an
soit
53500 kWh/an
soit journées de travail humain (2700 ans) - La consommation moyenne mondiale est de
1,7 TEP/an 1TEP = chute de 10m de 426000 t d’eau = fission de 0,5g U235
Prix des énergies en euros/100 KWh
Fioul domestique Chauffage urbain Propane Charbon Bois
bûches 0,5m granules vrac
Electricité
simple tarif double tarif
Gaz de ville 8,93 6,60 11,72 6,75 3,60 5,18 ~ 15,00 ~ 12,00 ~ 10,10
Informations actualisées
sur l’
Observatoire de l’énergie :
www.developpement-durable.gouv.fr
Le diagnostic énergétique-méthodologies
•
Analyse de la situation énergétique actuelle de l’entité (bilans énergétiques)
•
Mesures physiques sur site (puissances, débits, températures, relevés compteurs, factures énergétiques)
•
Quantification des potentiels d’économies d’énergie
•
Définition d’un plan d’action hiérarchisé et chiffré pour la mise en œuvre de ces actions
Exemple de déroulement d’une étude énergétique
Etape Travaux en BET Travaux sur site par entreprise Collecte données et examen sur place Préparation des documents et questionnaires Préparation campagne de mesures Visite préliminaire : Sensibilisation des intervenants Organisation de travaux Visite intermédiaire / relevés Examen sur place : recueil de données campagne de mesures examen installation étude de bilans Préparation données et relevés Aide matérielle, études et données
Déroulement d’une étude énergétique La phase diagnostic
Etape Travaux en BET Travaux sur site par entreprise Analyses et évaluation économies d’énergie Analyse et évaluation économies d’énergie : -réduction des pertes –mode d’exploitation –système de gestion -liste des actions possibles Discussion avec les exploitants Conclusion et programme d’actions Etablissement rapport et plan : -évaluation économique des solutions proposées -création de projets de plan directeur -intégration des objectifs de l’entreprise Discussion avec les services concernés et direction Analyse et critique des propositions Décision sur le plan directeur préliminaire
Exemple de diagnostic énergétique d’un bâtiment
• Répertorier les parois : surface, coef d’échange K (W/m 2 °C) déperdition d’une paroi • Estimer le renouvellement d’air : Van = 0,5 Vh ou Vh… déperdition due à l’air neuf • Calculer le total des déperditions par degré d’écart avec l’extérieur • Déterminer les DJU (degrés jour unifiés) • Calculer la consommation annuelle d’énergie de chauffage : C = S d . DJU. 24 /1000.
h ch d(W/°C) = K.S
dan(W/°C) = 0,34.Van
S en kWh/an d = W/°C • Estimer ou calculer la consommation annuelle d’énergie d’ECS.
• Exprimer ces énergies en énergie primaire : C Tp • Calculer la consommation annuelle par m 2 (étiquette 1) : C Tp /Sh
Qualité du bâtiment : Etiquettes du DPE
Propositions d’améliorations possibles
• • • •
Isolation thermique de parois Changement de menuiseries sv pour dv ou tv Ventilation contrôlée double flux Chauffe eau solaire….
Chiffrage du coût de la modification
Coût annuel des économies d’énergies réalisées
Détermination du temps de retour
Le diagnostic énergétique-typologies de recommandations
•
1) Actions sur les comportements
gestion, suivi (management)
:
sensibilisation, • 2) Optimisation des conditions d’exploitation optimal, régulation, programmation…) (point • 3) Maintien en état de l’existant pour en garantir les
performances
(cycle d’entretien, remplacement) • 4) Investissements significatifs
:
thermique, modification du schéma, récupération sur chaleurs fatales, recours aux ENR… actions sur enveloppe
Optimisation des conditions d’exploitation
>> Point optimal de fonctionnement Minimiser le coût opératoire énergétique unitaire d’un produit par substitution chaleur/force >>
Domaines d’applications
- papeteries, sucrerie : pressage / séchage - sidérurgie : chauffage / laminage… - transport de fluide : chauffage / pompage - turbulence : transfert th / perte de charge
Q W
Matière première
M
Traitement 1
X
Traitement 2
P
Optimiser la quantité (Q + W) /kg de produit fini
E Tmin
E T =W(X) + Q(X) W(X) X opt Q(X) X
Méthodologie
• 1) Modélisation en fonctions puissances : Q=A.
X a W=B.
X b A, B, a et b obtenus par des relevés de mesures • 2) Energie totale finale :
Et
A
.
X
a
B
.
X
b et
Xopt
a b .
.
B A
a 1 b
• 3) Energie totale primaire : Rendements de conversion : Primaire Primaire thermique électrique h Q h W = 0,8 = 0,34
Ep
A
.
X
h
Q
a
B
.
X
h
w
b et
Xopt
h h
W Q
.
.
a b .
.
B A
a 1 b
• 4) Optimum monétaire : Prix unitaire des énergies finales (€/TEP ou €/kWh): Energie thermique Energie électrique p Q p W
C E T
p Q
.
A
.
X
a
p W
.
B
.
X
b et
Xopt
p W p Q
.
a .
b .
.
B A
a 1 b
• • •
Optimisation d’un fonctionnement
Séchage de pulpe de betteraves :
Problème : chercher les optimums énergétiques et financiers du pressage séchage de la pulpe de betterave dans deux cas : l’électricité est achetée à EDF ou bien, elle est autoproduite. Utilisée pour l’alimentation du bétail, la pulpe de betterave appauvrie en sucre a une siccité (pourcentage de matière sèche par rapport à la masse totale) initiale de x 0 = 6% et doit être amenée à une valeur finale de 88%. Le traitement est assuré par deux opérations, le pressage jusqu’à une siccité intermédiaire x puis le séchage thermique jusqu’à x f = 88%. La pulpe sèche porte le nom de pellets.
• • • •
Données du problème
: Les données expérimentales fournies par les sucreries pour des siccités intermédiaires allant de 10 à 20% nous conduisent aux expressions d’énergie : aux pressoirs W = 1,95 10 4 x 4,36 en kWhe /t de pellets aux séchoirs Q = 0,05 x -1 – 0,057 moyenne est de 0,006 tep/t de pellets. en tep/t de pellets D’autre part le fonctionnement des séchoirs consomme pour la rotation des tambours une quantité d’énergie indépendant de la siccité et dont la valeur Electricité achetée à EDF : facteur de conversion 0,27 tep/1000kWhe prix 0,03 euro/kWhe Electricité autoproduite : tep/1000kWhe facteur de conversion 0,124 prix 91,5 euro/tep
Maintien en état de l’existant
>> Cycle optimal d’entretien d’un équipement >> Cycle optimal de remplacement d’un matériel
Rendement
h h
o
Fatigue et usure
fatigue usure
h
= P / M M Système indus P M - P entretien
Durée du cycle fonctionnement / entretien Durée du cycle fonctionnement / remplacement
remplacement temps
Cycle optimal d’entretien
Evolution du rendement : avec t la durée de « demi vie »
Evolution du débit de matière première :
h h 0 .
1 1 t
t M
P
h 0 1 t
t
Coût de la matière première pour N jours de fonctionnement :
Cm
p m
.
M
0 .
N
p m
.
M
0 .
N
2 2 .
t
Coût de base sans vieillissement Surcoût du au vieillissement
Coût de la régénération :
Cg
p g
.
M
0
p g
'.
M
0 .
N
2 2 .
t
Coût total d’un cycle fonctionnement + entretien :
C T
C m
C g
p g
.
M
0
p m
.
M
0 .
N
(
p m
p g
' )
M
0
N
2 t 2
Coût unitaire (« par unité de produit » et par jour) :
C UN
C T P
.
N
p g
h 0 .
N
p m
h 0
p m
h 0
p g
'
N
2 .
t
Cycle optimal d’entretien
Optimiser le cycle
Minimiser le C UN
Durée optimale du cycle :
dC UN
0
Nopt
dN
2 .
t .
p g p m
p g
'
Cycle optimal de remplacement
Coût de la matière première pour N jours de fonctionnement : Coût de remplacement :
Cm
Cr
p m
.
M
0 .
N
p m
.
M
0 .
N
2 2 .
t
p r
.
M
0
Coût total d’un cycle fonctionnement + remplacement :
C T
C m
C r
p r
.
M
0
p m
.
M
0 .
N
p m
.
M
0
N
2 t 2
Coût unitaire du cycle :
C UN
C T P
.
N
p r
h 0 .
N
p m
h 0
p m
h 0
N
2 .
t
Durée de vie optimale du matériel :
dC UN
0
Nopt
dN
2 .
t .
p r p m
•
Optimisation d’un cycle d’entretien
Entretien d’une chaudière à vapeur :
•
Problème
: • Une chaudière à vapeur doit produire 85 t/h de vapeur à partir de fuel lourd.
• Elle fonctionne 24h/24 et son rendement est passé de 0,85 à 0,8 en 150 j du fait de l’encrassement des surfaces d’échange. Un nettoyage coûtant 1500 euro, quelle est la périodicité optimale du cycle fonctionnement/entretien ?
•
Données :
• - Pour le calcul de la puissance utile à la chaudière on prendra : hv – hl = 2000 kJ/kg • - PCI du fuel = 40000 kJ/kg • - prix du fuel = 0,3 euro/kg
Choix d’un investissement optimal
1) Références d’un calcul économique 2) Méthodologie 3) Temps de retour brut 4) Exemple d’application
Références d’analyse économique
Décideur borné / parieur
« Produits miracles? »
• Économies d’énergies par suréquipement
!
Risque d’un bilan total ~ 0 Contenu énergétique ou énergie grise
Bilan énergétique capteur solaire thermique
Matériaux Masse/m 2 Acier Aluminium Cuivre Plastique Verre Divers Total 4,5 6,5 CE/EG (kWh/k g ) 11,6 / 7,7 69,7 / 70 2,5 6,8 29 / 15,9
880 / 900 kWh/m 2
23,2 / 21 8,8 7,2 / 16,3 0,1 CE/EG( kWh /m 2 ) 52,3 / 36,7 453,1 / 455 72,5 / 39,8 157,8 / 142,8 63,4 / 143,4 8,1 0,8 +++++++++ 799,9 / 818,5 Assemblage 10% +++++++++ 80 / 82
Méthodologie
• Exprimer chaque poste de dépense (investissement, fonctionnement, entretien..) en fonction du paramètre caractéristique du problème (e isolant, T° fluide, D conduite..) • Coût total de l’opération C T (x) = S différents coûts) • Investissement optimal obtenu pour dC T /dx = 0 on obtient x opt et C Tmin • Conclusion sur le choix du système en prenant le produit commercialisé le plus proche de x opt .
Temps de retour brut
Deux problématiques Rentabilité d’un système économe I = investissement E = économie annuelle Choix entre différents systèmes SI = surinvestissement E = économie annuelle t r = I / E !
t r = SI / E Si tr > durée de vie du système !!
• • • • • • • • • • • • • • • • • •
Optimisation d’un investissement
Ligne de transport d’huile légère :
Problème : concevoir une ligne de transport d’huile légère (conduite à installer, puissance du groupe moto-pompe). On recherchera le diamètre optimal de conduite permettant de minimiser le coût total de l’installation calculé sur la durée de vie de l’ensemble (investissement + fonctionnement de la pompe).
-
Données du problème
Huile légère : : - Longueur de la ligne de transport : 1000 m débit massique d’huile transportée qm = 50 kg/s. - masse volumique r = 800 kg/ m 3 viscosité cinématique n - Rendement de la pompe h = 95. 10 -6 = 0,35.
Durée de vie de l’installation estimée à 30000h.
m 2 /s.
Coût d’achat C1 du groupe moto-pompe fonction de sa puissance Pp (en W) : C1 = 3200 + 0,026.Pp
Prix du mètre de conduite fonction du diamètre D (en m) : pc = 82.D – 2,94 Prix de l’énergie électrique : pw = 0,05 euro/kWhe
Rappels
: Puissance d’une pompe : Perte de charge dans une conduite : Coefficient de perte de charge (Blasius) : Nombre de Reynolds : Pp = qv.
D p/ h D p = l .L.
r .V
2 /2.D l = 0,316 Re -0,25 Re = V.D/ n en W en Pa
Introduction au bilan carbone
• Mécanisme de l’effet de serre – Bilan thermique terrestre – Forçage radiatif – Principaux GES – progression des émissions – Conséquences – Emission limite par individu • Pouvoir de réchauffement global d’un gaz – Equivalent carbone – Facteur d’émission – ex d’application – Etude de cas
67
Mécanisme de l’effet de serre
77 source
: GIEC
30 40 165 342 W/m 2 30 168 Bilan nul 15 °C au lieu de -18°C 78 24
49
Qu’est ce qu’un gaz à effet de serre ?
Définition :
Un gaz à effet de serre est un gaz troposphère présent dans la (la basse atmosphère) qui intercepte une partie du rayonnement terrestre (essentiellement composé d’infrarouges).
Son efficacité
: le forçage radiatif , définit quel supplément d’énergie (en watts par m 2 ) est renvoyé vers le sol par une quantité donnée de gaz dans l’air.
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 50
Exemple de forçages radiatifs
+ 1 ppm CO 2 + 14 mW/m 2 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME + 1 ppm CH 4 + 370 mW/m 2 51
Les principaux gaz « à effet de serre »
H 2 O –
Eau
CO 2 –
Gaz carbonique
CH 4 –
Naturel Méthane; « Gaz »
N 2 O –
d'azote Protoxyde
HFC – PFC – SF 6 Hydrocarbures Fluorés (CFC, HCFC…) O 3 Gaz – Ozone Origine Évaporation • Combustion pétrole, gaz, charbon • Déforestation • Décomposition anaérobie de composés organiques (Bovins, rizières, décharges…) • Pyrolyse des composés carbonés (combustibles fossiles, brulis… ) Engrais azotés - industrie chimique Gaz réfrigérants Procédés industriels divers (expansion des mousses plastiques, composants électroniques, appareillage HT, électrolyse de l’alumine…) Pas d'émission directe - réaction C.O.V. + NO x 52
Evolutions des émissions dans l’atmosphère Concentration sur les 2000 dernières années
(Source : GIEC, AR4, 2007)
2100 ?
(1000 ppm) Début de la révolution industrielle 2100 ?
(550 ppm) 2010 Concentrations atmosphériques du CO 2 , CH 4 , N 2 O sur les 650.000 dernières années
(Source GIEC, AR4, 2007) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 53
Quelles conséquences ?
• • • •
Océans :
– Augmentation du niveau des océans, – Evolutions des courants marins, – Evolution du pH de l’eau.
Modification des phénomènes extrêmes Ecosystème
: – Disparition, affaiblissement, migration, renforcement d’espèces
Santé humaine
: – Vagues de chaleur ou de froid, déplacement des zones endémiques de maladies… – Insuffisance alimentaire, pressions aux frontières… ?
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Evolution de la température moyenne
Évolution régionale de la température moyenne par rapport à [1980-1999] pour 3 scénarii. (B1 = émissions constantes ; A1B = émissions qui doublent, A2 = émissions qui quadruplent).
A court terme, l’évolution est scellée.
Source : Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, IPCC, 2007 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 55
Apports en pluie
Evolution des précipitations en 2090 2099 par rapport à la moyenne 1980 -1999.
Moyenne inter-modèles pour deux scénarii (pas de couplage avec le cycle du carbone).
Zone blanche = pas de consensus entre modèles Pointillés = plus de 90% des modèles d’accord sur le sens de l’évolution Source: Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, GIEC, 2007
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Modification de la circulation océanique
Ralentissement du Gulf Stream en Atlantique nord lié à : – Forte précipitation sur cette zone (eau douce) – Déstockage des glaces du Groenland (eau douce) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 57
Puits et sources
Sous l’effet du réchauffement, des systèmes absorbant les GES de l’atmosphère pourraient les restituer.
•Forêts : – Ralentissement de la photosynthèse lié au stress hydrique / espèces inadaptées : captage – Accélération de l’activité microbienne de digestion avec l’augmentation de température : émissions •Pergélisols : Des hydrates de méthane sous un couvercle de sol gelé .
•Océans : Dégazage (partiel) des carbonates en solution suite à une augmentation de température : HCO 3 + H + CO 2 + H 2 0 Autre influence : pH.
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Une très forte inertie
Élévation du niveau des océans due à la fonte des glaces Élévation du niveau des océans due à la dilatation de l’eau de mer Température moyenne Concentration en CO 2 Hypothèse : évolution des émissions de CO 2 L’arrêt des perturbations n’est pas immédiat après la stabilisation de la concentration en CO 2 , notamment à cause de la « durée de vie » de ce dernier dans l ’atmosphère
(Source : Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 59
61,5
Bilan des flux de carbone annuels
Flux Naturels Atmosphère 60 92 90 En Gtonne de C/ an Flux Anthropiques Atmosphère 1.0
Biosphère Biosphère
Lithosphère
0,04 Lithosphère Océans 6.0
Émissions totales : 150 GtC Séquestration : 153.5 GtC Émissions totales : 7 GtC Séquestration : 0 GtC Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 60
Qu’émettre au plus pour arrêter d’enrichir l’atmosphère en CO 2 ?
Droit maximal à émettre si nous voulons diviser les émissions Idem si nous voulons diviser les émissions mondiales de CO 2 par 3 , avec 9,3 milliards d’habitants mondiales de CO 2 par milliards d’habitants 2 , avec 7 Facteur 4
500 Kg C
Émissions de CO 2 par habitant en 2003 en teq Carbone et « droits maximaux à émettre sans perturber le climat »
(Source WRI pour les émissions par habitant, sur données AIE et UN) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 61
Que faire avec un droit de 500 kgeqC ?
En l’état actuel des technologies, pour émettre ce «droit», il suffit de faire l’une des choses suivantes : faire un AR Paris-NY en avion, ou consommer 3 700 kWh d'électricité en Grande Bretagne ou 3 200 kWh en Allemagne, mais 24 000 kWh en France (consommation annuelle moyenne par Français : environ 8 000 kWh), ou acheter 50 à 500 kg de produits manufacturés, ou construire 4 m² de logement en béton, ou parcourir 6 000 km en 6CV en zone urbaine, ou brûler 7 200 kWh de gaz naturel (quelques mois de chauffage d'une maison).
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME (Source : Jancovici, 2001) 62
Quantification et comptabilisation des émissions de GES
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Forçage radiatif et durée de résidence
La durée de résidence des gaz dans l’atmosphère peut évoluer à l’avenir (notamment pour le CO 2 ) Forçage radiatif au cours du temps d’une tonne de gaz émise à l’instant 0 (axe horizontal : en années -échelle logarithmique ; axe vertical : forçage radiatif en W/m² – échelle logarithmique) Source : D. Hauglustaine, LSCE Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 64
Pouvoir de réchauffement global d’un gaz : PRG
PRG
0
N
0
N F gaz
(
t
)
dt F CO
2 (
t
)
dt
Une équation compliquée, mais une signification « très simple » !
Le Pouvoir de Réchauffement Global : combien de fois le CO 2 ?
65 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Pouvoir de Réchauffement Global des gaz à effet de serre Gaz
Dioxyde de carbone Méthane Protoxyde d’azote Hydrofluorocarbures Perfluorocarbures Chlorofluorocarbures
Formule
CO 2 CH 4 N 2 O C n H m F p C n F 2N+2 C n Cl m F p
PRG à 20 ans PRG à 100 ans
1 72 289 440 à 12 000 5 210 à 8 630 5 300 à 11 000 1 25 298 124 à 14 800 7 390 à 12 200 4 750 à 14 400 (GIEC, 2007) PRG = équivalent CO 2 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 66
Notion d’équivalent carbone
X 12/44 CO 2 C 12 g/mol 12 + 2 x 16 = 44 g/mol X 44/12
Gaz
Dioxyde de carbone Méthane Protoxyde d’azote PFC HFC L ’unité de mesure des physiciens : l’équivalent carbone Hexafluorure de soufre
Formule
CO 2 CH 4 N 2 O C n F 2N+2 C n H m F p SF 6
kg éq C/kg
0,27 6,82 81,3 2 015 à 3 330 34 à 4 040 6 220
kg éq CO 2 /kg
1 25 298 7 388 à 12 210 124,6 à 14 813 22 806 (d’après GIEC, 2007) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 67
Emissions de GES : calcul ou mesure ?
• Impossibilité de mesure directe systématique • Construction de facteurs d’émissions – Mesure initiale des émissions (kg de gaz) d'une situation « standard »,
Ma vache émet 40O g de méthane /jour
– Conversion en impact à l’aide des PRG,
Ma vache a un impact de 400*25 = 10 kgeqCO 2 /jour
– Utilisation de ce ratio pour des situations similaires.
Les vaches comme la mienne ont un impact de 10 kgeqCO 2 /jour
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Le référentiel Bilan Carbone®
Matériaux entrants
fabrication initiale
Transport fret
amont
Energie & Process
transformation
Transport
fret aval
Transport
personnes
Transport
fret interne
Déchets
fin de vie
Produits finis
utilisation
Immobilisations 69
Les gaz pris en compte
Tous les gaz
émis par l’homme et ses activités qui ont un impact sur l’effet de serre : • Gaz de Kyoto (CO 2 , CH 4 , N 2 O, HFC, PFC, SF 6 ), • CFC (Montréal) , • Eau relachée en altitude, • C.O.V., NOx… (faible PRG) Utilisation du
PRG à 100 ans
(enjeux climatique 2100, période de résidence du CO 2 ) Ozone non pris en compte. faible durée de résidence, incapacité à calculer les émissions indirectes, peu d’émissions directes.
70
Exemple de calcul de facteur d’émission
• Le
gazole
est un hydrocarbure CxHy de composition moyenne massique : 86% de Carbone, 14% d’Hydrogène. L’IFP a déterminé que pour produire une « tep » de gazole, les émissions liées à l’extraction et au transport du brut sont de 60 kg équi C/tep, les émissions liées au raffinage sont de 31 kg équi C/tep.
• • 1) Déterminez le facteur d’émission du gazole et les fractions relatives (en %) dues aux différentes opérations : extraction et transport, raffinage, combustion.
2) Sachant qu’une tep de gazole correspond à 1183 litres, en déduire le facteur d’émission du gazole exprimé kg équi C/l.
• •
Emissions liées à la combustion
: 1 tep produira : 1000x0,86 = 860 kg équi C/tep.
Facteur d’émission du gazole par tep
= 60 + 31 + 860 =
951 kg équi C/tep
dont 6,3% pour l’extraction et transport du brut, 3,3% pour le raffinage et 90,4% pour la combustion.
•
Facteur d’émission du gazole par litre
= 951 / 1183 =
0,80 kg équi C/l.
Facteurs d’émission relatifs aux combustibles fossiles utilisés par les sources fixes Facteur d'émissions pour quelques combustibles fossiles, kgeqC /tep
3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 651 651 731 833 845 856 856 890 1 096 1 222 1 233 3 060 0 Gaz naturel Gaz naturel liquéfié (GNV) Gaz de pétrole liquéfié (GPL) Pétrole brut Kérosène Fioul domestique Gazole Fioul lourd Coke de pétrole Coke de houille kg équivalent carbone par tonne équivalent pétrole, en analyse de cycle de vie ( ADEME) Coke de lignite Gaz de haut fourneau Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 72
Facteurs d’émission par kWh électrique Facteur d'émissions pour quelques producteurs européens d'électricité, geqCO 2 /kWh
1200 1000 807 800 600 400 200 242 410 131 319 436 677 538 872 241 549 822 56 126 0 48 0 919 993 829 806 709 679 486 500 575 501 474 589 554 410 105 0 Grammes équivalent CO 2 par kWh (sortie de centrale) pour divers producteurs européens, pour les seules émissions liées à l’utilisation de l’énergie primaire (European Carbon Factor, 2007) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 73
Facteurs d’émission approximatifs par passager.km
Facteur d'émissions pour quelques modes de transport, geqC /(passager.km)
100,0 90,0 80,0 30,0 20,0 10,0 0,0 70,0 60,0 50,0 40,0 20 27 58 60 88 69 3 Train SNCF Train Royaume Uni Bus Voiture, route Avion, long courrier Voiture, ville Grammes équivalent carbone par passager.km pour divers modes de transport, en ordre de grandeur (Source ADEME) Avion, court courrier Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 74
Facteurs d’émission de quelques aliments
kg équivalent C par kg d’aliment pour divers produits agricoles, (Source Manicore/ ADEME) Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 75
Apprendre à compter
Exercices Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Objectifs
• Problème posé :
– Une situation initiale et une évolution – Quel(s) impact(s) ?
• Objectifs
– Quantifier des émissions pour faire le bilan de la situation : hypothèses, méthodologie, ordres de grandeur,… – Conclure en resituant le cas particulier étudié dans un contexte global Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Exercice 1 : énoncé Transport fluvial et/ou routier
Rouen Projet : remplacer la route par le fleuve Travail à réaliser : quantifier l’impact « carbone » du projet Paris Paris vers Rouen Situation initiale Situation envisagée Papier à recycler Route Fleuve et route 80 000 t 80 000 t Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 78
Exercice 2 : énoncé Valorisation de méthane (d’origine fossile)
Projet : depuis 1990, au gré des réglementations le traitement des effluents gazeux a évolué.
Travail à réaliser : quantifier les émissions de « carbone » à chaque étape de traitement Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 79
Exercice 3 : énoncé Restaurant de l’INSA de Lyon
Un groupe d’étudiants a effectué le Bilan Carbone cafétéria de l’INSA de Lyon. Les informations en partie traitées doivent permettre de connaître le contenu « carbone » de l’assiette.
® de la
??? g équ.C
Travail à réaliser : quantifier ce contenu et les différentes proportions des émissions de « carbone » Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME 80
Exercice 3 : éléments de réponse Restaurant de l’INSA de Lyon
Energie 19% Déchets 13%
650 g équ.C
Autres produits alimentaires 25% Transports 4% Amortissement 4% Fluides frigorigènes 3% Viande 32%
« Mangez moins bête ! »
1 repas alternatif par semaine
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Valorisation de chaleur perdue
Analyse exergétique
Economies d’énergie par modification du schéma de fonctionnement
Qualité d’une énergie
BESOINS & NIVEAU DE TEMPERATURE
Expertise énergétique
Disponibilités à Td Besoins – Utilisations à Tb Rejets à Tr
• Rejets thermiques • Déchets de production • Pertes thermiques directes et h
anormal
Diagramme (T,H )
Fluide 1 2 3 4 Four 5 6 aéroréfrigér Température °C entrée 220 320 140 100 sortie 40 200 40 100 20 220 320 220 Puissances donneurs 1800 2400 800 1200 1900 kW accepteurs 6000 600 1500
Quelques infos supplémentaires
M
atière première
E
nergie
L
abeur
T
emps
I
nformation
D
imension
E
au
C
apital monétaire
SYSTEME INDUSTRIEL BIENS ET SERVICES UTILISATEURS SOUS PRODUITS RE-EMPLOI REJET DANS L’ENVIRONNEMENT EMPREINTE ENVIRONNEMENTALE !!
« L’Energie grise » !
Analyse du Cycle de Vie : ACV
Usage et Fin de vie
Combustible Matériaux
Extraction Clientèle Raffinage Transformation Distribution Conversion Stockage Transport
Exemples d’énergie grise
Matière première
Fer à béton Acier inox Aluminium 0% recyclé Aluminium 100% recyclé Cuivre Lamellé collé PVC Bois Béton lourd Eau
Egrise
9 kWh/kg 12 kWh/kg 53 kWh/kg 5 kWh/kg 15,5 kWh/kg 2,8 kWh/kg 17,5 kWh/kg 0,55 kWh/kg 0,4 kWh/kg (900 kWh/m 3 ) 1,7 .10
-3 kWh/kg
Et aussi ... !!
Canette alu 100 feuille A4 Mouton régional Mouton NZ Pain Bœuf Veau Poulet Lait
0,9 kWh 8,1 kWh 18 kWh/kg 80 kWh/kg 14,7 kWh/kg (4,9) 15,1 kWh/kg (8,8) 40,3 kWh/kg (21,6) 2,23 kWh/kg (1,1) 0,82 kWh/kg (1,1)
(Egrise/v nutritive)
Avantages - Inconvénients
•
Vue plus globale
:
développe le sens critique « produit miracle »
éthique de vie
• •
Données difficiles d’accés et variables Calculs longs et délicats
Données ACV à la base des facteurs d’émission utilisés dans un comptage carbone « Etude de l’impact climatique »
Quelques valeurs…
•
Matière première Egrise kWh/kg
• Fer à béton • Acier inox • Aluminium 0% recyclé • Aluminium 100% recyclé • Cuivre • Lamellé collé • PVC • Bois • Béton lourd • Eau • Pain • Veau • Bœuf • Poulet • Lait 9 12 53 5 15,5 2,8 17,5 0,55 0,4 1,7 .10-3 14,7 40,3 15,1 2,23 0,82
Facteur d’émission kg équ.C
/kg
0,87 0,87 2,68 0,8 0,515 0,01 0,1 0,13 16 7,3 0,8 à 1,3 0,33