Sommaire. Les Energies renouvelables : comment ça marche? Centre de Ressources Régional, Poitou Charentes

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1 Les Energies renouvelables : comment ça marche? Centre de Ressources Régional, Poitou Charentes Sommaire Les différentes applications de l énergie solaire a. Produire de la chaleur Chauffe-eau solaire individuel Système solaire combiné b. Produire de l'électricité Solaire photovoltaïque Bois énergie La Bûche a.les appareils indépendants b.le chauffage central Le bois déchiqueté Le granulé a. Les appareils indépendants b. Le chauffage central Le biogaz Les éoliennes L énergie hydraulique La microhydraulique

2 Les différentes applications de l'énergie solaire Les installations solaires utilisent directement le rayonnement solaire pour produire de l'électricité ou de la chaleur. a. Produire de la chaleur L'énergie du soleil peut être convertie directement en chaleur. - Le solaire «passif» s'attache à optimiser l'enveloppe du bâtiment afin de capter les calories solaires, pour les stocker et les restituer hors ensoleillement ; c'est le principe de la conception bioclimatique, - Le solaire «actif» utilise l'énergie du rayonnement solaire grâce à des dispositifs techniques (capteurs solaires thermiques à eau ou à air) pour assurer les besoins d'eau chaude sanitaire (chauffe-eau solaire individuel) et de chauffage (système solaire combiné). Chauffe-eau solaire individuel Côté technique, le principe est simple et efficace. 1 Les capteurs solaires reçoivent l'énergie et la transforment en chaleur. Ils se composent d'un absorbeur, d'un fluide caloporteur (généralement de l'eau mélangée à un antigel), d'un isolant thermique et d'une vitre. Il s'agit de capteurs plans vitrés, essentiellement adaptés aux besoins d'eau chaude sanitaire et de chauffage. 2 Des canalisations calorifugées acheminent la chaleur des capteurs vers le réservoir de stockage grâce à un fluide caloporteur (circuit primaire). 3 - Le ballon de stockage constitue la réserve d'eau sanitaire. Il comporte un échangeur thermique (serpentin) permettant de céder les calories solaires à l'eau sanitaire. Le fluide refroidi retourne ensuite vers les capteurs, où il est chauffé à nouveau. 4 - L'appoint Le chauffe-eau solaire doit être capable d'assurer la totalité des besoins en eau chaude sanitaire lors des journées bien ensoleillées. En période hivernale, ou lors des journées nuageuses, un appoint apporte les calories manquant aux besoins de la famille, il s'agit d'un système électrique ou hydraulique (raccordé à une chaudière fioul, gaz, bois, ), intégré ou non au réservoir solaire.

3 Système solaire combiné Les systèmes solaires combinés et les chauffe-eau solaires ont de nombreux points communs mais un dimensionnement différent. Un système solaire combiné se compose ainsi : - Des capteurs transformant le rayonnement solaire en chaleur. - Un système de stockage. La chaleur fournie par le soleil est stockée dans un réservoir d'eau tampon (principe d'hydroaccumulation) ou dans une dalle chauffante (principe PSD ), - Des émetteurs très basse température (plancher chauffant, mur chauffant, radiateurs basse température), - Une régulation, élément indispensable au bon fonctionnement du système. Son rôle sera de donner la priorité à l'énergie solaire et de moduler l'énergie d'appoint, - Le système d'appoint, nécessaire quand l'ensoleillement n'est pas suffisant peut-être intégré ou séparé du système solaire : - Système d'appoint séparé : cheminée, poêle à bois, etc. - Système d'appoint intégré : la production de chaleur complémentaire est assurée par une chaudière (bois, fioul, gaz, etc.) assurant le relais automatiquement.

4 b. Produire de l'électricité Le rayonnement solaire peut être directement converti en électricité grâce à des panneaux solaires photovoltaïques. Les systèmes photovoltaïques se classent en fonction de leur type de branchement : raccordés au réseau ou autonomes. Solaire photovoltaïque L effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien Becquerel. Certains matériaux, comme le silicium (sable siliceux), possèdent la propriété de produire de l électricité quand ils reçoivent la lumière du soleil. Côté technique, le principe est simple et efficace. Une installation photovoltaïque comprend : 1 Les capteurs (ou modules) solaires. Ils convertissent l énergie solaire en courant continu. Ils se composent de cellules de silicium, d une vitre de protection contre les intempéries, d une protection contre les sur-tensions, d un dispositif de branchement et d un cadre (ou d une vitre sur la face arrière).une cellule est définie par sa puissance crête (puissance maximale définie pour un flux lumineux de 1000 W/m² à une température de 25 C), elle est exprimée en Wc (watt crête). 2 L onduleur. Il transforme le courant continu en courant alternatif, compatible avec les exigences de qualité, de fiabilité et de sécurité du réseau de distribution. En cas d arrêt de la distribution d énergie du réseau, l onduleur ne débite aucun courant sur le circuit intérieur de l habitation, ni sur le réseau. 3 Les compteurs (3 et 4). Ils affichent la consommation d énergie électrique de l usager et la productivité photovoltaïque de l installation. Le courant produit peut-être directement utilisé par les appareils électriques (6) en fonctionnement et l excédent d énergie est injecté sur le réseau (5) ; il s agit d une vente du surplus. Mais, le courant produit peut également être injecté en totalité sur le réseau de distribution ; il s agit d une vente totale de l énergie.

5 Bois énergie La Bûche Le feu de bois est le chauffage le plus utilisé par l homme depuis environ ans, et reste toujours d actualité. En France chaque année, 7 millions d appareils de chauffage et 1,5 millions de cheminées ouvertes consomment environ 51 millions de stères de bois en bûches. Le combustible : Le conditionnement de la bûche peut se faire en rondins de 33 cm, 50 cm ou 1m. L unité de vente est le stère (un stère en bûches d un mètre de longueur occupe un volume apparent de 1m3). Le volume d'un stère diminue lorsque les bûches sont recoupées. La diminution de volume est très variable et dépend des irrégularités des bûches et du façonnage. Le stère n occupe plus que 0,8 m3 une fois les bûches recoupées en 0,5 mètre de longueur et 0,7 m3 si elles sont recoupées en bûches de 0,33 mètre. Certains utiliseront une unité traditionnelle : la corde. Mais attention aux variantes selon les régions (ex Poitou Charentes : 1 corde = 3 stères. Limousin : 1 corde = 4 stères). Le contenu énergétique de 1 stère de bois varie de 1100 kwh à 1500 kwh (soit 110 à 150 litres de fioul). Le prix moyen est généralement compris entre 38 et 54 par stère, soit 0,03 à 0,04 /kwh. a.les appareils indépendants De la cheminée ouverte La cheminée ouverte joue un rôle principal d agrément, simplement pour contempler le spectacle des flammes. Il est difficile de chauffer une habitation avec ce système de chauffage trop coûteux en énergie et en rejets polluants (rendement inférieur à 10%). Cependant, pour les inconditionnels du feu de bois, il est préférable de moderniser cette cheminée en y installant un insert, spectacle des flammes et rendement garantis! Les foyers fermés, quant à eux, sont des appareils de chauffage habillés d une cheminée décorative. La chaleur est principalement diffusée par rayonnement. Avant l achat, il est préférable de vérifier les rendements, variant de 50 à 75%. Le Label Flamme Verte, gage d appareils de qualité, certifie des rendements de plus de 70 %, synonymes d économie de combustibles.

6 Aux poêles à bois Une large variété de poêles à bois existe et il est souvent difficile de faire un choix, plusieurs critères sont à prendre en compte : le rendement, l autonomie, les matériaux constitutifs Les poêles de conception ancienne : l autonomie et le rendement sont relativement faibles, ils se caractérisent par une seule arrivée d air et une unique zone de combustion au niveau des bûches. L avantage de ces appareils est leur faible coût à l achat. Ils peuvent convenir pour une résidence secondaire ou des usages occasionnels. Les poêles à bûches performants : ils présentent un progrès considérable avec la présence d une seconde arrivée d air, améliorant ainsi la combustion du bois. Les rendements sont plus élevés que les précédents (près de 70%). La chaleur est diffusée majoritairement par rayonnement. Les poêles de masse : Fabriqués en briques réfractaires, faïence, stéatite, ils ont une masse importante. La chaleur accumulée dans les éléments de maçonnerie se diffuse de manière progressive, essentiellement par rayonnement, permettant d obtenir une restitution thermique de plus de 15 heures. L inconvénient est son encombrement et son prix. Ces types d appareils ne sont pas adaptés pour les maisons secondaires ayant besoin d être chauffées rapidement. b.le chauffage central Plus performantes que les poêles et les cheminées, les chaudières à bois d aujourd hui affichent de hauts rendements et n ont plus rien à envier aux chaudières fioul et gaz. De plus, pour se libérer des manipulations pénibles de bois, les usagers peuvent équiper la chaudière d une alimentation automatique (bois déchiqueté ou granulés). Plusieurs types de chaudières à bûches existent, des plus simples à tirage naturel jusqu aux chaudières turbo modernes. Les chaudières à tirage naturel sont les premières apparues sur le marché. Elles se caractérisent par une combustion incomplète et un rendement particulièrement faible. Elles présentent le seul avantage d être bon marché à l achat. Plus récentes et performantes, les chaudières à tirage forcé, dites «turbo», affichent un rendement de plus de 70%. Un ventilateur souffle l air nécessaire à la combustion. Il s arrête quand la température est atteinte. L économie de combustible est de l ordre de 30%, les rejets polluants sont réduits et l autonomie est accrue. Les chaudières à bois peuvent être raccordées à un ballon tampon (appelé également hydroaccumulateur). Ce dernier stocke le surplus de chaleur produit par la chaudière et le restitue au bâtiment lorsque la chaudière est arrêtée. Ainsi, on augmente le rendement et l autonomie de l installation, supprimant ainsi les phases de ralenti, causes de corrosion de la chaudière.

7 Le bois déchiqueté Les plaquettes, combustibles locaux, sont obtenues à partir du déchiquetage de rémanents forestiers (houppiers, branches,...) ou de sous produits de l industrie du bois. Elles se présentent sous forme rectangulaire, plus ou moins régulière (3 cm x 1cm x 0,5cm). L humidité des plaquettes varie entre 20 et 30%. L unité de mesure utilisée pour le bois déchiqueté est le MAP : Mètre cube Apparent de Plaquettes (1 MAP = 95 litres de fioul ou 75 kg de propane). Les plaquettes forestières offrent plusieurs avantages : - Un coût au kwh plus intéressant que les combustibles fossiles. - Des facilités d utilisation proches des combustibles fossiles. Cependant, le bois déchiqueté étant volumineux (1 stère de bois génère 1,5 MAP), il requiert un espace de stockage suffisamment important. Pour cette raison, ce combustible est principalement utilisé en milieu rural. Le contenu énergétique de la plaquette forestière est en moyenne de 3500 kwh par tonne. Le prix moyen est généralement compris entre 15 à 20 par m3, soit 0,02 à 0,03 /kwh. Les chaudières à alimentation automatique libèrent les utilisateurs des contraintes de chargement rencontrées avec les chaudières «bois bûches». Elles offrent un confort identique aux chaudières traditionnelles fioul ou gaz. Certaines chaudières peuvent également accepter de la sciure ou du granulé. L alimentation en air et combustible est régulée automatiquement, assurant ainsi une combustion complète et un rendement optimisé (70 à 85 %). Le décendrage peut également être automatisé (cendres < à 2%), le bac à cendres est à vider une à deux fois par mois. La chaudière est constituée de plusieurs parties : - Le dessileur pour extraire le combustible du silo. - La vis d Archimède assurant le transport du combustible du silo vers le générateur. - Le générateur où se développe la combustion du bois. Le bois déchiqueté, livré par camion benne (en Poitou-Charentes) est déchargé au sol ou dans un silo aérien (dans ce dernier cas la livraison est effectuée avec un camion muni d un grappin). Il peut également être déchargé directement dans un silo enterré (étanche à l eau). Ce dernier est généralement accolé à la chaufferie. Son volume dépendra de l espace disponible et de l autonomie souhaitée.

8 Plusieurs configurations de silo sont possibles, voici quelques exemples : Le granulé Les granulés offrent un autre débouché pour les sous produits des usines de transformation du bois. Ils sont faits à base de sciure de bois compressée (sans additif) et se présentent sous la forme de petits cylindres de 6 à 9 mm de diamètre, comparables aux petits bouchons de luzerne bien connus des agriculteurs. Le pouvoir calorifique des granulés est très élevé compte tenu de sa faible teneur en eau (8 à 10 % d humidité). Très denses (650 kg /m3), les granulés occupent moins de place que le bois déchiqueté. Conditionnés par sacs, par big bag, ou livrés en vrac, les granulés sont particulièrement adaptés au milieu urbain. Ils peuvent aussi bien alimenter les chaudières automatiques que les nouvelles générations de poêles à bois. Le contenu énergétique du granulé est supérieur à 4600 kwh/tonne (1 tonne = 460 litres de fioul). Le prix généralement pratiqué est compris dans une fourchette de 180 à 250 TTC la tonne livrée par camion souffleur selon la distance et la Pour les livraisons en sacs, le prix varie de 280 à 360 TTC la tonne.

9 a. Les appareils indépendants Les poêles à granulés présentent l évolution la plus importante dans l histoire du poêle à bois et offrent de nombreux avantages. Utilisant du granulé comme combustible, ces poêles permettent de limiter les manipulations. Ils sont munis d une réserve située à l arrière du poêle, les granulés sont amenés progressivement dans le foyer par une vis sans fin. Les rendements peuvent atteindre 85%, la combustion est complète et maîtrisée. Une simple ventouse suffit pour évacuer les fumées. b. Le chauffage central Les chaudières automatiques libèrent les utilisateurs des contraintes de chargement rencontrées avec les chaudières «bois bûches». Elles offrent un confort identique aux chaudières traditionnelles fioul ou gaz. L alimentation en air et combustible est régulée automatiquement, assurant ainsi une combustion complète et un rendement optimisé (70 à 85 %). Le décendrage peut également être automatisé (cendres < à 2%), le bac à cendres est à vider une à deux fois par mois. La chaudière est constituée des parties principales suivantes : - La vis d extraction du combustible située dans le silo. - La vis d Archimède ou le système pneumatique assurant le transport du combustible du silo vers le générateur. - Le générateur où se développe la combustion du bois. La livraison par sac est adaptée aux petites consommations (poêles d appoint par exemple). Le vrac est recommandé pour les chaudières possédant un système d alimentation automatique et couvrant la totalité des besoins de chauffage du bâtiment. Les livraisons de granulés, s effectuant généralement par soufflage, sont plus simples. Le camion citerne, équipé d un tuyau de plus de 20 mètres, se raccorde directement aux manchons du silo. Ce dernier, en textile ou maçonné, peut jouxter la chaufferie (alimentation de la chaudière par vis sans fin) ou en être éloigné jusqu à 20 mètres. Le transfert du granulé depuis le silo vers la chaudière se fait alors par système pneumatique. Le silo doit être parfaitement étanche à l'eau (gonflement irrémédiable des granulés au contact de l'eau) et à l'air. Le matériau constitutif de la structure du silo doit être résistant au feu, tout matériel électrique y est proscrit (lampe, prise, commutateur, ou boîte de distribution électrique). Il est nécessaire de prévoir une trappe de visite pour accéder à l'intérieur du silo, des œilletons peuvent également être aménagés afin de visualiser le stock de granulés.

10 Plusieurs configurations de silo sont possibles, voici quelques exemples : Le biogaz Les déchets organiques sont susceptibles d être transformés en biogaz lors de leur dégradation selon un processus de fermentation aérobie (exemple : le compostage) ou anaérobie (la méthanisation). Le biogaz, combustible composé de méthane, de gaz carbonique, et de quelques autres composants, affiche une très grande diversité dans ses modes de production et de valorisation. Le biogaz peut être capté directement dans les centres d enfouissement (les décharges) ou produit à l aide de méthaniseurs (stations d épuration des eaux usées, méthanisation des déchets agricoles ). Ainsi produit, il peut être valorisé en électricité et/ou en chaleur ou en carburant.

11 Les éoliennes Dès l Antiquité, l homme utilisait l énergie éolienne pour se mouvoir sur l eau (marine à voile pour les conquêtes et le commerce) et se nourrir (moulins à vent pour la meunerie, l irrigation, etc.). L énergie du vent était principalement valorisée en énergie mécanique; aujourd hui les évolutions technologiques et les impératifs dus au développement de la civilisation l ont brillamment promue aux premiers rangs des générateurs d électricité. Constitution d une éolienne Pale (1): généralement, l éolienne est constituée de trois pales. Le diamètre du cercle balayé varie de 40 à 120 m Moyeu (7) sur lequel sont fixées les pales ; l ensemble forme le rotor. Nacelle (6) dans laquelle se trouve un premier arbre lent (2) entraînant le multiplicateur (3). L alternateur (5) quant à lui produira de l électricité. Mât (8) de 50 à 110 mètres Principe de fonctionnement : L action du vent entraîne les pales à une vitesse variant de 10 à 25 tours par minute, selon les machines. La rotation de l alternateur transforme l énergie cinétique du rotor éolien en électricité ; l énergie ainsi produite est injectée sur le réseau électrique. Il n y a donc pas de stockage d énergie, mais une production au fil du vent. Élément essentiel, la girouette (9) ordonne l orientation du rotor face au vent ; l anémomètre (10), quant à lui, veille à l optimisation du rendement aérodynamique des pales et à la sécurité de la machine, dont la puissance respectable dépasse couramment 2 MW.

12 L énergie hydraulique L énergie hydraulique fut une des premières énergies utilisées par l humanité. Dès l antiquité, on se servait de la force de l eau pour faire tourner les moulins et moudre le grain, faire fonctionner les machines à tisser. Aujourd hui, en plus de fournir de l énergie mécanique, la force de l eau produit de l électricité (Principe découvert en 1869 par A. Bergès). L UNIPEDE (Union Nationale des Producteurs et Distributeurs d Énergie Électrique) a réalisé un classement des petites centrales hydrauliques (PCH) en fonction de la puissance installée. Ainsi, on parle de : Pico-centrale pour une puissance inférieure à 20 kw Micro-centrale pour une puissance comprise entre 20 kw et 500 kw Mini-centrale pour une puissance comprise entre 500 kw et 2 MW Petite centrale pour une puissance comprise entre 2 et 10 MW La microhydraulique L eau est amenée par une conduite forcée, un canal ou un bief. La force de l eau actionne une turbine entraînant directement des machines (meules, scies, etc.) pour une exploitation mécanique, ou un générateur électrique. L eau est ensuite restituée à son milieu par un canal de restitution. La puissance électrique d une installation hydraulique sera déterminée à partir : - Du débit d eau - De la hauteur de chute Ces éléments sont à mesurer de façon précise pour analyser le potentiel du site.