Introduction sur l énergie.

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1 Introduction sur l énergie. Généralités Perspectives françaises et mondiales Plan du cours : Différentes formes d énergie Réserve d énergie dans le monde Consommation d énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l énergie électrique J. Seigneurbieux DA 2 L énergie, plusieurs aspects : Scientifiques Sources, stockage, transport, conversion, Economiques Prix, taxes, projection dans le futur, Politiques Indépendance énergétique, acceptation du public, Environnementaux Pollution locales, globale, gestion des déchets, 3 Chaleur : Mécanique : Ordres de grandeur, unités, exemples Il faut 1000 calories soit 4180 joules pour chauffer de 1 C un kg d eau 4180 J/kg/ C pour l eau Il faut 4000 J pour élever de 4 m un poids de 1000 newtons (soit une masse d environ 100 kg dans le champ de pesanteur terrestre à 10 m/s²) Rayonnement : En plein soleil, une surface noire de 1 m² capte, en une seconde, 1000 J L unité du Système International est le JOULE 1 kwh = J Symbole de l énergie W = c.m.δt 1 kg 1 C W = F.d 1000 N 4 m 4 Puissance et énergie La puissance, c est le débit d énergie : W P = t P en watts (W) et W en joules (J) t en secondes Exemples : - pour échauffer 1 kg d eau, de 1 C, en 1 seconde : il faut 4180 watts (4,18 kw) - pour lever 1000 N (environ 100 kg), à 4 mètres, en 1 seconde : il faut 4 kw 5 Puissance et énergie P = W t Réaliser des travaux énergétiques plus rapidement nécessite une puissance plus élevée Exemple CHAUFFE EAU Pour réchauffer, de 50 C, 300 litres d eau (soit 63 MJ) en en une nuit de 8 heures ( secondes): il faut 2,18 kw Pour réaliser cette opération en 2 heures, il faudrait 4 fois plus de puissance : 8,8 kw! 6

2 Différentes formes d énergie dans le monde Définition : énergie primaire Constituée de toutes les sources énergétiques non transformées disponibles dans la nature, Elles se subdivisent en énergies épuisables et énergies renouvelables Les sources primitives d énergie LE FEU à partir du bois ou d huile : il a servi à presque tout. LA FORCE ANIMALE (bœufs, chevaux, chiens...) L EAU des rivières et des marées (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) Toutes des énergies renouvelables! 7 8 Les sources «modernes» du 20 ème siecle et les vecteurs COMBUSTIBLES FOSSILES charbon, pétrole, gaz naturel FISSION ATOMIQUE (uranium) «Énergies primaires» Vecteur moderne de l énergie : ÉLECTRICITÉ Et peut-être bientôt : HYDROGENE 9 Énergie primaire Charbon Pétrole Gaz naturel Nucléaire (uranium) Primaire renouvelable Hydraulique Eolienne bois et déchet de bois Biomasse biogaz déchets urbains Géothermie Solaire thermique Photovoltaïque 10 Définition : énergie secondaire C est l énergie après transformation de l énergie primaire Stade des conversions et du transport de l énergie, éventuellement de son stockage la production d électricité est prépondérante à ce niveau mais aussi le raffinage du pétrole, la production de vapeur industrielle et la production d hydrogène, (appelé à devenir un vecteur énergétique majeur) Énergies secondaires Electricité Produits pétroliers Vapeur Hydrogène (à l avenir) Le rapport de l une sur l autre est le rendement de la transformation 11 12

3 13 14 Notions de conversion d énergie et de rendement énergétique L énergie ne se perd pas, elle se transforme ou se convertit Lors d une conversion, une partie de l énergie est «dissipée» en chaleur Exemple : moteur thermique à explosion pour la propulsion d une voiture chaleur Pertes par frottements chaleur W fournie Carburant Énergie mécanique Transmission Moteur à explosion mécanique W utile Énergie mécanique transmise aux roues Rendement η = W W utile fournie Chaleur! 15 Unités d énergie : Électron-Volt = 1, Joule Calorie = 4,18 Joule KiloWatt-Heure = 3,6 MJoule TEP : tonne équivalent pétrole = 42 GJoule = 11,7 MWh 1 MWh = 0,0857 tep 16 Équivalence énergétique des combustibles fossiles 1 tonne charbon (tec) = 0,697 tep m3 gaz naturel = 0,857 tep 1 tonne gaz liquide = 1,096 tep 1 tonne uranium naturel = tep 17 Équivalence énergétique des combustibles fossiles kwh électricité primaire hydraulique = 0,0857 tep (valeur énergétique directe) kwh électricité primaire nucléaire = 1 MWh = 0,222 tep (quantité de pétrole pour produire 1 MWh d électricité dans une centrale moderne. Avec un rendement de 0,385, on obtient 1 MWh = 0,222 tep) 18

4 Plan du cours : Différentes formes d énergie Réserve d énergie dans le monde Consommation d énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l énergie électrique D où vient l énergie? La majeure partie vient du solaire : réactions thermonucléaires Gravitation Radioactivité terrestre Ressources énergétiques non renouvelables LIMITEES réserves exploitables durées au rythme actuel de consommation FOSSILES Pétrole : kwh soit 40 à 50 ans Charbon : kwh soit 220 ans Gaz naturel : 1, kwh soit 60 ans «Epuisables» NUCLÉAIRE Fission (U 235): kwh soit 50 à 60 ans Surgénérateurs (U238): kwh Fusion (deutérium et tritium): à10 21 kwh quasi-inépuisable mais encore très incertain (pas avant 100 ans) 21 soleil Ressources énergétiques renouvelables de la planète terre (chiffres annuels) Réf. : activités humaines : kwh kwh 30% directement ré-émis dans l espace terre noyau kwh marées 45% transformés en chaleur et directement rayonnés lune kwh 25% convertis en surface et dans l atmosphère - cycles hydrologiques (88%) kwh - vents, houle (8%) kwh - photosynthèse (0,24%) kwh 22 Le soleil : Rayon : km (terre 6400 km) Masse : kg Température de surface : 5780 K Température interne : 16 millions K 71% H, 27% He et 2% autres Age : 4,55 milliards d années (reste à peu près autant) Énergie libérée : 0,2 mw/kg soit fois moins que le métabolisme humain 23 Le charbon Le charbon s est formé à partir du carbonifère (-350 millions d année) à partir de végétaux engloutis sous les mers. Le plus riche : anthracite, puis houille, lignite, tourbe, ans avant J.C. les chinois utilisaient le charbon pour cuire la porcelaine Au 12 ème siècle, le bois est cher mais le charbon est peu utilisé : il est sale, sent le souffre, attaque les poumons, le rois d Angleterre l interdit, la Sorbonne est contre Au 17 ème, on lève les interdits car le bois se fait rare 24

5 Le pétrole Le pétrole s est formé à partir du plancton qui, lorsqu il meurt se dépose au fond de la mer. On le trouve dans des roches poreuses Connu dans l antiquité : «huile de pierre» 1859 : premier puit de pétrole (Drake) Le gaz Essentiellement constitué de CH4 Une des énergies les plus intéressante pour produire de l électricité : avec les centrales à cycle combiné (turbine à combustion + turbine à vapeur) rendement de + de 50% Le pétrole représente 38% de la consommation totale (260 Mtep) énergétique en France (principalement les transports) 25 Le gaz est le combustible qui dégage le moins de C0 2 par KWh produit (2 fois moins que le charbon) Entre 1960 et 1997, la consommation française a été multipliée par Réserves et production de combustibles fossiles dans le monde Pétrole Gaz réserves prouvées fin 1999 (ultimes estimées ) 140 Gtep (500 Gtep) 146 Tm3 = 125 Gtep (500 Gtep) Production 1999 Durée de vie statique 3,2 Gtep 41 ans 2 Gtep 62 ans Tous les combustibles fossiles réserves Durée de vie Pétrole 140 Gtep 41 ans Gaz 146 Tm3 125 Gtep 62 ans Charbon, lignite 498 Gtep 230 ans Uranium (réacteur à eau) 80 Gtep Charbon, lignite 498 Gtep (3 400 Gtep) 2,1 Gtep 230 ans Uranium (en surgénérateur) Gtep Autres combustibles fossiles non utilisables aujourd hui réserves Répartition des réserves énergétiques fossiles en % par 100 millions d habitants Amérique du Nord 6,2 Amérique du Sud 0,8 Hydrate de méthane + de Gtep Europe 2,1 Ex-URSS 8,9 Thorium (cycle identique à celui de l uranium) Considérables Afrique 1,2 Moyen-Orient 12,4 Hydrogène (fusion) Infinies Asie - Océanie 0,8 Valeur moyenne 1,

6 LYBIE CHINE USA MEXIQUE EX URSS VENEZUELA ABOU DHABI IRAN Réserves de pétrole en Gtep KOWEIT IRAK ARABIE SEOUDITE POLOGNE AFRIQUE DU SUD INDE ALEMAGNE AUSTRALIE Réserves de charbon en Gtep CHINE USA EX URSS PAYS BAS MEXIQUE NORVEGE VENEZUELA ALGERIE USA ARABIE SEOUDITE ABOU DHABI IRAN EX URSS Réserves de gaz en Gtep Plan du cours : Différentes formes d énergie Réserve d énergie dans le monde Consommation d énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l énergie électrique 34 Evolution des sources d énergie < 19 ème siècle Bois, hydraulique, éolien, traction animale, 19 ème siècle Charbon, machine à vapeur, 20 ème siècle Pétrole, gaz, nucléaire, 35 Répartition de la consommation mondiale kwh ou 12 Gtep (par an) hydraulique 7% nucléaire 6,5% gaz naturel 18,5% Renouvelables : 19% biomasse 12% pétrole 34% charbon 22% Fossiles : 3/4 36

7 Résidences et bureaux 27% Répartition par secteurs de la consommation mondiale Production d'électricité 30% Industrie 26% Transports 17% 37 Quelques ordres de grandeur 1 Tep 10 MWh (primaire) Mais 5 MWh électrique (secondaire), rendement 1 centrale 1000 MW Consommation 200 tonnes (Tep) à l heure Production électrique en France 100 MTep par an = 10 8 Tep par an 365 jours x 24 heures = Tep / heure MWh /heure Soit 50 GW 24h sur 24 en moyenne 38 Pour produire mégawatts électriques pendant un an, il faut : (France, 60 fois en moyenne 24h/24h x365) Photovoltaïque Éolien Charbon Pétrole fission nucléaire 100 kilomètres carrés (rendement : 10%, éclairement moyen 100 W/m²) éoliennes (disponibilité de 30 %, Mer du Nord) tonnes tonnes 25 tonnes d uranium enrichi à 4 % (150 tonnes d uranium naturel) fusion thermonucléaire 100 kg de deutérium et 150 kg de tritium 39 Évolution de la consommation mondiale d'énergie depuis 1850 projections jusqu en 2100 (trois scénarios hors énergies nouvelles) En insert, évolution de la population mondiale 40 habitants 10 milliards ? 1 milliard Croissance de la population humaine, 100 millions 10 millions 1 million an année GW GW Puissance moyenne 1 : 8000 rayonnée par le soleil 1 : 1000? corrélation à la Consommation énergétique GW GW 1000 GW 100 GW 2000? GW 1 GW an année 41 42

8 Réserves et production de combustibles fossiles dans le monde (rappel) réserves prouvées fin 1999 Production 1999 Durée de vie statique Pétrole 140 Gtep 3,2 Gtep 41 ans Gaz 146 Tm3 = 125 Gtep 2 Gtep 62 ans Charbon, lignite 498 Gtep 2,1 Gtep 230 ans kw.h La croissance de la consommation et les sources envisagées SOURCES géothermie océans solaire biomasse cultivée éolienne nucléaire hydraulique gaz naturel pétrole charbon 0 biomasse vue par un pétrolier (Shell)! renouvelables non renouvelables 45 Consommation mondiale d'énergie 46 Plan du cours : Différentes formes d énergie Réserve d énergie dans le monde Consommation d énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l énergie électrique 47 48

9 L énergie en France Production française d énergie primaire En Mtep Production d énergie primaire en Europe Répartition de production d énergie primaire en Europe Consommation française d énergie primaire corrigée du climat (Mtep) Structure de la consommation d énergie primaire en Europe 53 Total > à 100% en France en raison des exportation d électricité 54

10 Consommation française d énergie primaire par secteur (Mtep) La production d électricité en France Production d électricité en Europe Production d électricité nucléaire dans l OCDE Les emplois dans le secteur de l énergie Investissements, secteur de l énergie 59 60

11 Production brute d électricité Production thermique par type de combustible Sites nucléaires au 01/ Echange d électricité avec l étranger (TWh) Rappel de quelques ordres de grandeur Les cours des matières premières énergétiques fluctuent et affectent économie et stabilité politique Le baril de pétrole brut : la référence 67 $ fin août 2005 Le cours de l uranium : également instable Sept 2006 Prix au comptant de 50 $ Coût de référence EPR Et le prix du gaz naturel est indexé sur celui du pétrole Annonce de l entrée de la Chine et de l Inde dans les consommateurs d uranium + 50% en

12 Plan du cours : Différentes formes d énergie Réserve d énergie dans le monde Consommation d énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l énergie électrique Les différents types de centrales Consommation d énergie primaire pour la production d électricité géothermie éolienne et autres hydraulique 19% 2% nucléaire 17% thermique "fossile" 62% Situation mondiale Autre avantage de l hydroélectricité : stockage aisé de l énergie Plan du cours : Différentes formes d énergie Réserve d énergie dans le monde Consommation d énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l énergie électrique Les différents types de centrales 70 àsuivre LES CENTRALES THERMIQUES Rejets gazeux dus à la combustion des produits carbonés Pour produire 1 kwh électrique soit 20 litres d eau chaude (+40 C) - charbon classique : 1 kg de CO2 - gaz cycle combiné : 0,3 kg de CO2 Pour parcourir 10 km en voiture : 2 kg de CO

13 Les «nouvelles» sources renouvelables d électricité Eoliennes : déjà plus de MW croissance de 30 % par an 0,6% de la production mondiale d électricité MW prévus en 2010 (2,5% de la production mondiale d électricité) Photovoltaïque : environ 4000 MW installés croissance de 30 à 40% par an Encore marginal (0,02%) mais très prometteur au-delà de 2050 offshore Directive européenne sur la part des énergies renouvelables au niveau primaire : de 6 à 12% en électricité finale : de 14 à 22% (1990 à 2010) Remarque : annuellement en Europe 1 MW éolien donnent environ 2,4 GWh 1 MW solaire environ 1,2 GWh 1 MW nucléaire environ 7 GWh HISTORIQUE LES CENTRALES NUCLEAIRES en 1951 aux Etats-Unis un petit réacteur expérimental produit de l'électricité années 60, premières centrales commerciales (Royaume-Uni, Union Soviétique, Etats-Unis, France) centrales nucléaires dans 32 pays, 17% de l'électricité produite dans le monde : Lituanie (85,8%), France (77%), Belgique (54,8%), Suède (50%), Bulgarie (47,5%), Slovaquie (54%), Ukraine (44%), Suisse (43%), Hongrie (41%) Au total, dans 18 pays, l'énergie nucléaire couvrait plus du quart des besoins en électricité Etat des lieux en France en 1973 premier choc pétolier la facture pétrolière passe de 14,4 milliards de francs à plus de 134 milliards de francs 58 réacteurs à eau pressurisée (REP ou PWR) : - 34 tranches de 900 MW - 20 tranches de MW - 4 tranches de MW + EPR +EPR aujourd hui, couvre plus des trois-quarts de besoins en électricité Le combustible L'uranium, à l'état naturel ou légèrement enrichi par son isotope 235 Le plutonium (fission transformations de l'uranium), peut être défini comme un combustible nucléaire) exploitation minière «complexe» car poussières et radon (gaz radioactif) réserves françaises importantes (Forez, Vendée, Limousin, Hérault) la Cogéma est parfois l'opérateur de certaines mines d'uranium à l'étranger (Canada, Gabon, Niger) 77 78

14 Le traitement du minerai La teneur en uranium des minerais est faible (1 à 5 kg par tonne) Opérations physiques et chimiques pour obtenir un concentré, poudre jaune appelée "yellow cake" dont la teneur en uranium est d'environ 75 % différentes opérations chimiques pour avoir un oxyde d'uranium pur, puis réaction à l'acide fluorhydrique de manière à obtenir du tétrafluorure d'uranium (UF4). Préparation de l'uranium métal (réacteurs des filières à uranium naturel) ou de l'hexafluorure d'uranium (UF6) destiné à l'enrichissement 79 L'enrichissement de l'uranium Dans l'uranium naturel, deux isotopes : l'uranium 238 (99,3% ) et l'uranium 235 (0,7% ) Seul l'uranium 235 est fissile La plupart réacteurs nucléaires fonctionne avec une proportion d'uranium 235 de 3 % à 4 % Enrichissement par : - diffusion gazeuse de UF6 à travers de fines membranes, la molécule d'uranium 235 est plus légère et plus rapide - ultracentrifugation 80 La fabrication des combustibles Transformation de l'hexafluorure d'uranium en oxyde d'uranium, conditionné en pastilles cylindriques Empilage des pastilles dans des tubes métalliques appelés crayons à leur tour réunis et maintenus à l'aide de grilles pour former des assemblages Dans un réacteur de 900 MW : 157 assemblages de 264 crayons, 80 tonnes d uranium, 11 millions de pastilles chacune équivalente à 2,5 tonnes de charbon). Dans les réacteurs à eau ordinaire, autre type de combustibles "MOX" (mélange oxyde) formés d'un mélange d'uranium appauvri et de plutonium réaction en chaîne La fission Sous l'impact d'un neutron, la fission d'un noyau d'uranium dégage de l'énergie et produit 2 ou 3 autres neutrons Certains d'entre eux seront perdus ou absorbés dans la matière ; d'autres pourront rencontrer des noyaux d'uranium et causer à leur tour de nouvelles fissions Des neutrons seront encore produits et ainsi de suite. Cette réaction en chaîne a lieu dans le cœur du réacteur Elle y est entretenue et stabilisée grâce à un réglage fin du nombre de neutrons absorbés 83 84

15 réaction en chaîne fonctionnement d une centrale nucléaire Réaction en chaîne controlée en descendant ou en remontant dans le réacteur des barres de capables d'absorber les neutrons en excès dans le réacteur Dans le circuit primaire, l'eau s'échauffe dans la cuve au contact des assemblages de combustible Cette eau chauffe l'eau du circuit secondaire qui est transformée en vapeur Cette vapeur sous pression fait tourner la turbine qui entraîne l'alternateur produisant l'électricité Refroidissement dans le condenseur de l'eau du circuit secondaire (rivière, mer, tours de réfrigération) 87 Principe de fonctionnement 88 Quelques chiffres, centrale 1450 MW Cuve du réacteur : cylindre en acier, épaisseur 23 cm, hauteur 14 m, diamètre 5 m, plus de 400 tonnes 4 pompes pour le circuit de refroidissement primaire, chacune hauteur 8,5 m, 116 tonnes, m 3 /heure (la seine m 3 /heure ), 10 MW 330 C en sortie de réacteur, 290 en entrée,155 bars pressuriseur : épaisseur 13 cm, hauteur 14 m, 120 t 4 générateurs de vapeur, hauteur 22 m, diamètre 5 m, 420 tonnes Bâtiment en béton double enceinte du réacteur : hauteur 63 m, diamètre 51 m, épaisseur 55 cm pour l externe, 120 cm pour l interne 89 centrale 1450 MW, suite Turbine, longueur 51 m, largeur 13 m, 2800 tonnes sécheur-surchauffeur (fois 2), longueur 25 m, diamètre 5 m, 370 tonnes, 190 C, 10 bars Condenseur : longueur 37 m, largeur 22 m, hauteur 16 m, 1900 tonnes à vide,eau de refroidissement 48 m 3 /s alternateur : longueur 18 m, diamètre rotor 2 m,stator 4 m, masse rotor 230 tonnes, stator 500 tonnes, tension 20 kv, courant 50 ka, 1500 tr/min alternateur transformateur : longueur 11 m, largeur 6 m, hauteur 9 m, 840 tonnes 90

16 centrale 1450 MW, autres Piscine du bâtiment combustible, longueur 13 m, largeur 8 m, hauteur 14 m Salle de commande Bâtiment du groupe électrogène 7,5 MW Bâtiment de traitement des effluents, de stockage Tours de réfrigération,diamètre 136 m, hauteur 172 m 91