Impact des systèmes énergétiques sur l'environnement

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1 Impact des systèmes énergétiques sur l'environnement TEWI et ODP Préparé par Demba Ndiaye grâce à l appui financier du bureau d appui pédagogique Introduction TEWI (Total Equivalent Warming Impact) Indice de mesure de l'impact sur le réchauffement global ODP (Ozone Depletion Potential) Indice de mesure de l'impact sur la destruction de la couche d'ozone 2 1

2 Sommaire Explication de l'effet de serre TEWI (total equivalent warming impact) Formule du TEWI Exemple de calcul du TEWI Contraintes sur le TEWI ODP (ozone destruction potential) Ozone stratosphérique Appauvrissement de la couche d'ozone Potentiel de destruction de l'ozone (PDO) 3 Effet de serre Spectre du rayonnement solaire Source: 4 2

3 Effet de serre Variation de la transmittance en fonction de la longueur d onde: un exemple Transmittance (%) Longueur d'onde (microns) 5 Effet de serre Illustration: capteur solaire 6 3

4 Effet de serre Source: 7 Effet de serre Gaz à effet de serre: dioxyde de carbone (CO 2 ), méthane (CH 4 ), oxyde nitreux (N 2 O), chlorofluorocarbones (CFC), hydrochlorofluorocarbones (HCFC), hydrofluorocarbones (HFC), etc. Depuis le début de la révolution industrielle, les concentrations atmosphériques de CO 2 ont accru de près de 30 %, celles de N 2 O de 15 %, et celles de CH 4 ont doublé (principal responsable: l homme). 8 4

5 Effet de serre Augmentation des concentrations atmosphériques en CO2 depuis 1750 Source: 9 Effet de serre Forçage radiatif: changement net (entrant moins sortant) en irradiation (solaire et grandes longueurs d onde; en W/m 2 ) résultant d une perturbation dans la troposphère (exemple: changement dans la concentration de CO 2 ) forçage radiatif positif : augmentation des températures (réchauffement) forçage radiatif négatif : diminution des températures (refroidissement) 10 5

6 Effet de serre Potentiel de réchauffement de la planète (GWP - Global Warming Potential): index simplifié basé sur les propriétés radiatives et destiné à quantifier l impact potentiel futur des émissions d un gaz par rapport à un gaz de référence les valeurs de GWP fréquemment utilisées sont celles déterminées par le GIEC (Groupe Intergouvernemental sur l Évolution du Climat) le gaz de référence du GIEC est le CO 2 11 GWP d un gaz = nombre de kg de CO 2 qui devraient être émis pour causer la même variation sur le forçage radiatif que l émission de 1 kg de ce gaz Formule (pour un gaz X): GWP( X ) = TH X 0 TH 0 r [ ()] a X t dt [ ()] a r t dt TH: temps d intégration (20, 100 ou 500 années en général) a X : efficacité radiative du gaz X due à une augmentation unitaire dans l abondance atmosphérique de ce gaz (i.e. W.m -2.kg -1 ) X(t): taux de disparition de l atmosphère d une émission instantanée du gaz X Au dénominateur: les données relatives au gaz de référence «r», soit le CO

7 Exemple de courbe de taux de disparition Source: McCulloch (1994) 13 Exemples de valeurs de GWP (d après le GIEC) Gaz Efficacité radiative (W.m -2.ppb -1 ) Durée de vie (années) GWP Temps d intégration (années) Dioxyde de carbone CO Méthane CH 4 3, Oxyde nitreux N 2 O 3, Chlorofluorocarbones CFC-11 CCl 3 F 0, CFC-12 CCl 2 F 2 0, CFC-13 CClF 3 0, CFC-113 CCl 2 FCClF 2 0, CFC-114 CClF 2 CClF 2 0, CFC-115 CF 3 CClF 2 0,

8 TEWI Total Equivalent Warming Impact pourrait être traduit comme Effet de Serre Équivalent Total index développé par ORNL (Oak Ridge National Laboratory - U.S.A.) en 1991 pour les réfrigérants traduit une approche plus significative que le GWP agit sur la durée de vie permet d utiliser une même unité de compte: la masse équivalente de CO 2 15 (TEWI) TEWI combine effet direct et effet indirect pour un réfrigérant effet direct: les fuites de réfrigérant du système vont occasionner l effet de serre; même chose à la fin de la vie de l équipement si le réfrigérant n est pas récupéré effet indirect: traduire la part de l énergie consommée dans le fonctionnement de l équipement (énergie de fonctionnement) énergie de fonctionnement CO

9 FORMULE DU TEWI (en kg CO 2 ): Il se calcule habituellement pour un système (pompe à chaleur, refroidisseur, ) utilisant un réfrigérant TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann avec: M ref : masse du réfrigérant émise dans l atmosphère GWP ref : GWP du réfrigérant M agg : masse de l agent d expansion émise dans l atmosphère GWP ref : GWP de l agent d expansion α: facteur de conversion des unités de l énergie utilisée en CO 2 -équivalents E ann : énergie consommée annuellement par le système DV: durée de vie du système en années 17 TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Masses émises dans l atmosphère M ref = somme de: 1. fuites de réfrigérant au cours de la durée de vie du système (entre 2 et 15 % de la charge par année) 2. portion de la charge non-récupérée à la fin de la vie du système (entre 0 et 100 %) Idem pour M agg (agent d expansion) Durée de vie du système (DV): Généralement prise entre 10 et 30 années dans les études 18 9

10 TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Facteur de conversion énergie-co 2 (α) quantité de gaz à effet de serre (en équivalents-co 2 ) émise suite à la production et à la distribution d une unité de l énergie qu utilise le système pour fonctionner Exemple: kwh si c est l électricité. Dans ce cas, α est exprimé en kg CO 2 /kwh et E ann doit être en kwh α dépend des types d énergie utilisés (charbon, pétrole, gaz naturel, hydroélectricité, nucléaire, etc.) α varie donc suivant les pays (exemple pour l électricité: 0,674 kg CO 2 /kwh aux U.S.A.; 0,222 au Canada) α peut aussi varier suivant les régions dans un même pays (0,497 kg CO 2 /kwh à l Ouest des U.S.A. et 0,939 au Centre-Est; 0,009 au Québec et 1,984 en Nouvelle-Écosse) 19 TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Valeurs de α au Canada pour l électricité (selon Ressources Naturelles Canada ) Province α (kg CO 2 /kwh) Terre-Neuve et Labrador 0,034 Iles-du-Prince-Édouard 1,012 Nouvelle-Écosse 1,984 Nouveau-Brunswick 1,012 Québec 0,009 Ontario 0,236 Manitoba 0,030 Saskatchewan 0,844 Alberta 0,915 Colombie-Britannique 0,027 Territoires 0,368 Moyenne 0,

11 TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Valeurs de α pour divers pays selon le Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques (CETIAT - France) Pays α (kg CO 2 /kwh) Allemagne 0,66 Australie 1,04 Canada 0,26 Danemark 1,1 Etats-Unis 0,65 France 0,12 Italie 0,60 Japon 0,42 Norvège 0,005 Royaume-Uni 0,84 Suède 0,042 Suisse 0,14 Europe 0, TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Exemple de calcul de TEWI Soit une voiture dont le système de climatisation utilise du CFC-12 (R-12) comme réfrigérant le système contient 1,2 kg de réfrigérant (charge) le taux de fuite annuel de réfrigérant vaut 33,3 % (400 g de perdu par année) il est supposé que tout le réfrigérant est récupéré à la fin de la vie du système (charge non-récupérée = 0 %) le système à une durée de vie de 11 ans (DV = 11) il n y a pas d agent d expansion M M M ref ref agg = 0,333 1,2 11 = 4,4 kg =

12 TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Exemple de calcul de TEWI (suite) on fait le calcul sur la base de 100 ans pour le GWP le GWP du CFC-12 sur 100 ans vaut: GWP ref = pour faire fonctionner le système et le transporter, il est requis 91 L d essence par année Eann = 91 L le facteur de conversion pour l essence est: α = 2,32 kg CO 2 /L (d essence) TEWI = 4, , TEWI = kgco 2 À titre de comparaison, une voiture roulant km/an émet environ 4000 kg de CO2/an 23 TEWI = M GWP + M GWP + α E DV ref ref agg agg ann Contraintes sur le TEWI l effet indirect (celui lié à l énergie consommée) dépend de α. Or ce facteur de conversion est très variable d une région à l autre. Le TEWI ne peut donc être utilisé pour comparer des systèmes localisés dans des régions différentes le TEWI dépend d un réfrigérant donné et d un système déterminé (hypothèses sur la durée de vie de celui-ci et sur son efficacité) le TEWI dépend du GWP, lequel varie selon le temps d intégration (20, 100, 500 ans) considéré; il y a aussi une incertitude de ± 35 % sur les valeurs de GWP le TEWI n est que l un des critères qui doivent être considérés parmi: santé, sécurité, impact sur la couche d ozone, coûts d opération et de maintenance, etc

13 Ozone stratosphérique Couches de l atmosphère Troposphère: de 0 à 10 km d altitude environ Stratosphère: km Mésosphère: km Thermosphère: au-delà de 80 km Source: 25 Ozone stratosphérique Ozone (O 3 ) présent à l état naturel dans la stratosphère (10-50 km d altitude) Formation: O + rayonnementuv O + O 2 O+ O O 2 3 concentration varie avec l altitude: maximale entre 20 et 30 km (couche d ozone) 90 % de l ozone dans la stratosphère 10 % de l ozone dans la troposphère 26 13

14 Ozone stratosphérique L ozone protège la terre des rayons UV (ultraviolets) nuisibles émis par le soleil O3+ rayonnementuv O2+ O O+ O O 2 3 rayons UV: 3 parties UV-A: 0,32 à 0,40 microns UV-B: 0,28 à 0,32 microns UV-C: 0,20 à 0,28 microns Source: 27 Appauvrissement de la couche d ozone Appauvrissement observé pour la première fois au-dessus de l Antarctique (début 1970s) et audessus de l Arctique (1992) Responsables: brome (10 à 30 % des pertes d ozone) et chlore (monoxyde de chlore - ClO) Conditions optimales pour les réactions d appauvrissement: froid intense présence de rayons UV et de brome ou de chlore 28 14

15 Appauvrissement de la couche d ozone Une réaction typique: C l O + O O + C l C l + O O + C l O 3 2 N e t : O + O 2 O Effet net: formation de 2 molécules d oxygène à partir d un atome d oxygène et d une molécule d ozone la molécule de ClO n est pas affectée. Elle pourra détruire d autres molécules (cycle catalytique) 29 Appauvrissement de la couche d ozone Source:

16 Appauvrissement de la couche d ozone Diminution moyenne de l ozone par décennie entre 65 N et 65 S (en %) S A IS O N P É R IO D E A N A L Y S É E H IV E R -2,7 ± 0,7-4,7 ± 0,8 É T É -1,3 ± 0,4-3,3 ± 1,2 Évolution de la couche d ozone: Hémisphère NORD (Arctique) Hémisphère SUD (Antarctique) Au-dessus de la région sud du Canada: amincissement de la couche d ozone d environ six pour cent en moyenne depuis fin 1970s 31 Appauvrissement de la couche d ozone Mesures prises par la communauté internationale pour protéger la couche d ozone: protocole de Montréal (1987)

17 Potentiel de destruction de l ozone (PDO) Substances qui détruisent la couche d ozone (SDO): chlorofluorocarbones (CFC) hydrochlorofluorocarbones (HCFC) halons bromure de méthyle (CH 3 Br) tétrachlorure de carbone (CCl 4 ) méthylchloroforme Pour estimer l impact relatif de ces SDO, on définit le PDO 33 Potentiel de destruction de l ozone (PDO) PDO aussi appelé Potentiel d appauvrissement de la couche d ozone en anglais: ODP (Ozone Depletion Potential) Indice proposé par Wuebbles pour la première fois en 1983 PDO = indicateur normalisé, basé sur une valeur de pour le CFC-11, de la capacité des réfrigérants (et autres produits chimiques) de détruire les molécules de l ozone stratosphérique 34 17

18 Potentiel de destruction de l ozone (PDO) Formule: pour un composé chimique X PDO( X ) = Pertestotales d ' ozonecausées par X Pertes totales d ' ozone dues au CFC -11 PDO donc affecté par: nature du composé nombre d atomes de chlore ou de brome masse moléculaire durée de vie dans l atmosphérique 35 Potentiel de destruction de l ozone (PDO) PDO et GWP 100 de quelques composés: PDO 1 0,8 0,6 0,4 0, CFC-11 CFC-12 CFC-113 CFC-114 CFC-115 HCFC-21 HFC-134 GWP 36 18

19 Potentiel de destruction de l ozone (PDO) Limitation: le PDO est défini pour le long terme; ainsi les substances ayant une durée de vie très courte ont un effet beaucoup plus grand sur l ozone que ne le laissent penser leur PDO Pour contrecarrer cette limitation, on a défini un PDO dépendant du temps: Pertes totales d ' ozone causées par X sur la périodet PDO( X, T ) = Pertes totales d ' ozone dues au CFC -11sur la périodet 37 Références IPCC. (2001). Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press, Cambridge, U.K. IIF. (1995). 11e note d information de l Institut International du Froid sur les CFC, le froid et les HCFC - Pour évaluer l effet de serre lié au froid: GWP, TEWI, COP? Revue générale du froid, mai 1995, pp McCulloch, A. (1994). Life Cycle Analysis to Minimise Global Warming Impact. Renewable Energy, v5, pp Menzer, M.S. (2002). Use of Energy Efficient Products as a Measure for Responding to Climate Change [En ligne]. (Consultée en mai 2002) Fischer, S.K., Fairchild, P.D. et Hughes, P.J. (1992). Global warming implications of replacing CFCs. ASHRAE Journal, April 1992, p

20 Références (suite) Baxter, V., Fischer, S. et Sand, J.R. (1998). Global Warming Implications of Replacing Ozone-Depleting Refrigerants. ASHRAE Journal, September 1998, p23. Sand, J.R., Fischer, S.K. et Baxter, V.D. (1999). Comparison of TEWI for Fluorocarbon Alternative Refrigerants and Technologies in Residential Heat Pumps and Air-Conditioners. ASHRAE Transactions, v105, pt1. Gopalnarayanan, S. et Rolotti, G.D. (1999). Total Equivalent Warming Impact of R-22 Alternatives in Air-Conditioning and Heat Pump Applications. ASHRAE Transactions, v105, pt1. Falcon, B. (2000). Dossier de conception de TEWI.XLS. Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques (CETIAT), NTV 2000/085, France. Fischer, S.K. (1993). Total equivalent warming impact: a measure of the global warming impact of CFC alternatives in refrigerating equipment. Revue Internationale du Froid, v16, n6, pp Références (suite) Billiard, F. (1995). Le froid dans les IAA au regard de l environnement. Revue Générale du Froid, mars 1995, pp Newman, P.A. (1998). Preserving Earth s stratosphere. Mechanical Engineering, v120 n10, pp AIRAH. (1998). Air Conditioning and Refrigeration Industry - Refrigerant Selection Guide. AIRAH National Refrigerant / CFC Subcommittee, June Calm, J.M. et Hourahan, G.C. (1999). Physical, Safety and Environmental Data for Refrigerants. Heating/Piping/AirConditioning, August Rousseaux, P. et Apostol, T. (2000). Valeur environnementale de l énergie. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne, Suisse. ONE. (1999). L énergie au Canada - Offre et demande jusqu à Office national de l énergie, Canada. SIMAPRO. (2001). SimaPro 5 Demo. Pré Consultants B.V. (disponible sur

21 Références (suite) Cane, D. et Garnet, J. (2000). Global Warming Impacts of Earth Energy Systems Compared to other Heating and Cooling Systems. In TheProceedingsof thefourthinternational Conference on Heat Pumps in Cold Climates, August 16-18, 2000, Aylmer, Canada. Laue, H.J. (1994). The Impact of Heat Pumps on Global Warming and Ozone Depletion. Heat Recovery Systems & CHP, v14 n3, pp Aubé, F. (2001). Guide de calcul des émissions de CO 2 reliées à la consommation énergétique. Ressources Naturelles Canada (disponible à