Rapport bibliographique sur «EnR»

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1 P2 : Projet Thématique sur les énergies renouvelables Dans le cadre du Mastère ASIG Rapport bibliographique sur «EnR» Etat de l art SIG dans le domaine Mastère ASIG 15 Mai 2008 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 1

2 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 2

3 Aujourd'hui, 80% de l énergie consommée dans le monde repose sur les seules énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz). Au rythme actuel, les réserves mondiales de pétrole seront épuisées d ici quelques dizaines d années. Cette source d énergie n aura été exploitée que durant moins de 200 ans alors que les réserves ont mis plus de 400 millions d années à s accumuler. La consommation massive de ces énergies est directement responsable de l augmentation des quantités de CO2 rejetées dans l atmosphère, de la dégradation de la couche d ozone et des changements climatiques que nous observons aujourd hui. La thématique des énergies renouvelables est donc à l ordre du jour pour tenter de répondre à ce problème. Qu est-ce qu une énergie renouvelable? «C est une énergie renouvelée ou régénérée naturellement, indéfiniment, et inépuisable, à l'échelle temporelle de notre civilisation (milliards d'années) : Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels, réguliers ou constants, provoqués par les astres. Notre bibliographie se cantonnera aux trois énergies renouvelables les plus fréquemment utilisées, qui sont l énergie solaire, éolienne et géothermique. Ce rapport bibliographique se décompose donc selon ces trois parties et chaque partie respectera un plan commun qui se décompose suivant les quatre parties Historique, Contraintes, Technique et Etat de l art des SIG. Ce rapport a pour but de nous faire acquérir les connaissances de base pour la réalisation d un de nos projets du Mastère ASIG. L objectif de ce projet est de pouvoir proposer une solution SIG à une communauté de communes désirant d implanter des technologies «énergie renouvelable» en fonction de leurs potentiels solaire, éolien et géothermique. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 3

4 TABLE DES MATIERES SOLAIRE 1 HISTOIRE ET EVOLUTION DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE HISTOIRE DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE EVOLUTION DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE 13 2 LEGISLATION LIEE AUX PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES CONTRAINTES CREDITS D IMPOT TVA FISCALITES DES REVENUS PHOTOVOLTAÏQUES RACHAT D ELECTRICITE LES ASSURANCES OBLIGATOIRES ET FACULTATIVES : 22 3 FONCTIONNEMENT DES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES DESCRIPTION DE LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE FONCTIONNEMENT DE LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ASSOCIATION DE CELLULES RAPPELS TECHNIQUES GISEMENT SOLAIRE FRANÇAIS ORIENTATION DU PANNEAU SOLAIRE PRIX DU KWH POUR DES PANNEAUX EN SILICIUM FIXES COUT DU PANNEAU ET DE L INSTALLATION 31 4 ETAT DE L ART DES SIG DANS LE DOMAINE DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE DES DONNEES EXISTANTES SUR LE RAYONNEMENT SOLAIRE ET SUR LE CALCUL DE L ORIENTATION OPTIMALE DES PV DES DONNEES SUR LE POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE EN EUROPE UN SIG DEDIE AU POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE : PVGIS CARNAVAL : LOGICIEL LIBRE POUR LE CALCUL DU MASQUE SOLAIRE LOINTAIN (RELIEF) CALCUL DU MASQUE SOLAIRE PROCHE AVEC GOOGLE EARTH ET GOOGLE SKETCHUP 43 5 BIBLIOGRAPHIE 44 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 4

5 5.1 HISTORIQUE LEGISLATION FONCTIONNEMENT ETAT DE L ART 44 GEOTHERMIE 1 L UTILISATION DE LA GEOTHERMIE PAR L HOMME : L HISTOIRE DE L EXPLOITATION GEOTHERMIQUE PAR L HOMME : LES DIFFERENTES TECHNIQUES DE GEOTHERMIE : LA GEOTHERMIE AU XXI EME SIECLE : 62 2 LES CONTRAINTES LIEES A L INSTALLATION DE LA GEOTHERMIE : LA LEGISLATION FRANÇAISE : LES CONTRAINTES TECHNIQUES A APPLIQUER : 68 3 FONCTIONNEMENT TECHNIQUE LA PRODUCTION D ELECTRICITE LA PRODUCTION DE CHALEUR 79 4 ETAT DE L ART DES SIG DANS LE DOMAINE DE LA GEOTHERMIE SIG SUR LE THEME DE LA GEOTHERMIE THEMATIQUES PERIPHERIQUES BIBLIOGRAPHIE 107 EOLIEN 1 HISTOIRE ET EVOLUTION DE L EOLIEN DE L'ANTIQUITE AU XIX EME 115 LE XIX EME 115 LA PREMIERE PARTIE DU XX EME DE LA CRISE ENERGETIQUE 117 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 5

6 1.5 AU WIND RUSH BILAN LES CONTRAINTES LIEES AUX INSTALATIONS LEGISLATION EN FRANCE OBLIGATIONS DE PERFORMANCE AUTORISATIONS UN PEU DE TECHNIQUE ETAT DE L ART DES SIG EXEMPLES D UTILISATION DE SIG POUR L IMPLANTATION D EOLIENNES UN OUTIL D AIDE A L IMPLANTATION D EOLIENNES (ANEMONE) BIBLIOGRAPHIE BONUS 148 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 6

7 SOLAIRE Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 7

8 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 8

9 TABLE DES MATIERES 1 HISTOIRE ET EVOLUTION DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE HISTOIRE DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE EVOLUTION DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE 13 2 LEGISLATION LIEE AUX PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES CONTRAINTES CREDITS D IMPOT TVA FISCALITES DES REVENUS PHOTOVOLTAÏQUES RACHAT D ELECTRICITE LES ASSURANCES OBLIGATOIRES ET FACULTATIVES : 22 3 FONCTIONNEMENT DES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES DESCRIPTION DE LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE FONCTIONNEMENT DE LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ASSOCIATION DE CELLULES RAPPELS TECHNIQUES GISEMENT SOLAIRE FRANÇAIS ORIENTATION DU PANNEAU SOLAIRE PRIX DU KWH POUR DES PANNEAUX EN SILICIUM FIXES COUT DU PANNEAU ET DE L INSTALLATION 31 4 ETAT DE L ART DES SIG DANS LE DOMAINE DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE DES DONNEES EXISTANTES SUR LE RAYONNEMENT SOLAIRE ET SUR LE CALCUL DE L ORIENTATION OPTIMALE DES PV DES DONNEES SUR LE POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE EN EUROPE UN SIG DEDIE AU POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE : PVGIS CARNAVAL : LOGICIEL LIBRE POUR LE CALCUL DU MASQUE SOLAIRE LOINTAIN (RELIEF) CALCUL DU MASQUE SOLAIRE PROCHE AVEC GOOGLE EARTH ET GOOGLE SKETCHUP 43 5 BIBLIOGRAPHIE HISTORIQUE LEGISLATION FONCTIONNEMENT ETAT DE L ART 44 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 9

10 TABLE DES ILLUSTRATIONS FIGURE 1 : EDMOND BECQUEREL 12 FIGURE 2 : WERNER VON SIEMENS 13 FIGURE 3 : PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES POUR SATELLITES 13 FIGURE 4 : PUISSANCE PHOTOVOLTAÏQUE INSTALLEE EN EUROPE EN FIGURE 5 : PUISSANCE PHOTOVOLTAÏQUE INSTALLEE EN FRANCE EN FIGURE 6 : TABLEAU PUISSANCE INSTALLEE DANS LE PARC PHOTOVOLTAÏQUE DE L UE 15 FIGURE 7 : TABLEAU DE REVALORISATION DES CONTRATS EN COURS 21 FIGURE 8 : PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES 24 FIGURE 9 : CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE 25 FIGURE 10 : VARIATIONS DE L INTENSITE EN FONCTION DE LA TENSION 26 FIGURE 11 : ASSOCIATION DE CELLULES 26 FIGURE 12 : CARTE DU GISEMENT SOLAIRE FRANÇAIS EN KWH/M²/AN 28 FIGURE 13 : FACTEURS DE CORRECTION POUR UNE INCLINAISON ET UNE ORIENTATION DONNEES 29 FIGURE 14 : PANNEAU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE INCLINE 30 FIGURE 15 : TABLEAU DU PRIX EN $ PAR KWH 31 FIGURE 16 : INSTALLATION AUTONOME 32 FIGURE 17 : INSTALLATION RELIEE AU RESEAU 33 FIGURE 18 : COUTS D INSTALLATION D UN PANNEAU SOLAIRE RELIE AU RESEAU EDF 34 FIGURE 19 : PHOTOGRAPHIE D UN ONDULEUR 34 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 10

11 FIGURE 20 : INTERFACE SODA POUR LE CALCUL DE L INCLINAISON OPTIMALE DES PV 36 FIGURE 21 : CARTE DU POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE 37 FIGURE 22 : INTERFACE PVGIS EN FRANÇAIS 39 FIGURE 23 : EXTRAIT DU RAPPORT RESULTANT 40 FIGURE 24 : LOGO DE CARNAVAL 40 FIGURE 25 : COMPARAISON MASQUE REEL ET MASQUE TROUVE PAR CARNAVAL 41 FIGURE 26 : COPIE ECRAN DE CARNAVAL 41 FIGURE 27 : CREATION D UN MASQUE SOLAIRE LOINTAIN 42 FIGURE 28 : MASQUE SOLAIRE LOINTAIN SIMPLIFIE 42 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 11

12 1 HISTOIRE ET EVOLUTION DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE Le soleil délivre chaque jour l équivalent de milliards de tonnes équivalent pétrole (TEP). L attrait pour cette source d énergie «inépuisable» a mené à des avancées considérables dans l exploitation de l énergie solaire. En effet, le solaire est devenu plus qu un simple phénomène de mode grâce à trois facteurs : la prise de conscience de la diminution des réserves en énergies fossiles, les enjeux de la diminution des rejets de CO2 (protocole de Kyoto) et l augmentation du prix de l énergie fossile elle-même. Nous différencions ici l énergie solaire photovoltaïque qui produit de l électricité de l énergie solaire thermique qui elle produit de la chaleur. 1.1 HISTOIRE DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE L effet photovoltaïque a été découvert par un physicien français, Edmond Becquerel, en Il découvre que l énergie lumineuse (photons) peut être convertie en électricité. Le principe repose sur la technologie des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule ce qui génère un courant électrique continu. Il est alors nécessaire de disposer d un onduleur pour pouvoir utiliser cette électricité pour nos appareils électroménagers, les chauffages électriques Figure 1 : Edmond Becquerel En 1875, Werner Von Siemens exposait devant l Académie des Sciences de Berlin un article sur l effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène n est pas exploité et tombe en désuétude. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 12

13 Figure 2 : Werner Von Siemens Ce n est qu en 1954 que des chercheurs américains s intéressent de plus près à ce moyen de production d énergie pour une application concrète : alimenter les satellites spatiaux. Les chercheurs Chapin, Pearson et Prince mettent alors au point les premiers modules photovoltaïques avec un rendement d environ 6 %. Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point en Figure 3 : Panneaux photovoltaïques pour satellites A partir des années 70, les premières applications terrestres voient le jour pour l alimentation en électricité des sites isolés. Et c est en 1973 que la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l Université de Delaware. 1.2 EVOLUTION DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE La puissance des installations s exprime traditionnellement en Watt crête (Wc). Le Wc est la puissance fournie par un module photovoltaïque pour un ensoleillement normalisé de 1000W par m2, à une température de 25 C. On définit le rendement électrique par le rapport entre la puissance lumineuse incidente et la puissance électrique fournie. Le rendement des panneaux solaire s est amélioré pour atteindre en moyenne 15 %. Le semi conducteur utilisé majoritairement est le silicium cristallin. Cependant, ce matériau reste peu abondant et impose des traitements coûteux pour sa purification mais également au moment de son recyclage. L énergie solaire se développe dans le monde entier : Europe, Japon, USA Le leader en Europe est l Allemagne avec une production de 1537 MWc en A titre de comparaison la production d énergie solaire atteignait 1791 MWc en 2005 pour l Europe entière (voir figure Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 13

14 1). Le choix du développement des énergies renouvelables dans un pays peut s expliquer par sa politique d énergie. La situation de la France est particulière car le savoir faire français dans le domaine du nucléaire a longtemps éclipsé les énergies renouvelables. Le photovoltaïque représente moins d 1% de l énergie produite en France, mais continue à se développer régulièrement (voir figure 2). Toutefois une nouvelle tendance s est dessinée. Nous avions mentionné plus tôt que l énergie solaire s est développée historiquement pour alimenter des zones isolées, mais l augmentation des prix des énergies fossiles et le désir de rejeter moins de CO 2 poussent les particuliers, mêmes raccordés au réseau EDF, à se munir de cette technologie. L essor du photovoltaïque a été de 200% entre 2006 et 2007 (d après le site de «Climamaison»). Figure 4 : Puissance photovoltaïque installée en Europe en 2005 Source : Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 14

15 Figure 5 : Puissance photovoltaïque installée en France en 2005 Source : Puissances installées Pays en MWc fin 1999 fin 2000 fin 2003 fin 2004 fin 2005 Allemagne 69,5 113, Italie 18, ,37 37,5 Pays-Bas 9,2 12,8 43,44 49, ,776 France 9,1 11,3 14,245 26,300 33,043 Espagne 9, ,911 37,3 51,8 Autriche 3,7 5 16,833 19,18 24,021 Suède 2,6 2,8 3,8 3,866 4,237 Finlande 2,3 2,9 3,402 3,702 4,002 Grande-Bretagne 1,1 1,9 5,903 8,164 10,664 Danemark 1,1 1,5 1,845 2,290 2,630 Portugal 0,8 1 2,069 2,7 3,3 Grèce 0,8 0,9 3,244 4,544 5,444 Union Européenne 127,8 183,5 593, ,710 (25 pays) 1791,712 (25 pays) Figure 6 : Tableau puissance installée dans le parc photovoltaïque de l UE Source: EurObserv'ER, 2006 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 15

16 Des conférences sur le solaire photovoltaïques (PV) ont lieu régulièrement. La dernière en date était la 22 e conférence et exposition européenne sur l énergie solaire photovoltaïque à Milan, en Italie, du 3 au 7 septembre 2007, parrainée par la Commission européenne et l'association européenne de l'industrie photovoltaïque. Ce genre de conférence offre une plateforme d échange d information sur les nouvelles technologies du PV. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 16

17 2 LEGISLATION LIEE AUX PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES 2.1 CONTRAINTES Pas de création de surface de plancher et moins de 12 mètres de haut Pas de formalité, mais le PLU peut interdire les panneaux solaires pour protéger le paysage, une simple déclaration préalable suffit Plus de 12 mètres de haut, ou installés sur un bâtiment existant Déclaration préalable 2.2 CREDITS D IMPOT Afin d encourager les particuliers à installer des technologies utilisant des énergies renouvelables, l'état aide ceux-ci en remboursant la moitié du prix TTC du matériel sous forme de crédit d'impôt (le crédit est déduit des impôts sur le revenu, la différence est remboursée directement ; pour un particulier ne payant pas d'impôts sur le revenu, l'état règle directement le crédit d'impôt). De plus, le lieu de l installation doit impérativement être l habitation principale. Par contre, il y a des règles à respecter pour cela : L'habitation en question et que son usage soit une habitation principale. Ne pas dépasser 3 KWc de puissance installée pour une revente totale ; ou avoir une installation moitié moins puissante que la consommation. La somme maximum du matériel pris en compte est de 8000 TTC (célibataire), TTC pour 2 personnes (marié, concubins...) plus 400 par personne à charge. ATTENTION, cette somme correspond à tous les matériaux bénéficiant du crédit d'impôt achetés depuis janvier 2006 jusqu'au 31 Décembre Le montant du matériel pour le solaire photovoltaïque est de 50% du prix de la fourniture. Attention, la Main d'œuvre, mise en service... ne sont pas pris en compte. La déduction d une aide quelconque se déroule de la manière suivante : Déduction = Subvention * (Matériel TTC / Facture TTC) ; il faut ensuite soustraire la Déduction au Matériel TTC qui entre dans le calcul du crédit d impôt. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 17

18 Dans le cas de dépassement de puissance (>3 KWc), il est toujours possible de bénéficier du crédit d impôt pour la partie en bénéficiant normalement. Votre installateur doit «ventiler» (établir plusieurs lignes sur la facture) pour distinguer la partie de l installation bénéficiant du crédit d impôt de celle n en bénéficiant pas. 2.3 TVA Pour les résidences de plus de 2 ans bénéficiant de travaux à un taux de TVA à 5.5% : si l installation fait moins de 3KWc en injection totale réseau, la TVA est à 5.5%, sinon, elle passe à 19.6% sur toute l'installation. 2.4 FISCALITES DES REVENUS PHOTOVOLTAÏQUES Comme toute source de revenus, l'électricité donne "le droit" de payer des impôts supplémentaires Pour les particuliers Les revenus d une installation seront considérés comme des RIC (Revenus Industriels et Commerciaux). A déclarer sur le bordereau 2042C (à demander aux impôts la 1ère année). Ils permettent soit 71% de réduction du montant servant au calcul (pour une déclaration de 1000 de revenus supplémentaires, le centre des impôts n en comptabilise que 29%), soit ils permettent une réduction d'impôt de 305 (le centre des impôts utilise la méthode de calcul la plus favorable à l utilisateur). Ainsi, un particulier ne paiera pas d'impôts supplémentaires, sauf pour une installation très importante (dans ce cas là il est plus intéressant de passer en société) Pour les entreprises Pour une entreprise, les revenus supplémentaires sont des recettes, ainsi elle ajoute à ses recettes la facturation HT émise. Il faut néanmoins valider les chiffres avec le comptable puisque chaque entreprise possède une fiscalité différente. 2.5 RACHAT D ELECTRICITE Tarifs de vente Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 18

19 Depuis le mois de Juillet 2006, l état a imposé des tarifs de rachats de la production d électricité photovoltaïque : Tarifs simples métropole : 0.30 HT le KWh Tarifs simples Doms et Corse : 0.40 HT le KWh Prime d intégration métropole : 0.25 HT le KWh (soit un tarif cumulé de 0.55 HT le KWh pour l installation) Prime d intégration Doms et Corse : 0.15 HT le KWh (soit un tarif cumulé de 0.55 HT le KWh) Tarif de dépassement de limite de production : 0.05 HT le KWh supplémentaire Les limites sont de 1500 heures en Métropole et de 1800 heures dans les Doms et la Corse. Chaque année, ces tarifs (sauf dépassement de limites) sont revalorisés en fonction de l inflation ou de la déflation. Chaque mois, une indexation des tarifs de vente de la production d'électricité solaire est mise en ligne, afin de pouvoir facturer correctement EDF. Attention toutefois, l'édition des indices INSEE subissent des décalages importants (environ 6 mois pour l'ichtts et 3 mois pour le PPEI), ainsi nous ne présentons les prévisions avec un décalage de 6 mois (par exemple en janvier 2008, nous pouvons estimer l'évolution des tarifs avec les indices de septembre 2007) Tarifs d achat La projection du tarif d achat pour les contrats signés en 2009 est de : Métropole 0,31574 HT/KWh Dom et Corse 0,42098 HT/KWh Intégration 0,57885 HT/KWh Pour les contrats signés en 2007, le tarif à appliquer à la 1ère facturation (2008) est celui de 2007 : Métropole 0,30526 HT/KWh Dom et Corse 0,40701 HT/KWh Intégration 0,55964 HT/KWh Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 19

20 Pour les contrats signés en 2008, le tarif à appliquer à la 1ère facturation (2009) est celui de 2008 : Métropole 0,31193 HT/KWh Dom et Corse 0,41591 HT/KWh Intégration 0,57187 HT/KWh Revalorisation des contrats en cours Contrat signé Tarif 1 ère facture Tarif 2 ème facture Métropole 0, ,31804 Doms et Corse Janvier 07 0, ,42405 Intégration 0, ,58306 Métropole 0, ,31781 Doms et Corse Février 07 0, ,42375 Intégration 0, ,58265 Métropole 0, ,31685 Doms et Corse Mars 07 0, ,42247 Intégration 0, ,58089 Métropole 0, ,31612 Doms et Corse Avril 07 0, ,42150 Intégration 0, ,57956 Métropole 0, ,31547 Doms et Corse Mai 07 0, ,42063 Intégration 0, ,57836 Métropole 0, ,31523 Doms et Corse Juin 07 0, ,42031 Intégration 0, ,57792 Métropole 0, ,31459 Doms et Corse Juillet 07 0, ,41945 Intégration 0, ,57674 Métropole Août 07 0, ,31421 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 20

21 Doms et Corse 0, ,41895 Intégration 0, ,57605 Métropole 0, ,31366 Doms et Corse Septembre 07 0, ,41822 Intégration 0, ,57504 Métropole 0, ,31301 Doms et Corse Octobre 07 0, ,41736 Intégration 0, ,57386 Métropole 0, ,31215 Doms et Corse Novembre 07 0, ,41620 Intégration 0, ,57227 Métropole 0, ,31193 Doms et Corse Décembre 07 0, ,41591 Intégration 0, ,57187 Métropole 0,31193 Doms et Corse Janvier 08 0,41591 Intégration 0,57187 Figure 7 : Tableau de revalorisation des contrats en cours Tarifs d utilisation du réseau (Frais annuels en injection réseau) Chaque année, il faut régler des frais (novembre) à l ERD. Ces frais correspondent à trois parties : administrative, technique et matérielle Contrats <36KVA Composante annuelle de gestion : 30 HT. La composante annuelle de gestion de 7.8 HT d un abonnement actuel de consommateur n existera plus (prise en compte de la composante la plus importante). Composante annuelle de comptage : Si l installation est en injection partielle (surplus), la composante annuelle de comptage n est pas à régler (elle est partie intégrante de la facture de consommateur). Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 21

22 Location et entretien : 8.88 HT si P<18KVA et HT si P>18KVA Contrôle : 0.72 HT Profilage : 1.20 HT Frais de relève : 5.88 HT Ainsi pour une puissance inférieure à 18 KVA, les coûts annuels seront de HT Pour une puissance supérieure à 18 KVA, les coûts annuels seront de HT Contrats > 36KVA Puissance < 250KVA : Composante annuelle de location et entretien : 147 HT Composante annuelle de profilage : 1.20 HT Redevance de contrôle : HT Redevance de relève : 117 HT Composante annuelle de gestion : 300 HT Soit un total de 576 HT Puissance > 250 KVA : Composante annuelle de location et entretien : HT Composante annuelle de profilage : 1.20 HT Composante annuelle de gestion : 622 HT Redevance de relève : 117 HT Redevance de contrôle : HT Soit un total de 1069 HT 2.6 LES ASSURANCES OBLIGATOIRES ET FACULTATIVES : En France, tout doit être assuré. Pour une installation solaire Photovoltaïque, il faut prévoir en assurances : la Responsabilité Civile (obligatoire) les dommages aux biens (facultative) et la garantie de production (facultative) Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 22

23 2.6.1 Responsabilité Civile La production d'énergie en injection réseau doit obligatoirement être assurée, par une Responsabilité Civile. Celle-ci est obligatoire au moment de la signature du contrat avec l'organisme rachetant la production électrique et une attestation doit être fournie chaque année à cet organisme. En négociant avec l assureur, cette assurance peut être intégrée gratuitement à l assurance "multirisque habitation" (certaines compagnies l'intègrent sans surprime). Cette assurance permet d être couvert en cas de problème sur un agent EDF lors de la vérification ou de l entretien du compteur ou des lignes coupées à proximité. L assureur doit spécifier la responsabilité civile de l activité de production d électricité par panneaux photovoltaïques Assurance dommages aux biens Il s agit là de l assurance des panneaux en cas de vol, incendies, bris de glace, catastrophe naturelle ; qui permet de remplacer à neuf (ou avec une décote selon les contrats) en cas de problème Assurance Perte d exploitation Pour produire de l électricité sous la forme d une entreprise (c est surtout le cas pour les grosses toitures, afin de permettre des prêts et un amortissement spécifique), il faut (facultatif) une assurance qui couvrira la garantie de revenus en cas d application de l assurance dommages aux biens le temps du remplacement. Ceci est important pour garantir les revenus même en cas de soucis matériel. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 23

24 3 FONCTIONNEMENT DES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES Un panneau solaire photovoltaïque est constitué d'une multitude de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement. Celles-ci permettent de transformer l énergie solaire en électricité. L "effet photovoltaïque" est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semi-conducteurs" comme le silicium utilisé pour les composants électroniques. Lorsque les particules de lumière viennent heurter ce matériau, elles communiquent une énergie à ses électrons. Ces derniers se mettent alors en mouvement créant un courant électrique recueilli par des fils métalliques très fins. Ceci est le principe même d une cellule photovoltaïque : Figure 8 : Panneaux photovoltaïques 3.1 DESCRIPTION DE LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE Une cellule photovoltaïque est composée de plusieurs couches : un cristal semi-conducteur dopé de type P (composé de silicium dopé par un élément contenant un nombre inférieur d électrons qu une couche de silicium pur), celui-ci recouvert d une couche très mince (d épaisseur égale à quelques millièmes de millimètres) d un semi-conducteur dopé de type N (composé de silicium dopé par un élément contenant un nombre supérieur d électrons qu une couche de silicium pur), une jonction J situé entre ces deux zones permettant le passage d électrons d une zone à l autre. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 24

25 Figure 9 : Cellule photovoltaïque La couche N est recouverte d une grille métallique correspondant à la cathode K (pôle positif) et la couche P, d une plaque métallique représentant l anode A (pôle négatif). L épaisseur finale du cristal est de l ordre du millimètre. Lorsqu un rayon lumineux frappe le module photovoltaïque, il peut pénétrer dans le cristal et ainsi créer un apport d énergie venant arracher un électron de la couche N pour le placer dans la couche P. Les charges à l intérieur de la cellule sont alors modifiées et créent une différence de potentiel électrique appelée tension. Celle-ci forme alors un courant électrique. 3.2 FONCTIONNEMENT DE LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE Les particules de lumière (photons) viennent heurter les électrons sur le silicium et lui communiquent leur énergie. En fait, il s'agit simplement d'une diode à jonction J particulière. La présence d une tension provoque l'accumulation des porteurs de charge produits par le rayonnement lumineux vers les deux électrodes A et K. Une force électromotrice (de l ordre de 0,5 volt) se crée alors entre ces électrodes. Le principe est le même que celui d un générateur électrique. L'intensité maximale du courant produit varie en fonction de la surface de la cellule et de la valeur de l'éclairement : plus l éclairement est élevé, plus l intensité est grande. La tension produite par la cellule dépend peu de l'éclairement mais diminue de façon sensible lorsque la température augmente. Il est ainsi possible de le voir sur l exemple ci-dessous, lorsque la cellule est en plein soleil, l intensité est grande (car fort éclairement) et la tension est faible (car forte chaleur) alors que lorsque la nuit tombe ou que la cellule est à l ombre, l intensité chute (car manque de lumière) et la tension augmente (car rafraichissement). Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 25

26 Figure 10 : Variations de l intensité en fonction de la tension 3.3 ASSOCIATION DE CELLULES L association de cellules permet, d une part, d obtenir une plus grande force électromotrice en montant plusieurs cellules en série. Par exemple un panneau de 36 cellules produit environ 20 volts à vide. D autre part, d'obtenir un courant d'intensité plus grande donc une puissance plus élevée en montant plusieurs cellules en parallèle. La combinaison de ces montages est utilisée pour obtenir un générateur aux caractéristiques souhaitées. Figure 11 : Association de cellules Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 26

27 3.4 RAPPELS TECHNIQUES La puissance d un panneau photovoltaïque est caractérisée en Watt crête (Wc), c est à dire la puissance moyenne développée par une cellule monocristalline pour une cellule de 10 cm sur 10 cm. Cette puissance «crête» est la puissance maximale délivrée par le panneau solaire, celleci est obtenue dans les conditions optimales d irradiations (une irradiation est une émission de rayons d un corps). Ces conditions optimales sont réunies lorsque le soleil est au zénith car la puissance offerte est alors de 1000 W au m² Puissance délivrée par un panneau solaire Le modèle de panneaux solaire photovoltaïque le plus courant fourni une puissance de 100 Wc et une tension 12 V Tension Le panneau a une tension maximale de 12 V, chaque cellule photovoltaïque émet 0.5 V environ. Ces dernières sont branchées en série pour obtenir une tension plus grande. Ce panneau est donc constitué de 24 cellules photovoltaïques (soit 2.4m² de surface) Intensité L intensité dépend des conditions d irradiations, lorsqu elles sont optimales, l intensité maximale développée par le panneau sera de : P = U*I I = P/U I = 100/12 = 8,33 A Ainsi, la puissance optimale de ce panneau (100W) est obtenue pour 12 V et 8,33 A. 10 panneaux de ce type fourniraient alors 1kWh en cas d ensoleillement identique pendant une heure. Cependant, lorsque l éclairement est faible, la valeur de l intensité devient dérisoire. On obtient alors une puissance de : P = U*I P = 12*0,1 = 1,2 W Il faudrait alors 833 panneaux du même type fonctionnant pendant une heure pour obtenir 1kWh. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 27

28 3.5 GISEMENT SOLAIRE FRANÇAIS De plus, le rendement des panneaux solaires dépendent de leur situation géographique qui constitue un facteur essentiel pour leur installation. Figure 12 : Carte du gisement solaire français en kwh/m²/an 3.6 ORIENTATION DU PANNEAU SOLAIRE Les valeurs précédentes ont été obtenues pour des conditions d orientation parfaite du panneau, il est nécessaire pour cela d orienter ses modules photovoltaïques vers le sud dans l hémisphère nord et inversement pour l hémisphère sud Angle d incidence L angle d incidence est l angle formé par les rayons du soleil et la surface du panneau solaire. Calcul de l angle d incidence idéal R = sin(ai) * 100 : R correspond au pourcentage de rendement (100 si l angle d incidence est idéal) AI correspond à l angle d incidence Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 28

29 Angle d incidence de 30 : R = sin(30)*100 = 50% Angle d incidence de 60 : R = sin(60)*100= 87% Angle d incidence de 90 : R = sin(90)*100 = 100% Ainsi l angle d incidence idéale est de 90, pour un angle de 30, le rendement n est égal qu à la moitié de l énergie produite avec 90 d angle incident Angle d inclinaison et angle zénithal Définitions : Angle d inclinaison : l'angle formé par le plan du panneau solaire et l'horizontale. Angle zénithal : l'angle formé par les rayons solaires et l'horizontale. Il varie en fonction de l altitude du soleil au dessus de l'horizon. Si la somme de l angle d inclinaison et de l angle zénithal est de 90, alors le panneau solaire est idéalement placé sur le plan vertical. Ainsi, pour un panneau fixe, l angle d installation optimal pour un panneau photovoltaïque doit être corrigé par un facteur dépendant de l inclinaison et de l orientation du panneau. Figure 13 : Facteurs de correction pour une inclinaison et une orientation données Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 29

30 Cependant, un système automatisé est permet d obtenir un rendement encore bien meilleur pour les panneaux solaires. Celui-ci offre la possibilité de modifier l orientation en fonction des heures de la journée afin que la surface du panneau soit toujours perpendiculaire aux rayons du soleil. Figure 14 : Panneau solaire photovoltaïque incliné 3.7 PRIX DU KWH POUR DES PANNEAUX EN SILICIUM FIXES Le tableau suivant résume les coûts du photovoltaïque en $/kwh en fonction du coût de l'investissement et de la productivité solaire, c est à dire l ensoleillement plus rendement de la cellule photovoltaïque. Ces résultats sont calculés sur un taux d'actualisation de 4%, un coût de maintenance de 1% et une période d'observation de 20 ans. Cette période de 20 a été choisie en raison de leur garantie, cependant, les modules photovoltaïques peuvent être encore parfaitement opérationnels après 30 ou 40 ans. $ / kw c kwh/kwc/an ,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,4 1,7 2,0 2, ,5 2,7 3,0 3,3 3,8 4,3 5,0 6,0 7, ,2 4,5 5,0 5,6 6,3 7,1 8,3 10,0 12, ,8 6,4 7,0 7,8 8,8 10,0 11,7 14,0 17, ,5 8,2 9,0 10,0 11,3 12,9 15,0 18,0 22, ,2 10,0 11,0 12,2 13,8 15,7 18,3 22,0 27, ,8 11,8 13,0 14,4 16,3 18,6 21,7 26,0 32, ,5 13,6 15,0 16,7 18,8 21,4 25,0 30,0 37,5 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 30

31 ,2 15,5 17,0 18,9 21,3 24,3 28,3 34,0 42, ,8 17,3 19,0 21,1 23,8 27,1 31,7 38,0 47, ,5 19,1 21,0 23,3 26,3 30,0 35,0 42,0 52, ,2 20,9 23,0 25,6 28,8 32,9 38,3 46,0 57, ,8 22,7 25,0 27,8 31,3 35,7 41,7 50,0 62,5 Figure 15 : Tableau du prix en $ par KWh source: Wikipédia Anglophone kwc = kilowatt crête L énergie solaire photovoltaïque bien qu utilisant, une énergie gratuite, reste une énergie très chère par rapport à son prix de revient au kilowattheure. 3.8 COUT DU PANNEAU ET DE L INSTALLATION Installation autonome (non reliée au réseau) On évalue le prix moyen du Watt crête d une installation autonome à une valeur de 20 à 30 en raison des batteries très coûteuses. Cependant un particulier peut obtenir une aide financière si l utilisation de ses panneaux se fait sur un lieu éloigné du réseau, cette aide peut s élever jusqu à 87% du prix total en milieu rural. Si l on souhaite installer des panneaux non reliés au réseau avec une puissance crête de 1kW, il faudra dépenser au minimum environ. Une aide maximum, permettra au particulier de ne payer que Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 31

32 Figure 16 : Installation autonome Installation reliée au réseau Dépenses et aides possible Un watt crête coûte environ 9 lors de l installation de panneaux solaire photovoltaïques reliés au réseau. Une aide est également possible, elle peut atteindre 80% au maximum. Pour installer une puissance crête de 1kWh, il faudra dépenser 9000, avec une aide de 80%, le particulier ne paiera alors que Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 32

33 Compteurs Figure 17 : Installation reliée au réseau L investissement Voici les différents postes d investissement pour l installation de panneaux solaires reliés au réseau : Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 33

34 Figure 18 : Coûts d installation d un panneau solaire relié au réseau EDF L onduleur L onduleur est un appareil qui permet de convertir le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif répondant aux normes fixées par le gestionnaire du réseau. Il est donc indispensable à l'injection du courant sur le réseau. Figure 19 : Photographie d un onduleur Coût de revient du kwh Le prix du kwh dépend de la production électrique des panneaux solaires et donc de leur lieu d installation. En effet, plus il sera ensoleillé, plus la production sera importante, plus le prix du kwh sera bas (on estime le prix de production dans le nord de la France à 50 cents en 2006 pour un kwh d'énergie électrique produit). Le kwh d énergie électrique photovoltaïque est vendu aujourd hui 14 cents le kwh au réseau, ce prix est élevé pour inciter les particuliers à installer des panneaux solaires pour revendre ensuite leur production. Cependant, il n est pas compétitif face à la production d électricité fournie par l énergie nucléaire (2.8 cents le kwh) Le stockage La production d électricité n a lieu que pendant les heures d ensoleillement et celle-ci doit être consommée immédiatement ou stockée dans des batteries sinon elle est perdue. Ainsi cette production sera stockée en batterie ou, dans le cas d une installation reliée au réseau, le surplus y est directement redistribué, ainsi aucune batterie n est nécessaire. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 34

35 4 ETAT DE L ART DES SIG DANS LE DOMAINE DU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE 4.1 DES DONNEES EXISTANTES SUR LE RAYONNEMENT SOLAIRE ET SUR LE CALCUL DE L ORIENTATION OPTIMALE DES PV Il existe un service qui fournit des données concernant le rayonnement solaire gratuitement ou par abonnement : SoDa (Services pour professionnels en énergie solaire et rayonnement). Voici un exemple des données que l on peut trouver sur le site de SoDa : HelioClim-1. Base de données de rayonnement solaire - Du jour au mois - Europe - Afrique. Valeurs d'éclairement de la base de données HelioClim-1, calculées à partir des images du satellite Meteosat, de 1985 à Fournisseur : Ecole des Mines de Paris / Armines (France). HelioClim-2. Base de données de rayonnement solaire - De l'heure au mois - Europe - Afrique. Valeurs d'éclairement de la base de données HelioClim-2, calculées à partir des images du satellite Meteosat depuis février Fournisseur : Ecole des Mines de Paris / Armines (France). HelioClim-3. Base de données de rayonnement solaire - De la minute au mois - Europe - Afrique. Valeurs d'éclairement de la base de données HelioClim-3, calculées à partir des images du satellite Meteosat depuis février Fournisseur : Ecole des Mines de Paris / Armines (France). MARS. Base de données de rayonnement solaire - Europe. Ce service fournit des séries temporelles d'irradiation journalière depuis 1975 pour des cellules de 50 x 50 km 2, calculées par interpolation spatiale de mesures faites dans les réseaux météorologiques. Fournisseur : European Commission (UE). D autres services existent également à voir sur Comme la possibilité de connaitre l orientation optimale des panneaux PV pour un rayonnement reçu maximal, voici un aperçu de l interface SoDa : Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 35

36 Figure 20 : Interface SoDa pour le calcul de l inclinaison optimale des PV Source : Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 36

37 4.2 DES DONNEES SUR LE POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE EN EUROPE Une autre source d information très intéressante grâce à laquelle nous saurons si les résultats de notre SIG sont bien en accord avec la réalité, se présente sous la forme d une carte qui présente le potentiel photovoltaïque dans l union européenne, et ce qui nous intéresse plus particulièrement en France. Figure 21 : Carte du potentiel photovoltaïque Source : PVGIS European Communities, Cette carte a été publiée par la Commission européenne. Elle est disponible sur internet. Ces informations sont issues du système interactif en ligne d information géographique sur l énergie photovoltaïque nommé PVGIS, qui a été mis au point par le service scientifique interne de la Commission. Ce SIG permet aux utilisateurs d évaluer le rendement en énergétique solaire de n importe quelle région d Europe. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 37

38 Autre carte intéressante, parmi les nombreuses cartes proposées par le site de PVGIS des cartes concernant l électricité produite annuellement par des panneaux PV orientés horizontalement Ce qui nous amène naturellement à parler du SIG PVGIS. 4.3 UN SIG DEDIE AU POTENTIEL PHOTOVOLTAÏQUE : PVGIS Ce SIG est une facette de l action SOLAREC menée pour le développement des énergies renouvelables dans l union européenne au JRC Renewable Energies Unit. Voici les données de base qui ont été utilisées pour créer la base de données PVGIS sur l Europe: Des moyennes et sommes de l irradiation globale et diffuse, mesurée ou calculée pour 566 stations météo distribuées sur les régions. Les moyennes sont représentées pour la période Les données ont été collectées au cours du projet ESRA. La turbidité de Linke disponible également sur le site de SoDa. Le trouble de Linke caractérise la turbidité optique de l'atmosphère. MNT avec une résolution de 1*1km, dérivé des données de l USGS STRM Des données Corine Land Cover (grille de résolution 100*100m) Global Land Cover 2000 (grille de résolution 1*1km) BDD GISCO ( EuroGeographics Association for the administrative boundaries) VMAP0 et données ESRI La BDD concernant la radiation solaire a été développée en utilisant des outils intégrés dans le SIG GRASS, principalement le modèle de radiation solaire r.sun et les techniques d interpolations spatiales s.surf.rst et s.vol.rst. Ce SIG utilise Google Maps pour se situer puis ensuite calculer l'irradiation selon le lieu et les paramètres d'inclinaison et d'orientation. Exemple d utilisation avec une ville dans le sud de la France, PAU : Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 38

39 Figure 22 : Interface PVGIS en français Localité: 43 13'45" Nord, 0 21'5" Ouest, Elevation: 218 m a.s.l., Ville la plus proche: Pau, France (8 km distante) Puissance nominale du système PV: 1.0 kw (silicone cristallin) Pertes estimées duees à la température: 8.0% (using local ambient temperature) Perte estimée due aux effets de réflectance angulaire: 2.7% Autres pertes (cables, changeur, etc): 14.0% Pertes combinées du système PV: 24.7% Fixed system: inclination=35, orientation=0 (optimale) Moyenne annuelle Total for year Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 39

40 Figure 23 : Extrait du rapport résultant 4.4 CARNAVAL : LOGICIEL LIBRE POUR LE CALCUL DU MASQUE SOLAIRE LOINTAIN (RELIEF) Figure 24 : Logo de carnaval Développé par Mathieu Peyréga d incub, Carnaval est un logiciel libre et gratuit, destiné au calcul des masques de terrain (horizon blocking en anglais) et de leur influence sur les conditions d éclairement et d ensoleillement. La dernière version permet de calculer le masque solaire proche du aux bâtiments voisins. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 40

41 Ces paramètres sont primordiaux dans pour les études d implantation de panneaux solaires photovoltaïques. Carnaval permet d éviter la réalisation de mesures in-situ. Voici un exemple de comparaison du masque réel (photo) et du masque calculé par Carnaval (ligne rouge) (point de coordonnées UTM ) Figure 25 : Comparaison masque réel et masque trouvé par carnaval Source : Figure 26 : Copie écran de carnaval Source : On peut choisir un point d observation et calculer son masque solaire. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 41

42 Figure 27 : Création d un masque solaire lointain Figure 28 : Masque solaire lointain simplifié Ce logiciel libre est encore en cours d amélioration avec des pistes étudiées ou en cours de réalisation pour les masques proches (bâtiments ) avec par exemple : la possibilité de Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 42

43 pouvoir mettre plusieurs bâtiments / obstacles proches et la possibilité de mettre un masque à partir des arbres caduc qui font varier le masque en fonction des saisons CALCUL DU MASQUE SOLAIRE PROCHE AVEC GOOGLE EARTH ET GOOGLE SKETCHUP Voici le pdf expliquant la méthode. On remarquera qu il est tout de même fastidieux et peu précis de devoir tracer à la main les objets 3D constituant le masque proche, il faudrait disposer d un MNE. Il faut également disposer d une résolution suffisante sur google Earth. Simulation masques solaires proches solaires.pdf Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 43

44 5 BIBLIOGRAPHIE 5.1 HISTORIQUE LEGISLATION FONCTIONNEMENT ETAT DE L ART Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 44

45 GEOTHERMIE Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 45

46 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 46

47 TABLE DES MATIERES 1 L UTILISATION DE LA GEOTHERMIE PAR L HOMME : L HISTOIRE DE L EXPLOITATION GEOTHERMIQUE PAR L HOMME : LES DIFFERENTES TECHNIQUES DE GEOTHERMIE : LA GEOTHERMIE AU XXI EME SIECLE : LES CONTRAINTES LIEES A L INSTALLATION DE LA GEOTHERMIE : LA LEGISLATION FRANÇAISE : LES CONTRAINTES TECHNIQUES A APPLIQUER : FONCTIONNEMENT TECHNIQUE LA PRODUCTION D ELECTRICITE LA PRODUCTION DE CHALEUR ETAT DE L ART DES SIG DANS LE DOMAINE DE LA GEOTHERMIE SIG SUR LE THEME DE LA GEOTHERMIE THEMATIQUES PERIPHERIQUES BIBLIOGRAPHIE Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 47

48 TABLE DES ILLUSTRATIONS FIGURE 1 : COMPOSITION DU CENTRE DE LA TERRE 52 FIGURE 2 : REMONTEE MAGMATIQUE DE CHALEUR 53 FIGURE 3 : LES THERMES ROMAINS DE BATH 54 FIGURE 4 : CENTRALE GEOTHERMIQUE EN ISLANDE 55 FIGURE 5 : UNITE DE PRODUCTION D'ELECTRICITE GEOTHERMALE PAR TURBINE 57 FIGURE 6 : CENTRALE GEOTHERMIQUE A HAUTE ENERGIE 58 FIGURE 7 : CENTRALE ELECTRIQUE PAR GEOTHERMIE PROFONDE 59 FIGURE 8 : SYSTEME A BOUCLE DE SOL VERTICAL 61 FIGURE 9 : SYSTEME A BOUCLE DE SOL HORIZONTAL 61 FIGURE 10 : PRODUCTION D'ELECTRICITE GEOTHERMIQUE PAR PAYS 62 FIGURE 11 : PART DE CHAQUE ENERGIE DANS LA PRODUCTION D'ELECTRICITE RENOUVELABLE (EN %) 64 FIGURE 12 : PART DE CHAQUE ENERGIE DANS LA PRODUCTION D'ENERGIE PRIMAIRE RENOUVELABLE (EN %) 65 FIGURE 13 : MEMBRES DU COMITE AQUAPAC 68 FIGURE 14 : LA GEOTHERMIE HAUTE ENERGIE 72 FIGURE 15 : UNE DES CENTRALES GEOTHERMIQUES CALIFORNIENNES 74 FIGURE 16 : FONCTIONNEMENT D UNE CENTRALE GEOTHERMIQUE CALIFORNIENNE 74 FIGURE 17 : L USINE GEOTHERMIQUE DE BOUILLANTE 75 FIGURE 18 : FONCTIONNEMENT DE LA CENTRALE GEOTHERMIQUE DE BOUILLANTE 75 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 48

49 FIGURE 19 : CYCLE DE RANKINE 76 FIGURE 20 : CREATION DE FRACTURES OUVERTES DANS LA ROCHE CHAUDE 77 FIGURE 21 : SYSTEME GEOTHERMIQUE UTILISE A SOULTZ 78 FIGURE 22 : LES POTENTIALITES DE GEOTHERMIE PROFONDE EN EUROPE 79 FIGURE 23 : PRODUCTION DE CHALEUR PAR PAYS (2000) 79 FIGURE 24 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D UN RESEAU DE CHALEUR GEOTHERMIQUE 80 FIGURE 25 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DE LA GEOTHERMIE BASSE ENERGIE 81 FIGURE 26 : DIFFERENTS TYPES DE POMPES GEOTHERMIQUES (BASSE ENERGIE) 81 FIGURE 27 : LES GRANDS AQUIFERES DU BASSIN PARISIEN 82 FIGURE 28 : EVOLUTION DU NOMBRE DE PUITS GEOTHERMIQUES EN FRANCE 83 FIGURE 29 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT GENERAL D UNE PAC 84 FIGURE 30 : TYPES DE CAPTAGE 85 FIGURE 31 : PAC SUR EAUX SOUTERRAINES 85 FIGURE 32 : ILLUSTRATION DE LA DOUBLE UTILISATION DE LA GEOTHERMIE 86 FIGURE 33 : LA MAISON DE LA RADIO (PARIS) 86 FIGURE 34 : EVOLUTION DE LA TEMPERATURE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE 87 FIGURE 35 : PRINCIPE DU CAPTAGE VERTICAL 88 FIGURE 36 : RESEAU DE CAPTEURS GEOTHERMIQUES HORIZONTAUX 89 FIGURE 37 : DIFFERENTS TYPES DE BOUCLES HORIZONTALES 90 FIGURE 38 : PROCEDE A DETENTE DIRECTE 91 FIGURE 39 : PROCEDE PAR FLUIDES INTERMEDIAIRES 91 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 49

50 FIGURE 40 : PROCEDE A TECHNOLOGIE MIXTE 92 FIGURE 41 : LE CADRE GEOLOGIQUE DES RESSOURCES GEOTHERMIQUES EN FRANCE 94 FIGURE 42 : CARTE DES FLUX GEOTHERMIQUES EN AMERIQUE DU NORD 95 FIGURE 43 : FLUX GEOTHERMIQUES DANS L OUEST DES ETATS UNIS (EN ROUGE LES FLUX LES PLUS IMPORTANTS) 96 FIGURE 44 : INTERFACE DU SIG DU POTENTIEL GEOTHERMIQUE DES AQUIFERES SUPERFICIELS 97 FIGURE 45 : EXEMPLE DE FICHE DETAILLEE SUR LES CAPACITES GEOTHERMIQUES (ACCESSIBLE POUR N IMPORTE QUEL POINT DE LA CARTE) 97 FIGURE 46 : INTERFACE GLOBALE DE LA VERSION CEDEROM DU SIG 98 FIGURE 47 : VISUALISATION DES DONNEES SUR LA VERSION CEDEROM DU SIG 99 FIGURE 48 : EXEMPLE DE FICHE DETAILLEE SUR LES CAPACITES GEOTHERMIQUES DE LA VERSION CEDEROM DU SIG (ACCESSIBLE POUR N IMPORTE QUEL POINT DE LA CARTE) 99 FIGURE 49 : INTERFACE GENERAL DU GEOPORTAIL DU CANTON DE BERNE, CARTE «SONDES GEOTHERMIQUES 100 FIGURE 50 : DETAIL DES DONNEES DISPONIBLES SUR LE SIG DU CANTON DE BERNE 100 FIGURE 51 : INSTALLATIONS GEOTHERMIQUES ET PERIMETRES DE PROTECTIONS EN IDF 101 FIGURE 52 : CARTE DES PROJETS GEOTHERMIQUES AUX USA 102 FIGURE 53 : PORTAIL INFOTERRE 103 FIGURE 54 : PORTAIL D ACCES A SANDRE 104 FIGURE 55 : PORTAIL D ACCES AUX DONNEES SUR LES EAUX SOUTERRAINES 104 FIGURE 56 : CARTE DES MOYENNES DES TEMPERATURES ANNUELLES EN FRANCE 105 FIGURE 57 : CARTE DES EPICENTRES DE SEISMES 105 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 50

51 FIGURE 58 : CADASTRE ET BATI SUR LE GEOPORTAIL 106 Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 51

52 Depuis plus de ans, l homme utilise l énergie du sol pour se chauffer. Avec la découverte des énergies fossiles, l importance de la géothermie, dans le processus de chaleur mis au point par les hommes, diminue. Mais, avec l amenuisement des ressources énergétiques telles que les hydrocarbures, l intérêt ne va aller qu en s accroissant. La planète Terre est composée de plusieurs couches ayant des températures très diverses. Ainsi, le noyau et le manteau présent des températures très élevées ; Mais, les roches intermédiaires de l écorce terrestre sont de très mauvaises conductrices de chaleur. Figure 1 : Composition du centre de la Terre Ainsi, cette source de chaleur, qui pourtant paraissait évidente, n apporte qu une faible partie de l énergie thermodynamique dégagée par notre planète. 90% de l énergie dégagée par la Terre provient de la désintégration des éléments radioactifs constituants les roches. Néanmoins, la chaleur provenant du centre de la terre nous parvient par un mécanisme de conduction, qui est à la base du gradient géothermique. Or, le principe même de la géothermie repose sur cette modification de la température du sol en fonction de la profondeur. Le gradient géothermique est en moyenne sur Terre de 3,3 C tous les 100m. Mais, dans certains secteurs du globe, où la croute terrestre est fine, où les remontées de magma sont importantes, les variations de température peuvent aller jusqu à 30 C par tranche de 100 m. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 52

53 Figure 2 : Remontée magmatique de chaleur Dans ce cas, les remontées de chaleur ont lieu par l intermédiaire de cellules de convection, qui impliquent une augmentation forte du flux de chaleur. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 53

54 6 L utilisation de la géothermie par l homme : 6.1 L HISTOIRE DE L EXPLOITATION GEOTHERMIQUE PAR L HOMME : La géothermie, des temps anciens à nos jours : Les premiers indices de l utilisation par l homme de la chaleur interne de la Terre datent d il y a environ ans. Or, cette époque correspond au troisième et dernier âge glaciaire ayant eu lieu sur notre planète. Ainsi, cela correspond aux premières utilisations par l homme du dégagement de chaleur venant des profondeurs. Les archéologues ont retrouvé des morceaux de roches volcaniques taillées sur le site de Niisato au Japon. Ses sources de chaleur ont, par conséquent, présenté alors rapidement un intérêt important. Elles étaient utilisées pour cuire les aliments, se baigner et se chauffer. Et depuis ces temps anciens, l homme n a pas perdu cette idée de réchauffer son lieu de vie grâce à la chaleur terrestre. Au cours du premier millénaire avant Jésus-Christ, les étrusques et les romains développèrent ce qui sera le principal lieu d échange d idées et de rencontre : les bains publiques ou thermes. Elles resteront présentes tout au long du premier millénaire de notre ère. Elles résisteront à toutes les guerres et décadences qui émailleront ses derniers siècles. Figure 3 : Les thermes romains de Bath Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 54

55 Le premier développement d une structure plus complexe basée sur la géothermie a eu lieu à Chaudes-Aigues dans l actuel département du Cantal. La source du Par donnait aux riverains une température de 82 C. Or, des archives remontant à l an 1330 précisent que cette eau géothermale était distribuée à quelques habitations, par l intermédiaire d un réseau. Elle servait à nettoyer les peaux et la laine. Dans les mêmes années en Toscane, jaillissait des profondeurs de la Terre, une vapeur d eau à plus de 100 C, qui était utilisée pour l extraction de roche comme le souffre Les premières exploitations industrielles de la géothermie : Alors que depuis ans, les hommes n ont fait qu exploiter les affleurements visibles du gradient géothermique, à partir du début du XIX ème siècle, ils voulurent tirer profit au maximum de cette énergie interne à la Terre. Ainsi, en 1818, le Français François Lardere a mis en place la première exploitation industrielle de l énergie géothermale. Il mit en place dans la ville de Larderello en Italie un traitement industriel des eaux chaudes et de l acide borique venant les entrailles de la Terre sous forme gazeuse. Figure 4 : Centrale géothermique en Islande Mais, les principaux utilisateurs de ces sources chaudes sont les pays à forts potentiels volcaniques. Parmi ceux-ci, on peut citer le principal précurseur dans le domaine de la géothermie : l Islande. Au XVIII ème siècle, ils lancèrent la première extraction industrielle du sel. Depuis, l Islande est l un des seuls pays au monde à tirer la quasi-totalité de son énergie électrique de sources dites renouvelables. En 2006, l énergie géothermique fournit Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 55

56 26,5% de l énergie électrique islandaise contre 73,4% d origine hydraulique. Ainsi, un millième de l énergie électrique nationale seulement provient d énergies fossiles. A Paris, dans le quartier de Grenelle, est réalisé entre 1833 et 1841 le premier forage de captage d eau douce à 548m sous la surface de la capitale. L eau avait une température dans la nappe de 30 C L essor de la géothermie au cours du XX ème siècle : Mais, c est au XX ème siècle que le mouvement va vraiment prendre toute son ampleur, pour répondre aux besoins toujours plus pressants en énergie des habitants des villes. De plus, il faut ajouter dans une plus faible importance, l intérêt croissant pour les énergies renouvelables. C est à partir de ce début de siècle que la géothermie se divisa en deux branches distinctes : la géothermie dite «haute énergie», qui produit de l électricité pour un grand nombre de personnes la géothermie dite «basse énergie» (extraction d eau à moins de 90 C), dont le but est de chauffer les habitations de particuliers ou de groupe de particuliers. Elles n eurent pas le même essor au cours de ce siècle. Le développement de la géothermie «haute énergie» commença dans une ville célèbre dans ce monde de l énergie géothermique : Larderello. En 1904, le prince Conti y alluma cinq ampoules alimentées par une dynamo reliée à un moteur alternatif fonctionnant grâce à un système de vapeurs géothermiques. Cela symbolisa la construction l année suivante de la première centrale expérimentale à énergie géothermique d une puissance de 20 kw. Le premier vrai exemplaire d usine de production d électricité tirant son énergie de la chaleur de la Terre démarra en 1913 sous la forme d un groupe à turbine de 250 kw. Elle sera développée jusqu à atteindre une puissance totale de 127 MW, en Mais, elle fût en très grande partie détruite par la guerre. Mais à part cette usine, la géothermie du début du siècle fût surtout composée de prospections des potentiels géothermiques. Elles eurent lieues en 1908 au Chili, puis aux États-Unis, en Indonésie, au Japon, en Nouvelle-Zélande et en Islande vers 1925 pour ne citer que ceux-là. Grâce à ces explorations du sous-sol, au début des années 60, environ 50 champs de haute énergie géothermique ont été mis au jour dans 23 pays. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 56

57 Néanmoins, la production d énergie électrique à partir de sources géothermiques ne décollera pas avant les premiers chocs pétroliers des années 70. Avec un taux de développement de 16,5 % au cours de ces années, la production d énergie électrique géothermale passa de 400 MW en 1960 à 2500 MW vingt ans plus tard. Aujourd hui, on atteint les 8000 MW installés. Cet accroissement soudain a été poussé par la recherche des états d avoir une énergie nationale indépendante des soubresauts internationaux, en relation bien sûr avec les crises des matières premières à répétition. Figure 5 : Unité de production d'électricité géothermale par turbine Au niveau de la géothermie basse énergie, à la fin du XIX ème siècle, deux réseaux localisés de chauffage ont été construits aux Etats-Unis. Mais, sans conteste, le premier réseau de chauffage urbain par procédé géothermal a été mis en place en 1930, dans le royaume mondial de la géothermie : Reykjavik, capitale de l Islande. Etendue quasiment de nos jours à l ensemble de la ville, il chauffait à l époque une centaine de maison, un hôpital, une école et deux piscines. Maintenant, il existe des réseaux de chauffage urbain basé sur l énergie géothermique un peu partout dans le monde, comme aux Etats-Unis, en France, en Russie, en Italie, etc. Sur le territoire français, la première exploitation de sources géothermale a eu lieu en 1969 dans le bassin parisien. On y extrait depuis l eau provenant d un aquifère profond (couche de terrain ou une roche, suffisamment poreuse et perméable, pour contenir une nappe d'eau souterraine) du bassin. Au cours de la première moitié des années 80, cette zone importante du Nord de la France a vu se développer un parc géothermal non négligeable. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 57

58 Mais à la différence des centrales géothermiques actuelles, les systèmes géothermiques à basse énergie extraient une eau à plus faible température. Or, pour récupérer l énergie nécessaire à l optimisation de la température dans les habitations, ils utilisent une Pompe à Chaleur qui a besoin d énergie pour fonctionner. Donc, peut-on considérer la géothermie comme une énergie vraiment renouvelable? 6.2 LES DIFFERENTES TECHNIQUES DE GEOTHERMIE : Les techniques de géothermie haute énergie : La géothermie dite à haute énergie a pour but la production d électricité à partir de ressources géothermale de haute à très haute température. Elle concerne des températures supérieures à 150 C et utilisent des fluides captés dans des zones souterraines ayant un gradient géothermique énorme. Elle fonctionne par un système de réservoirs. Ceux-ci sont situés entre 1500 et 3000 mètres sous la surface et grâce à la température importante du sous-sol, il s en dégage des vapeurs sèches ou humides qui sont captés ensuite pour produire de l électricité par l intermédiaire de turbines. Figure 6 : Centrale géothermique à haute énergie Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 58

59 Il existe également une technique dite de géothermie profonde, qui consiste en l introduction d eau sous pression à une profondeur de 3 à 5 kilomètres. L eau, en circulant entre les failles, se vaporise. La vapeur est alors pompée jusqu à un échangeur de chaleur permettant la production d énergie électrique. Cette technique novatrice est en cours d exploitation à Soultz-sous-Forêts, en Alsace. Figure 7 : Centrale électrique par géothermie profonde Les techniques de géothermie moyenne énergie : Utilisant des vapeurs humides ou de l eau chaude ayant une température comprise entre 90 et 150 C, est équivalente à la géothermie à haute énergie, mais pour des profondeurs inférieures à 1000 m. A cette distance de la surface, le gradient géothermique est plus faible. Pour produire de l énergie électrique, il y a obligation d utiliser un fluide intermédiaire Les techniques de géothermie basse et très basse énergie : Elles constituent l ensemble des projets géothermiques dont la température du fluide ne dépasse pas les 90 C. Cette température étant insuffisante pour produire de l électricité, Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 59

60 l eau est utilisée pour le chauffage des particuliers ou pour faire fonctionner des applications industrielles particulières. L eau est pompée à une profondeur comprise entre 1500 et 2500 mètres. Ces réservoirs sont situés dans des bassins sédimentaires, tels que le bassin parisien. Ce fait est du à la composition poreuse des roches de ces sous-sols. La géothermie très basse énergie est destinée au chauffage ou la climatisation d un nombre restreint de personnes. Elle fonctionne par l extraction d eau à moins de 30 C, dans des aquifères peu profonds. Son fonctionnement nécessite l ajout d une Pompe à Chaleur (PAC). Il existe plusieurs modèles de géothermie très basse énergie, mais tous fonctionnent sur un principe commun : un premier réseau de tuyaux dans le sol parcouru par un fluide caloporteur, qui récupère la température du sol un second réseau de tuyaux parcourant les surfaces à chauffer et contenant un second fluide une pompe à chaleur servant d intermédiaire entre les deux fluides. Dans le cas du chauffage, elle fournit au second fluide la chaleur excédentaire du premier. Mais pour fonctionner, elle doit être alimentée par un courant électrique. Donc, sachant que la température du premier fluide est trop faible pour produire de l électricité, la pompe à chaleur est dépendante d un système de production électrique extérieur. Par conséquent, la géothermie à très basse température n est pas une énergie renouvelable. La pompe à chaleur permet de créer de l énergie sous forme de chaleur. Ainsi, pour 1 W d énergie électrique consommée, la pompe à chaleur fournie environ 3,5 à 5 W d énergie thermique. Ce rapport est appelé le COP, ou Coefficient de Performance de la pompe géothermique. Il peut varier suivant différents critères : la qualité de l installation, le modèle de la pompe, le type de géothermie très basse énergie et suivant la température de la source. Il existe 4 modèles de géothermie très basse température : un modèle dit «doubles sources», dans lequel l eau est pompée à une température inférieure à 30 C dans une première nappe. Puis, après être passée dans la pompe à chaleur, elle est rejetée dans un autre réservoir naturel d eau. Un système de prélèvement d eau dans des étendues liquides non salées, telles que des lacs. Après avoir traversé la pompe à chaleur, l eau est rejetée dans un endroit relativement éloigné du lieu de captage pour éviter toute influence thermique sur l eau pompé au départ. Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 60

61 Les systèmes de boucle horizontaux et verticaux : Le système de boucle vertical permet de chauffer une habitation en faisant circulant un fluide à l intérieur d un tuyau passant dans un forage orthogonal au sol. Sa profondeur peut atteindre les 80 m. De plus, le réseau de tuyau est parcouru par un mélange d eau et de fluide antigel. Figure 8 : Système à boucle de sol vertical Le système à captage horizontal permet de chauffer un logement en faisant circuler le fluide caloporteur dans un réseau de tuyau enterré sous 60 et 120 cm au niveau d une surface libre, telle qu un jardin devant une maison. L eau contenue dans le sol est directement régénérée par le soleil et les précipitations. Figure 9 : Système à boucle de sol horizontal Mastère ASIG / Projet Bibliographique «EnR» 61

62 6.3 LA GEOTHERMIE AU XXI EME SIECLE : La géothermie actuellement dans le monde : La production d électricité : Le nombre d installations géothermiques à haute et moyenne énergie recensées dans le monde est de plus de 350. Avec un total de 8 GW, la géothermie ne représente que 0,2% de la production mondiale d électricité. Les principaux pays producteurs d énergie électrique au moyen de procédés géothermiques sont situés sur le pourtour de l Océan Pacifique : 3400 MW de puissance sur le continent américain, 3100 MW en Asie et 440 en Océanie. Le plus gros producteur d électricité d origine géothermale est les Etats-Unis d Amérique avec MW de puissance installée. Mais, malgré cette énorme production de 15 TWh/an, cela ne représente que 0,4% de leurs besoins en énergie. Ensuite, suivent les Philippines avec MW, le Mexique (953), l'indonésie (796), l'italie (790), le Japon (547), la Nouvelle-Zélande (437), l'islande (200), le Salvador (161), et le Costa Rica (160). Figure 10 : Production d'électricité géothermique par pays Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

63 En France, la seule centrale de production géothermique d électricité se situe à Bouillante en Guadeloupe. Elle a une puissance de 15 MW. Mais potentiellement, la construction d une telle centrale est envisageable à la Réunion ou à la Martinique, grâce à la présence de roches volcaniques à profusion La production d énergie thermique : En 2005, 70 pays sur la planète annoncent avoir recours à la géothermie pour chauffer ces habitations. Actuellement, la puissance déployée est estimée à 28 GW, soit plus de 73 TWh/an. Les plus gros producteurs au monde sont le Japon, la Chine, l Islande, l ancien bloc soviétique, les pays d Europe centrale et orientale et les Etats-Unis. Figure 1 : Production de chaleur par géothermie Dans l Union Européenne, ce marché est en pleine expansion avec un doublement du nombre de pompe à chaleur fonctionnant entre 2003 et Mais dans ce domaine, la France montre son rôle de pionnière avec les installations du bassin parisien qui n est autre que la zone la plus dense au monde de production de chaleur par le sol. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

64 6.3.2 La place de la géothermie dans les énergies dites renouvelables : Depuis, le protocole de Kyoto entré en vigueur en Février 2005, les états développés du monde entier n ont qu une idée en tête : comment continuer à se développer tout en rejetant moins de gaz polluants? En réponse à cette question, ils se sont lancés dans le développement intensif des énergies dites renouvelables. Mais, quelle est la place de la géothermie dans le principal point de comparaison : la part de chaque type d énergie renouvelable dans la production mondiale d électricité? Elle représente 1,3% de la production d énergie électrique dite renouvelable, qui largement dominée par l énergie hydraulique. Figure 11 : Part de chaque énergie dans la production d'électricité renouvelable (en %) Néanmoins, en ajoutant l énergie thermique (chauffage ou climatisation) produite, la géothermie représente 5,4% de la production mondiale d énergie primaire renouvelable. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

65 Figure 12 : Part de chaque énergie dans la production d'énergie primaire renouvelable (en %) Le taux de croissance annuel de la géothermie au niveau mondiale est actuellement de 16% entre 2000 et 2005 dans le secteur de la production thermique (Source : World Geothermal Congress) et de 4,8% du côté de la production électrique (Source : EurObserv'ER, août 2003). Sachant que la production générale d énergie primaire dite renouvelable est de l ordre de 20% (?), alors la proportion de la géothermie dans la production d énergie renouvelable totale est constante. Et, dans le domaine de la production d énergie électrique, son rôle sera toujours aussi faible avec environ 1% du total. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

66 7 LES CONTRAINTES LIEES A L INSTALLATION DE LA GEOTHERMIE : 7.1 LA LEGISLATION FRANÇAISE : Selon la LOI n du 13 juillet 2005 de programme fixant les orientations de la politique énergétique, éditée au Journal Officiel de la République Française n 163 du 14 juillet 2005, page : «Une politique ambitieuse est conduite dans le domaine des techniques de la géothermie basse énergie, qui permettent d'exploiter la chaleur des aquifères et l'inertie thermique du sous-sol proche afin de produire de la chaleur ou du froid. A cet effet, les études portant sur le sous-sol sont reprises et le développement des pompes à chaleur géothermiques est encouragé». Ainsi, depuis un peu plus de 2 ans, l installation de chauffage par procédé géothermique est facilitée sur le territoire français Les démarches administratives : En France, les démarches administratives sont effectuées en général par l entreprise d installation ou de forage au nom du propriétaire de l habitation. Elles sont décrites sommairement dans les alinéas suivants : La réalisation d un forage de plus de 10 mètres est astreinte à la demande d une autorisation auprès des services de la DRIRE (Direction Régionale de l'industrie de la Recherche et de l'environnement), selon l article 131 du code minier. Dans le cas d un système à basse énergie (température supérieure à 30 C), les pompages dans les aquifères donnent de l eau non potable, et même ayant un taux de salinité important. Cette dernière donnée implique que ces ouvrages à basse énergie ne sont pas soumis aux dispositions du Code de l'environnement, du Code de la santé publique. Un capteur à boucle vertical ayant une puissance calorifique faible (30 à 50 W par mètre foré), l installation de leur pompe à chaleur n est soumis qu à une simple déclaration. Le montage financier, compte tenu du coût prévisionnel de ce type d opération, doit être élaboré avec l appui des Pouvoirs Publics qui ont mis en place des procédures d aides financières, au travers de l ADEME (Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie). Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

67 Au total, les principales démarches administratives à effectuer pour la mise en place d un système à boucle vertical sont : l'établissement du permis de recherche minier pour la réalisation des forages, la réalisation de l'étude d impact, l'élaboration des autorisations de rejet des fluides de travaux, le montage du dossier financier Les aides des institutions : Toutes les aides institutionnelles décrites ci-après sont liées à une obligation d avoir une pompe à chaleur présentant une Coefficient de Performance supérieur à 3 et une température d'évaporation de - 5 C. Les entreprises d installation de chauffage par géothermie ont le droit à une TVA réduite à 5,5 %. Or, les particuliers qui font poser une pompe à chaleur dans leur résidence principale ou secondaire peuvent bénéficier de cette décote. La seule condition à remplir est que l habitation soit terminée depuis plus de 2 ans. A ce droit au taux réduit de la Taxe sur la Valeur Ajoutée, il faut ajouter un crédit d impôts sur le matériel acheté. Ainsi, l Etat accorde une baisse de l impôt sur le revenu en cas de pose d une pompe à chaleur dans la résidence principale de l individu en question. Il concerne les logements neufs, en construction ou anciens. Depuis le 1er janvier 2006, son taux est fixé à 50%. A ces aides directes de l état par des baisses d impôts, on peut adjoindre celles de l ADEME et des collectivités locales : Les financements de l ADEME sont donnés essentiellement dans le cas de projets innovants en terme d économie d énergie et en relation avec le développement durable. Les collectivités locales fournissent des aides complémentaires de même niveau. Il est possible également d obtenir des aides provenant du Programme national de lutte contre le changement climatique de janvier 2000 et du Programme national d amélioration de l efficacité énergétique de décembre Depuis le 8 novembre 2002, les Opérations Programmées d Amélioration de l Habitat (OPAH) associent les collectivités locales, l Etat et l ANAH (l Agence NAtionale de l Habitat) dans des conventions de 3 ans. Elles ont pour but d aménager les logements anciens et leur environnement en assurant la bonne synchronisation entre les actions du privé et du domaine public. De plus, depuis le 20 février 2002, des opérations programmées d amélioration thermique et énergétique des bâtiments (OPATB) ont été mises en route par les services de l état Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

68 cités ci-dessus. Ainsi, la consommation énergétique et les rejets en CO 2 des logements collectifs s en trouvent réduits. A toutes ces exonérations essentiellement au niveau national, on peut ajouter une possibilité pour les collectivités locales et les EPCI (Etablissement Public de Coopération Intercommunale) ayant une fiscalité propre : dans le cas de bâtiment donnant le droit au crédit d impôts précédemment cité et sous certaines conditions, l exonération durant une durée déterminée de la taxe foncière sur les propriétés bâties, est envisageable Les garanties : Il existe une assurance sur le marché de la géothermie, couvrant les risques géologiques. Elle comprend deux parties clairement distinctes : La garantie de recherche qui couvre le risque d avoir une énergie insuffisante dans la ressource aquifère forée pour le bon fonctionnement des installations. Cette assurance s élève à 5% du prix des ouvrages garantis en recherche. En cas de diminution du volume d eau contenue dans la ressource ou de détérioration de celle-ci, les maîtres d ouvrage et leurs mandataires sont couvèrent par une garantie de pérennité. Figure 13 : Membres du comité Aquapac Ces 2 garanties sont regroupées sous le terme de procédure Aquapac. Pour en bénéficier il faut déposer un dossier à la SAF-Environnement où il sera instruit par le Comité Aquapac composé de l ADEME, du BRGM et d EDF. 7.2 LES CONTRAINTES TECHNIQUES A APPLIQUER : Le système à boucle de sol verticale : Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

69 Dans le cas de la réalisation d un forage pour la mise en place d une sonde géothermique, certaines précautions sont à prendre en compte pour la protection des nappes : à proximité des anciennes décharges et autres sites ou sols pollués, à proximité des installations d'assainissement collectif et non collectif, dans les zones humides, dans les zones karstiques et les roches très solubles (sels, gypse ), en bordure du littoral marin ou à proximité des eaux salées, à proximité des ouvrages souterrains et sur les tracés des infrastructures souterraines (câbles, canalisations, tunnels ), à proximité des digues et barrages, dans les anciennes carrières ou mines à ciel ouvert remblayées et au droit des anciennes carrières et mines souterraines, dans les zones à risques de mouvement de terrain et les zones volcaniques à proximité des circulations d'eau ou de gaz exceptionnellement chauds ou chargés en éléments. Ainsi, toute construction de ce type de procédé géothermique doit être précédée d une étude de faisabilité permettant de s assurer des bonnes caractéristiques de l aquifère. Il doit y être également déterminé la quantité de forages nécessaires et la possibilité de réinjecter de l eau. Dans le cas d un forage de géothermie «très basse énergie», la profondeur dépend de la puissance de la pompe à chaleur associée, de la température extérieure moyenne et de l isolation de la maison. La profondeur en mètre est comprise en moyenne entre 0,7 et 1 fois la surface à chauffer en m Le système à boucle de sol horizontale : Les principales contraintes dans le cas de la géothermie à boucle horizontale sont des problèmes de distances entre les tuyaux ou avec un élément extérieur : Les capteurs horizontaux doivent être placés entre 60 et 120 cm de la surface du sol, car au-delà l inertie du sol est trop grande et celui-ci ne pourrait se régénérer assez rapidement. La distance entre deux capteurs doit être au moins de 40 cm pour éviter des problèmes dus au gel. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

70 La surface du jardin où est placé la zone de captage doit avoir une surface comprise entre 1,5 à 2 fois la surface à chauffer. Les capteurs doivent être à au moins 2 mètres des arbres, 1,5 mètre des réseaux enterrés non hydrauliques et 3 mètres des fondations, puits, fosses septiques et évacuations. La pente du terrain doit être faible pour faciliter les travaux de terrassements. Ainsi, il est possible de faire pousser des fleurs sur la surface de captage, car leurs racines sont courtes. C est à cause de cette dernière donnée qu il est impossible de faire pousser des arbres ci près du réseau de tuyaux en question. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

71 8 FONCTIONNEMENT TECHNIQUE Nous avons vu que le terme «géothermie» désigne aussi bien la science associée à l étude des phénomènes thermiques internes au globe terrestre que les processus industriels visant à exploiter ces derniers dans le but de produire de l électricité et/ou de la chaleur. Ces processus sont ainsi classés en deux catégories : La géothermie destinée à la production électrique, regroupant : La géothermie haute énergie (température supérieure à 150 C). La géothermie moyenne énergie (température entre 90 C et 150 C). La géothermie profonde (utilisant la température des roches chaudes fracturées). La géothermie destinée au chauffage urbain, regroupant : La géothermie basse énergie. La géothermie très basse énergie, type à part de géothermie faisant intervenir des pompes à chaleur (dites pompes à chaleur géothermiques). 8.1 LA PRODUCTION D ELECTRICITE La géothermie est se place au troisième rang parmi les énergies renouvelables productrices d électricité, après l éolien et la biomasse. Elle a cependant l avantage sur ses concurrentes de fonctionner en continu. Avec une puissance totale de 9,7GW, le parc géothermique mondiale représente 0,3% de la puissance mondiale électrique et fournit 0,4% des besoins électriques mondiaux. Cependant son implantation est hétérogène sur la planète. Cette production est en grande partie issue de la géothermie haute énergie ; cependant deux autres technologies, certes minoritaires, existent et sont opérationnelles La géothermie haute énergie Principe La géothermie haute énergie consiste à utiliser la vapeur issue du sous-sol afin d actionner des turbines d un groupe turbo alternateur, de la manière que dans des centrales de production électrique standards : thermique ou nucléaire. Cette chaleur stockée en soussol est parfois visible en surface, principalement en zones d activité volcanique. On peut Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

72 ainsi citer l existence de geysers, puits naturel de vapeur, ou encore l existence de sources chaudes (dont certaines servent au thermalisme ou au chauffage urbain cf. suite). Figure 14 : La géothermie haute énergie Cette vapeur utilisée en géothermie haute énergie s échappe naturellement ou de manière forcée selon le type d installation. Sa remontée est canalisée par un puits foré au préalable, dont la profondeur peut aller de 1000m à plus de 2500m selon la zone géographique où se situe la centrale géothermique. Cette profondeur est fonction du gradient géothermique du sous-sol à cet endroit. L eau n est pas à l état de vapeur en profondeur. Elle se trouve dans des réservoirs géologiques ou roches aquifères profondes où elle est maintenue à l état liquide, malgré sa température élevée (plus de 200 C), sous des contraintes de pression. C est en remontant dans le puits qu elle se vaporise, la pression étant plus faible. Comme nous l avons évoqué plus haut, deux méthodes existent pour extraire la vapeur : La vapeur sort naturellement par le puits de forage, l existence du puits ayant entraîné une dépression dans le réservoir. Lorsque la température régnant dans le réservoir est insuffisante, de l eau est injectée dans le puits. Lorsqu elle arrive dans le réservoir, elle se vaporise, provoquant la remontée de l eau stockée par poussée. La géothermie haute énergie fait référence aux installations utilisant directement la vapeur du sous-sol, à une température supérieure à 150 C. Elle est exploitée dans le monde entier, représentant près de 8000MWe (mégawatts électriques installés) dont 42% en Amérique et 38% en Asie. Ainsi plus de 20 pays produisent de l électricité issue de la géothermie utilisant des aquifères d une température comprise entre 180 et 250 C. En Europe, cette énergie est utilisée principalement par l Italie (premier pays à avoir exploité cette énergie) et représente 1,7% de sa production électrique. La France, quant à elle Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

73 n exploite pas la filière de la géothermie haute énergie sur son territoire métropolitain mais possède une centrale géothermique en Outre-mer à Bouillante en Guadeloupe. La géothermie haute énergie peut être considérée comme une énergie renouvelable à la condition que l équilibre écologique du sous-sol soit préservé à l échelle de la durée de vie de la centrale. Ainsi, il s agira de ne pas épuiser le réservoir géothermique durant l exploitation. Voici deux exemples de production d électricité par géothermie haute énergie, l une en Californie et l autre en Guadeloupe Exemples d utilisation La Californie : The Geysers La Californie est une vitrine des énergies renouvelables, 27% de son énergie étant produites grâce à elle. C est ainsi que l on peut y trouver des fermes éoliennes, une centrale solaire, des centrales électriques à biomasse et des centrales à géothermie haute énergie. Cette région des Etats-Unis, connue pour ses geysers, est propice à ce genre d énergie. Il est donc normal d y trouver de nombreuses usines géothermiques, exploitées par la société Calpine. On compte aujourd hui 22 centrales, situées à une centaine de kilomètres au Nord de San Francisco dans les montagnes Mayacama. Ces centrales s étendent sur un territoire de 30 miles carré faisant de ce complexe le plus important complexe de production d énergie géothermique au monde. D une puissance totale de 850MW, il permet l alimentation de logements environ, soit une ville de la taille de San Francisco. Le parc géothermique The Geysers a la particularité d utiliser directement une vapeur sèche issue du sous-sol. Aucun traitement séparateur n est ainsi nécessaire. Chacune des centrales puisent sa vapeur par des puits. On en compte ainsi 340 profonds de plus de 250m, descendant verticalement puis en arcs de cercle afin que chacun d eux aille puiser à plusieurs kilomètres du puits voisins. Cette installation a coûté près d un milliards de dollars (soit plus de 5 fois le prix d une centrale thermique à charbon de puissance équivalente). Cependant Calpine est fière de son énergie propre et la fait connaître via un Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

74 «Visitor Center» situé à Middletown, où la visite entièrement gratuite de la centrale de Bear Canyon est proposée. Figure 15 : Une des centrales géothermiques californiennes Enfin, afin de ne pas dégrader l environnement et de se donner les moyens de fonctionner en continu, Calpine réinjecte une partie de l eau prélevée dans la nappe (environ 25%) par des puits inutilisés, ceci afin de ne pas assécher le réservoir. En effet, la région étant assez aride, ce procédé permet de reformer plus rapidement le potentiel géothermique du sol en permettant à l eau de regagner beaucoup plus rapidement la nappe phréatique. Figure 16 : Fonctionnement d une centrale géothermique californienne On notera que la vapeur est filtrée par centrifugation de ses particules de souffre et autres éléments susceptibles d endommager les installations, notamment les turbines. Ce soufre est ensuite réorienté vers les vignobles voisins. L usine géothermique de Bouillante Guadeloupe Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

75 La centrale géothermique de Bouillante fournit près de 10% de l électrice de l île. Construite en 1986 par EDF, cette centrale est aujourd hui propriété de Géothermie Bouillante SA qui reprit la production en 1996 après une interruption de quelques années. Elle compte deux unités de production d une puissance totale de 15MW et une troisième unité est à l étude. Ce complexe devrait fournir plusieurs dizaines de mégawatts dans le futur. Il est envié par les autres îles des Caraïbes. Figure 17 : L usine géothermique de Bouillante Elle bénéficie d un contexte géologique particulier, ce qui en fait une installation unique en son genre. En effet, elle est la seule à bénéficier de résurgences d eau naturelle. Ayant une activité volcanique récente, cette zone géographique présente des failles permettant à l eau de mer et l eau de pluie de s infiltrer dans la roche, accélérant la régénération du potentiel géothermique. Figure 18 : Fonctionnement de la centrale géothermique de Bouillante Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

76 Son fonctionnement est le suivant. L eau s infiltre tout d abord dans la roche, rejoignant l aquifère où règne une température de l ordre de 250 C. Elle est alors puisée via plusieurs forages d une profondeur de 1000 à 1150m. La vapeur est ensuite séparée de sa phase liquide par un séparateur à sa sortie du puits pour être dirigée vers le groupe turbo alternateur, produisant ainsi l électricité. Le refroidissement des installations est assuré par de l eau de mer. La vapeur condensée est enfin rejetée à la mer par un canal de rejet à une température de 40 C environ La géothermie moyenne énergie La géothermie moyenne énergie concerne les eaux souterraines d une température comprise entre 90 C et 150 C. Ces eaux ne sont pas assez chaudes pour procurer un rendement suffisant lors de leur remontée. Ainsi, on utilise leur chaleur pour vaporiser un fluide plus volatile appelé fluide organique (mélange d eau et ammoniac) circulant dans un circuit fermé, ce dernier entraîne en rotation le groupe turbo - alternateur. On appelle ce processus cycle de Rankine ou cycle binaire. Figure 19 : Cycle de Rankine Cette technologie est utilisée dans de nombreux pays (zones volcaniques ou bassins sédimentaires profonds). Elle est développée commercialement depuis les années Mais elle est limitée de quelques centaines de kilowatts à quelques mégawatts. Elle s adapte donc à l alimentation électrique de zones isolées de réseaux de distribution d énergie électrique (ex : zones insulaires ou de montage). On compte environ 200 installations de ce type dans le monde, notamment en Amérique Centrale, Nouvelle Zélande et Philippines. Comme le montre le schéma précédent, ce type d installation peut avoir un rôle mixte de production d électricité et de production de chaleur. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

77 8.1.3 La géothermie profonde Cette technologie est similaire à la géothermie haute énergie car elle utilise également une vapeur venant du sous-sol pour produire de l électricité. Cependant, cette vapeur est obtenue de manière artificielle en injectant de l eau dans des roches chaudes fracturées. C est donc un système géothermique stimulé. Le principe en est décrit par les schémas suivants. Figure 20 : Création de fractures ouvertes dans la roche chaude Suite à des écoutes sismiques, les zones géologiques présentant des fracturations fermées préexistantes sont détectées. Pour cela on injecte de l eau dans les fissures de la roche, à une profondeur de plus de 4000m. L injection hydraulique provoque une pression sur la roche qui ouvre la fissure, puis des contraintes de cisaillement empêchent la fermeture de la fissure. L installation d une centrale à géothermie profonde peut ainsi être installée. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

78 Figure 21 : Système géothermique utilisé à Soultz Une installation à géothermie profonde fonctionne de la manière suivante. De l eau est injectée dans les fissures de la roche chaude, où elle est vaporisée. Cette vapeur remonte dans le puits de production pour fournir de l électricité ou de la chaleur au réseau de chauffage urbain (idem que pour la géothermie moyenne énergie). Un projet européen est aujourd hui à l étude en Alsace à Soultz-sous-Forêts : le projet EGS (Enhanced Geothermal System). Ce dernier est basé sur un réservoir de granite fracturé à 5km de profondeur et 200 C. Il aura pour but de produire, en plus du chauffage urbain, 13MW sur une durée de 20ans, pour un rendement de 13%. Les projets de recherche en géothermie profonde sont nombreux dans le monde et prennent des noms différents (EGS, DHM : Deep Hit Mining, HDR : Hot Dry Rock, HFR : Hot Fractured Rock). On pourra voir sur la figure suivante les zones d implantation possible d une telle technologie en Europe. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

79 Figure 22 : Les potentialités de géothermie profonde en Europe 8.2 LA PRODUCTION DE CHALEUR La géothermie sert également à la production de chaleur. En 2005, plus de 70 pays utilisaient cette technologie de chauffage. La puissance installée est actuellement estimée à 27GW, soit une production de supérieure à 70TWh/an. Les principaux pays utilisateurs de géothermie destinée à la production de chaleur sont le Japon, la Chine, les Etats-Unis et les pays d Europe. Contrairement à la production électrique, cette géothermie est accessible par le grand public : en copropriété ou chez des particuliers. Figure 23 : Production de chaleur par pays (2000) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

80 8.2.1 La géothermie basse énergie La géothermie basse énergie consiste en l exploitation directe de la chaleur des eaux présentes en sous-sol dans les roches aquifères profondes dont la température est inférieure à 90 C. Elle se destine principalement au chauffage urbain de grands ensembles. Cependant elle peut avoir bien d autres utilisations : pisciculture, balnéothérapie, alimentation de piscines ou encore pour le chauffage de serres. Figure 24 : Principe de fonctionnement d un réseau de chaleur géothermique Il existe plusieurs variantes dans l exploitation de la géothermie basse énergie. L installation la plus couramment rencontrée est celle présentée ci-dessus. Un puits est foré dans un aquifère profond (1500 à 2000m de profondeur) afin d en pomper l eau à une température supérieure à 60 C, température au deçà de laquelle le fluide n est plus assez chaud pour transmettre sa chaleur au réseau de chauffage. Une fois pompée, cette eau passe dans un premier échangeur thermique situé dans la centrale géothermique pour ensuite repartir à la source. Le réseau de chaleur, quant à lui, joue un rôle de circuit secondaire en apportant son énergie aux divers bâtiments de l îlot urbain où sa chaleur est transmise au fluide circulant dans les canalisations des divers bâtiments au moyen d autres Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

81 échangeurs thermiques disposés dans des sous-stations. Cette technologie permet ainsi le chauffage des logements. Figure 25 : Schéma de fonctionnement de la géothermie basse énergie Attardons nous sur l intérêt de posséder deux puits forés dans l aquifère profond. On parle dans ce cas de doublet géothermique. L eau pompée dans la nappe est très souvent salée et/ou chargée en sulfures, ce qui la rend corrosive. Elle ne peut donc être rejetée en surface. Pour pallier à cela, un second puits est foré afin de rejeter dans la nappe l eau «froide». Cependant des précautions sont à prendre afin de garder une certaine distance entre les deux puits. Généralement l un d entre eux est foré en oblique afin de rejeter l eau en aval du puits de pompage, à une distance de 1500 à 2000m, ceci de manière à ce que le recyclage de cette eau ne soit pas trop rapide. Il existe plusieurs types de pompes utilisées en géothermie afin de fournir aux installations un débit continu et suffisant. Quel que soit son type, la pompe doit être placée entre 100m et 400m sous le niveau de la nappe. Les trois types sont les suivants (cf. Figure cidessous). Une seconde pompe peut également être installée en surface pour la réinjection de l eau dans le cas des doublets géothermiques. Figure 26 : Différents types de pompes géothermiques (basse énergie) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

82 Cette technologie est adaptée aux zones géographiques situées sur de grands bassins sédimentaires. Ainsi le bassin parisien est l une des régions françaises où la géothermie basse énergie est la plus répandue. Cette région possède en effet une couche géologique aquifère particulièrement importante : le Dogger, s étendant sur plus de km² avec des températures variant de 56 à 85 C. Cette technologie a été lancée en Ile-de-France suite au choc pétrolier. Ainsi, après plus de 20 d activité, il subsiste 34 installations en fonctionnement, soient les deux tiers des opérations réalisées entre 1980 et 1986, représentant les besoins annuels de chauffage de équivalent-logements. La géothermie est ainsi la première énergie renouvelable utilisée en Ile-de-France. Un des exemples emblématiques est le doublet géothermique de Fresnes (Val-de-Marne) qui offre une température en tête de puits de 73 C, présentant deux puits distants de près de 2km à une profondeur de 1800m et alimentant en chauffage collectif 5350 équivalentlogements. Figure 27 : Les grands aquifères du Bassin Parisien Les régions aptes à recevoir ce type d installations sont nombreuses en France. On compte ainsi le Bassin Aquitain mais également la région Midi-Pyrénées et le Languedoc-Roussillon dans les zones d implantation possible de cette technologie. Nous pouvons voir sur les figures ci-dessous l évolution de la géothermie dans les bassins parisien et aquitain ces 40 dernières années. Cette filière, dans le contexte actuel de promotion des énergies renouvelables, est d ores et déjà prête à repartir. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

83 Figure 28 : Evolution du nombre de puits géothermiques en France La géothermie très basse énergie La géothermie très basse énergie est la technologie la plus démocratisée des technologies citées dans ce rapport du simple fait de son coup d investissement. Elle s adresse à la fois aux bâtiments collectifs et/ou isolés mais également et surtout aux habitations individuelles. Cette technologie fonctionne avec une source «froide» inférieure à 30 C et nécessite l installation d une pompe à chaleur (PAC) car l eau issue du sous-sol, ou le soussol lui-même, n a plus une température suffisante pour transférer sa chaleur au fluide du réseau de chauffage. Il existe plusieurs variantes de la géothermie très basse énergie, le fonctionnement de la pompe à chaleur étant similaire pour chacune d entre elles La pompe à chaleur La production de chaleur par géothermie très basse énergie nécessite une pompe à chaleur (ou PAC) permettant de transférer de l énergie d un niveau à basse température (l extérieur) à un niveau à une température plus élevée (l intérieur du logement). Cependant ce transfert d énergie exige un apport énergétique provenant de l électricité qui est équivalent au tiers de l énergie apportée par la géothermie. Cette technologie est donc considérée abusivement comme une énergie renouvelable. C est d autant plus vrai que si la source froide de la PAC ne fournit plus assez d énergie, ce mode de chauffage devient alors totalement électrique Une installation géothermique domestique est constituée de trois entités : le circuit de captage, qui fournit son énergie au système, la pompe à chaleur qui sert d intermédiaire avec le troisième composant : le réseau de chauffage dans lequel circule un fluide. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

84 Une pompe à chaleur comporte quatre organes principaux (cf. Figure ci-dessous). Tout d abord, le fluide frigorigène circulant dans la PAC passe dans le condenseur (1) dans lequel il transmet sa chaleur au fluide secondaire (réseau extérieur), passant de l état gazeux à l état liquide. Puis il circule dans le détendeur (2) afin d abaisser sa pression tout en restant à l état liquide. Ensuite, le fluide frigorigène passe dans l évaporateur (3) où il est vaporisé suite au transfert thermique avec le fluide secondaire (circuit de chauffage). Enfin, le fluide frigorigène passe dans le compresseur (4) fonctionnant avec un apport d énergie électrique, où sa température et sa pression augmentent par compression. Figure 29 : Schéma de fonctionnement général d une PAC La performance d une pompe à chaleur peut être mesurée. On définit ainsi un COP ou Coefficient de Performance qui est le rapport entre la puissance thermique de la PAC et sa consommation électrique. Il est de l ordre de 3 à 5 sur des installations traditionnelles. La PAC fonctionne sur le principe du cycle de Carnot ; le maximum théorique peut donc se calculer et est de 15 pour un chauffage domestique. Une PAC géothermique peut également être utilisée pour la production de fraîcheur (climatisation). Ainsi, il est possible sur les PAC réversible d inverser le sens de circulation du fluide frigorigène de la PAC, le condenseur devenant évaporateur et inversement. On distingue les pompes à chaleur : à compression : l énergie est transmise mécaniquement à un compresseur via un moteur électrique ou un moteur à gaz. C est la plus couramment utilisée. à absorption : l énergie est transmise sous forme de chaleur. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

85 Il existe également différents constituants du circuit de chauffage. On compte ainsi le plancher chauffant, ou plancher rayonnant basse température, mais également les ventiloconvecteurs ainsi que les radiateurs basse température. De plus, la géothermie très basse énergie sert également à la fourniture de l eau chaude sanitaire. Enfin on distingue différents types de captage. L énergie est ainsi prélevée dans une nappe ou dans le sous-sol, et ce de différente manière. Il existe également des PAC prélevant leur énergie de l air extérieur ; on parle alors d aérothermie. Figure 30 : Types de captage Système de captage sur eaux souterraines Ce système de captage consiste à prélever de l eau dans une roche aquifère peu profonde, à quelques dizaines ou centaines de mètres, par pompage dans la nappe phréatique, sous réserve que celle-ci offre un débit suffisant pour l installation. Un second puits est creusé afin de réinjecter l eau dans la nappe (ce qui entraîne un coup certain pour ces installations) ou celle-ci peut être rejetée en surface (rivière, réservoir d eaux pluviales, etc.) dans le cas de nappe peu profonde (moins de 10m) afin de limiter l impact de tels rejets sur le milieu. Figure 31 : PAC sur eaux souterraines Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

86 Il est cependant nécessaire de prendre quelques précautions lors de l installation d un tel système. En effet, il faut étudier le sens d écoulement de la nappe afin que les rejets en aval ne perturbent pas le pompage en amont. Figure 32 : Illustration de la double utilisation de la géothermie Cette technologie peut être utilisée par tous mais, en raison des coûts, la solution double forage est réservée à de grands bâtiments ou à des copropriétés. Son exemple le plus célèbre est sans nul doute la Maison de la Radio à Paris. Cette installation fut conçue en 1963 ; puisant dans l Albien à 600m de profondeur et à une température de 27 C, elle permet le chauffage et la climatisation du bâtiment. Un autre exemple est souvent présenté : il s agit de la centrale géothermique de Châteauroux qui est complétée de quatre pompes à chaleur. En effet, une PAC peut prendre son énergie directement par transfert thermique plutôt que par l électricité. Ainsi 1310 logements HLM sont alimentés en chauffage par cette centrale et ces pompes dont les forages puisent dans le Trias à une profondeur comprise entre 482 et 560m à une température de 34 C Figure 33 : La Maison de la Radio (Paris) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

87 Des utilisations indirectes de la production de chaleur par géothermie très basse énergie sur eaux souterraines existent. Il est ainsi possible avec une telle installation d utiliser en plus de la chaleur du fluide, le fluide lui-même. Ainsi l eau puisée, qui est à une température de 30 C environ, peut être utilisée pour le thermalisme, des serres ou encore être utilisée comme eau potable et/ou industrielle ou enfin comme matières premières si l eau souterraine est chargée en particules utiles aux activités industrielles (lithium, iode, brome, acide borique etc.) Système de captage sur le sous-sol La géothermie très basse énergie par captage sur sous-sol fonctionne en circuit fermé contrairement au captage sur eaux souterraines. Un fluide va circuler dans des canalisations enterrées en sous-sol et ainsi «prendre la chaleur» pour la restituer à l intérieur de l habitation par l intermédiaire de la PAC. Cela est possible grâce à la température plus ou moins constante du sol. En effet, à quelques mètres de profondeur, seules les variations saisonnières de températures se font ressentir, les variations journalières étant insensibles. Ainsi la température du sous-sol est assez homogène et d environ une dizaine de degrés à un mètre de profondeur. Mais à partir d une dizaine de mètres, ces variations disparaissent et la température s accroît avec la profondeur selon le gradient thermique du sol (environ 1 C tous les 30m). Figure 34 : Evolution de la température en fonction de la température Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

88 On distingue donc deux types de captage sur sous-sol : Le captage vertical Figure 35 : Principe du captage vertical Dans le cas d un captage vertical, une ou plusieurs sondes sont insérées verticalement dans le sol. Un fluide (mélange d eau est d anti-gel) circule dans la sonde afin de puiser l énergie du sol par transfert thermique. Pour un ordre d idée, pour une habitation moyenne (120m² habitables), la longueur moyenne du forage sera de 100m environ soit deux forages de 50m. Ces forages devront alors être distants d une certaine distance (5 à 10m) afin de ne pas gêner la régénération du potentiel géothermique du sol. L avantage du captage vertical est sa faible emprise au sol. De plus le transfert thermique est bien meilleur sur cette technologie que pour le captage horizontal (cf. plus loin). Cependant son coût est beaucoup plus important car impliquant l intervention d une entreprise de forage, peu nombreuse sur le marché. On notera que cette technologie est particulièrement adaptée à des bâtiments dont la construction nécessite des fondations sous formes de piliers. Les capteurs sont alors insérés dans les puits creusés pour ces piliers. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

89 Le captage horizontal Cette technologie consiste à placer des sondes horizontalement dans le jardin de l habitation équipée, dans lesquelles vont circuler un fluide équivalent au captage vertical. Ces capteurs sont généralement des tubes en polyéthylène ou de cuivre gainés de polyéthylène dont la longueur peut atteindre plus d une centaine de mètres. Ils sont enterrés horizontalement à une profondeur allant de 0,60m à 2m selon les installations (et les installateurs) et sont disposés en serpentins en prenant soin de les espacer de 0,40m en moyenne. Cette distance les séparant est essentielle car il est indispensable de ne pas épuiser le potentiel géothermique du sol, le risque étant de geler le sol. Les capteurs puisent leur énergie dans le sol. Concrètement, cela signifie que le fluide circulant dans ces derniers se réchauffe au contact du sol qui, quant à lui, refroidit. Régénérer le potentiel géothermique du sol consiste donc à le réchauffer. Cela est chose faite grâce au soleil et à l eau qui s infiltre dans le sol. Il est donc non négligeable de s intéresser à l ensoleillement et la pluviométrie du terrain avant toute installation. On remarquera que cette dimension de réchauffement du sol n est pas ou peu considérer dans les autres technologies de captage car le sous-sol joue un rôle de thermostat assurant une température uniforme. Figure 36 : Réseau de capteurs géothermiques horizontaux En moyenne, il faut que la surface couverte par les capteurs horizontaux soit 1,5 à 2 fois plus importante que la surface habitable à chauffer. Ainsi pour une surface de 150m², les capteurs occuperont une surface comprise entre 225 et 300m² de jardin. Ceci constitue à la fois un avantage et un inconvénient pour cette technologie. En effet, cela la rend accessible par tous car les capteurs se situent à une profondeur faible. Cependant, cela Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

90 implique de posséder une importante surface de jardin, rendant impossible ces installations pour de l habitat collectif, et que cette surface soit plane (une pente impliquerait des frais importants de terrassement) et dégagée d obstacles (arbres à racines, réseaux d eaux pouvant geler l installation, terrasse empêchant la régénération du potentiel géothermique du sol ). Figure 37 : Différents types de boucles horizontales Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

91 Nous avons ainsi vu les deux types de captage. Ces derniers donnent lieu à diverses technologies de PAC. Voici les trois variantes existantes : Détente directe Figure 38 : procédé à détente directe Ce procédé est fréquemment utilisé dans le système à captage horizontal mais ne l est pas dans celui à captage vertical. C est le même fluide qui circule à la fois dans les capteurs et dans le plancher chauffant. L évaporateur est donc le réseau de captage lui-même ; de même le condenseur est incarné par le plancher chauffant. Ces pompes à chaleur sont couramment appelées PAC de type sol/sol. Fluides intermédiaires Figure 39 : Procédé par fluides intermédiaires Avec ce procédé, de l eau additionnée d antigel circule dans le réseau de captage tandis que de l eau seule circule dans le réseau de chauffage. Le fluide frigorigène est confiné à Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

92 la PAC. Cette pompe à chaleur est appelée PAC de type eau glycolée/eau et est utilisée dans les deux technologies de captage sur sous-sol. Technologie mixte Figure 40 : Procédé à technologie mixte Ce procédé consiste en un mélange des deux procédés énoncés précédemment. Les capteurs enterrés restent l évaporateur de la PAC, faisant circuler le fluide frigorigène, tandis que le réseau chauffage reste un circuit hydraulique fermé. Ce procédé n est utilisable que pour le captage horizontal et est appelé PAC de type sol/eau. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

93 9 ETAT DE L ART DES SIG DANS LE DOMAINE DE LA GEOTHERMIE Il existe plusieurs obstacles qui empêchent une étude systématique par le biais des SIG des potentiels géothermiques : Les Données : complexes à obtenir et à manipuler (géologie, hydrogéologie ) L Echelle : celle du bâti et des parcelles du cadastre rend les opérations très coûteuses en terme de calculs. Il est aussi assez difficile de comparer ce qui est fait d un pays à l autre car la géothermie repose aussi sur des autorisations qui varient très sensiblement d un pays à l autre. Les mesures de protections des nappes phréatiques peuvent être très différentes entre la Suisse, la France et les Etats-Unis. Les quelques SIG concernant directement la géothermie sont donc : D extension géographique limitée Incomplets (pas de prise en compte de la géothermie horizontale car les données à prendre en compte sont lourdes) Réalisés en partenariat avec des offices publiques concernant les données géologiques ou hydrogéologiques utilisées Néanmoins, si les SIG sont rares concernant directement la géothermie sont rares, ils tendent tout de même à se développer. Plusieurs projets sont dans les cartons de différents organismes. Et les SIG mettant en valeur des thématiques proches de celles de la géothermie sont répandus, diversifiés et complets. 9.1 SIG SUR LE THEME DE LA GEOTHERMIE Le thème de la géothermie est abordé depuis peu de temps dans le domaine des SIG. Néanmoins, on peut aujourd hui trouver sur Internet quelques interfaces cartographiques qui mettent à disposition du public et des professionnels des données sur les possibilités géothermiques des territoires. Mais on peut aussi trouver des cartes interactives ou des fichiers SIG reprenant par exemple les installations déjà opérationnelles ou les foreurs agréés. L offre est donc assez diversifié bien qu encore largement incomplète concernant la couverture du territoire et les différents types de géothermie Potentiel Général Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

94 De nombreuses cartes et interfaces cartographiques (mini SIG permettant de se déplacer, de zoomer, de sélectionner quelques couches ) existent pour quantifier et qualifier le potentiel géothermique à l échelle d un pays. En France, on peut par exemple trouver cette carte sur le site : Figure 41 : Le cadre géologique des ressources géothermiques en France Source : Mais ce type de données existe pour une grande partie du monde. Par exemple, les Etats- Unis disposent de données sur les flux géothermiques du sous-sol. On peut bien sur trouver des versions cartes : Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

95 Figure 42 : Carte des flux géothermiques en Amérique du Nord Mais on trouve aussi des SIG proposant le même genre de données. Par exemple l Atlas Américain des Energies Renouvelables produit par la NREL (Nationale Renewable Energy Laboratory) permet d appréhender ces données de manière plus précise et interactive. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

96 Figure 43 : Flux Géothermiques dans l Ouest des Etats Unis (en rouge les flux les plus importants) (Source : NREL) Mais ce type de données ne permet pas d aller très loin. Trop général quant à la superficie et trop superficiel pour rentrer dans le détail des différents systèmes géothermiques. Il existe aussi des articles, décrivant l utilisation possible des SIG pour l aide à la décision concernant la géothermie SIG et Géothermie sur Nappe La géothermie sur nappe est le type de géothermie dont les données sont le plus aisément accessibles. En France, le BRGM en partenariat avec l ADEME, EDF et les régions a commencé à mettre en place un outil d aide à la décision pour la géothermie sur nappe. Cette opération concerne pour l instant l Ile De France, le Lorraine et le Centre. Les résultats sont disponibles sous forme d un SIG consultable sur Internet. Les données concernent les possibilités du sous-sol. Pour la région Centre, une application de type SIG est diffusée sur cédérom et téléchargeable sur Internet. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

97 Figure 44 : Interface du SIG du potentiel géothermique des aquifères superficiels (Source : ARENE, BRGM, ADME, EDF) Ces «SIG du potentiel géothermique des aquifères superficiels» utilisent le fond cartographique au 1/ de l IGN. Les données localisées sont donc assez précises. Les supports sont nombreux pour documenter et expliquer comment utiliser cette interface et exploiter les possibilités de l outil. Celles-ci sont assez nombreuses : accès par commune, par département, fiche d information détaillée en chaque point de la carte récapitulant les données importantes à connaître en vue d installer un système géothermique Figure 45 : Exemple de fiche détaillée sur les capacités géothermiques (accessible pour n importe quel point de la carte) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

98 (Source : ARENE, BRGM, ADME, EDF) La version cédérom développé pour la Région Centre s installe très bien et possède une interface plus accessible et conviviale ainsi qu un support plus facilement accessible. Figure 46 : Interface globale de la version cédérom du SIG (Source : EDF, BRGM, ADEME, Région Centre) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

99 Figure 47 : Visualisation des données sur la version cédérom du SIG Source : EDF, BRGM, ADEME, Région Centre Figure 48 : Exemple de fiche détaillée sur les capacités géothermiques de la version cédérom du SIG (accessible pour n importe quel point de la carte) (Source : EDF, BRGM, ADEME, Région Centre) Géothermie par captage verticale Le canton de Berne, en Suisse, a développé son propre Géoportail. Parmi les couches disponibles, on en trouve une sur les zones d autorisations des sondes géothermiques. Les fonctionnalités de ce SIG sont assez conséquentes (mesures des surfaces, des distances, informations sur les objets vecteurs, requêtes sur les zones ). Cette couche «Sondes Géothermiques» reprend seulement les notions réglementaires (autorisations de forage). Mais, il n est pas question ici de température du sol ou de flux récupérable par la sonde géothermique. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

100 Figure 49 : Interface Général du Geoportail du Canton de Berne, Carte «Sondes Géothermiques (Source : Canton de Berne) Figure 50 : Détail des données disponibles sur le SIG du Canton de Berne (Source : Canton de Berne) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

101 9.1.4 Installations et foreurs De nombreuses cartes regroupent aussi les installations existantes ou les projets en cours. On peut trouver ces données sous divers formats. Par exemple, l ARENE propose ce type de données pour la région IDF en format MAPINFO directement ou en carte au format PDF. Figure 51 : Installations géothermiques et périmètres de protections en IDF (Source : IAURIF, ARENE) Mais on trouve aussi aux Etats Unis le même genre de données accessibles via une interface internet. Chacun des 50 Etats est détaillé lorsque l on clique dessus. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

102 Figure 52 : Carte des projets géothermiques aux USA (Source : Geo-Heat Center) On trouve aussi notamment en France des portails permettant d accéder de manière «géographique» à la liste des foreurs agréés. Carte interactive permettant d accéder à une liste de foreurs spécialisés en géothermie Source : Dans les cartons D autres projets sont en cours de préparation : Le projet COPGEN du BRGM : Compilation du Potentiel Géothermique National Développement des outils d aide à la décision pour la géothermie sur nappe dans une dizaine d autres régions françaises. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

103 9.2 THEMATIQUES PERIPHERIQUES Parallèlement à ces projets concernant très directement la géothermie de nombreuses applications SIG sur Internet peuvent se rapporter à la thématique de la géothermie Géologie De nombreux portails géologiques existent de part le monde. En France, ce denier s appelle InfoTerre et permet d accéder à de nombreuses informations sur la géologie du sous-sol. Ces données sont essentielles pour la géothermie. Figure 53 : Portail InfoTerre (Source : BRGM) HydroGéologie La France est très bien dotée concernant l information géographique sur les eaux. Deux portails SIG existent pour répertorier et cartographier les eaux souterraines. Ces données sont essentielles pour la géothermie sur nappe. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

104 Portail Sandre (Information sur les eaux de surfaces et les eaux souterraines) : Figure 54 : Portail d accès à SANDRE (Source : Eau France) Portail ADES (Accès aux Données sur les Eaux Souterraines) : Figure 55 : Portail d accès aux données sur les eaux souterraines (Source : BRGM, Eau France) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

105 9.2.3 Climat Le climat a une grande incidence dans l efficacité des pompes à chaleurs et dans la régénération calorifique du sol. Figure 56 : Carte des moyennes des températures annuelles en France (Source : Météo France) Risques naturels Par exemple, les risques sismiques sont très importants pour la géothermie. Une secousse détruirait le forage et pourrait répandre le fluide calorifuge dans une nappe phréatique. Figure 57 : Carte des épicentres de séismes (Source : BRGM, IRSN, EDF) Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

106 9.2.5 Cadastre et Bâti Le Géoportail de l IGN permet d accéder aux informations concernant les parcelles et le bâti, indispensable pour évaluer le potentiel géothermique pour des capteurs horizontaux. Figure 58 : Cadastre et Bâti sur le Géoportail (Source : Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

107 10 BIBLIOGRAPHIE L utilisation de la géothermie par l homme et les contraintes liées à l installation de la géothermie : Le fonctionnement technique : nt.html a3.epfl.ch/seso/sodocuments/2006/electricite_geothermie_a3_orale.pdf L état de l art des SIG dans le domaine de la géothermie : Internet : tous les sites visités le 14 avril 2008 Site généraliste sur la géothermie : Principaux portails Internet Français en rapport avec la géothermie: Liste des principaux portails Internet : Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

108 InfoTerre, «LE» site de l information géologique en France : ADES, banque de donnée nationale sur les eaux souterraines (qualité et quantité) : SANDRE, eaux de surfaces, eaux souterraines, qualité, quantité, pluviométrie, hydrographie, hydrogéologie : Risques Sismiques en France : Portail de l USGS sur l eau aux USA : Geoportail du Canton de Berne : Le site de Météo France permet d accéder à de nombreuse cartes sur le climat en France : SIG de la géothermie sur nappe : Téléchargement du logiciel concernant la région Centre : Carte des installateurs et foreurs : Carte des installations : France IDF, version carte PDF: France IDF, version MAPINFO : USA : Cartes américaine des flux géothermiques : o o o Article sur l utilisation des GIS et la géothermie : REGIONAL ASSESSMENT OF EXPLORATION POTENTIAL FOR GEOTHERMAL SYSTEMS IN THE GREAT BASIN USING A GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM (GIS) Part II Mark F. Coolbaugh1, Gary Raines2, Lisa Shevenell3, Tim Minor4, Don Sawatzky5, Gary Oppliger5 Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

109 DIGITAL IMAGE PROCESSING OF REMOTELY SENSED DATA HORD (M.) EXEMPLES D'APPLICATION DE LA TELEDETECTION A LA CARTOGRAPHIE GEOLOGIQUE ET A LA RECHERCHE MINIERE Auteur(s) WEECKSTEEN (G.) Colloque sur la géothermie : Géothermie : une contribution majeure à la lutte contre l effet de serre. Transcription ses débats de la journée du 8 juin 2005 organisée à la Maison de la Chimie à Paris. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

110 EOLIEN Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

111 Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

112 TABLE DES MATIERES 1 HISTOIRE ET EVOLUTION DE L EOLIEN DE L'ANTIQUITE AU XIX EME LE XIX EME LA PREMIERE PARTIE DU XX EME DE LA CRISE ENERGETIQUE AU WIND RUSH BILAN 17 2 LES CONTRAINTES LIEES AUX INSTALATIONS LEGISLATION EN FRANCE OBLIGATIONS DE PERFORMANCE AUTORISATIONS 20 3 UN PEU DE TECHNIQUE LES PARCS EOLIENS EN FRANCE CARACTERISTIQUES TECHNIQUES VUE DETAILLEE LE STOCKAGE DE L'ENERGIE 37 4 ETAT DE L ART DES SIG EXEMPLES D UTILISATION DE SIG POUR L IMPLANTATION D EOLIENNES UN OUTIL D AIDE A L IMPLANTATION D EOLIENNES (ANEMONE) 54 5 BIBLIOGRAPHIE BONUS 59 Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

113 TABLE DES ILLUSTRATIONS FIGURE 1 : EOLIENNE DE BRUSH 115 FIGURE 2 : ROTOR DE DARRIEUS 116 FIGURE 3 : EOLIENNE GROWIAN 118 FIGURE 4 : WINDFARM EN CALIFORNIE 118 FIGURE 5 : EXEMPLE DE PHOTOMONTAGE REALISE POUR L'ETUDE DE L'IMPACT DU PROJET DES EOLIENNES DU SOLEIL LEVANT. 123 FIGURE 6 : EXEMPLE D'ACCIDENT D'EOLIENNE 124 FIGURE 7 : PRODUCTION D ENERGIE EOLIENNE PAR REGION 125 FIGURE 8 : SCHEMA D ENSEMBLE D UNE EOLIENNE 127 FIGURE 9 : EXEMPLE DE MAT D EOLIENNE VESTAS 128 FIGURE 10 : PORTE D ACCES AU MAT 128 FIGURE 11 : INTERIEUR DU MAT 129 FIGURE 12 : CONSTRUCTION D UNE EOLIENNE SUR LE SITE DE DROUGAZET 129 FIGURE 13 : EXEMPLE DE NACELLE 130 FIGURE 14 : EOLIENNE MONOPALE 130 FIGURE 15 : EOLIENNE BIPALE 131 FIGURE 16 : COUPE D UNE PALE 131 FIGURE 17 : DIFFERENTS PAS DE PALE 132 FIGURE 18 : EXEMPLE D USURE DE PALE 135 FIGURE 19 : INTERVENTION SUR LE ROTOR 135 FIGURE 20 : EXEMPLE DE MOYEU 135 Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

114 FIGURE 21 : SCHEMA D UN SYSTEME DE STOCKAGE PAR AIR COMPRIME 137 FIGURE 22 : SIG MONTRANT LA VISIBILITE DES EOLIENNES 140 FIGURE 23 : CARTOGRAPHIES DE LA DROME 141 FIGURE 24 : L OUTIL ANEMONE, AIDE A L IMPLANTATION D UN SITE EOLIEN 142 FIGURE 25 : SITE CONSTRUIT GRACE A ANEMONE 144 FIGURE 26 : MAT DE MESURE DE 60M SUR LA SITE 146 Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

115 11 Histoire et évolution de l éolien 11.1 DE L'ANTIQUITE AU XIX EME Les premières traces de moulins à vent datent de 2000 avant JC : on aurait retrouvé des éoliennes rudimentaires à axe vertical, en Perse. En effet, à l'actuelle frontière entre l'iran et l'afghanistan la direction du vent est quasiment constante tout au long de l'année. Cette exploitation du vent s'est bien développée dans le monde arabe mais elle n'est réellement apparue en Europe qu'autour du XII ème siècle après les croisades. On transformait ainsi l énergie éolienne en énergie mécanique pour moudre le grain, pour pomper l eau et même pour couper des troncs d'arbres. Dans le Nouveau Monde, les premiers moulins ont été importés par les colons espagnols LE XIX EME Durant le XIX ème siècle, les moulins vont se multiplier aux Etats-Unis. Ils ont beaucoup de pales mais sont bon-marché, solides et simples à construire. C est en 1888 que la première éolienne a été construite : l Américain Charles F. Brush a conçu un engin capable de s adapter à la direction du vent. Cette éolienne géante en cèdre alimente la maison de Brush, son rotor fait 17 m de diamètre, elle a 144 pales et elle produit 12 kw. Figure 1 : Eolienne de Brush Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

116 En 1890, un météorologue danois, Poul la Cour fabrique la première éolienne industrielle. Elle crée de l hydrogène par électrolyse. Il a constaté qu un nombre limité de pales rend la rotation plus rapide. Cette nouvelle technique se développe rapidement aux Etats-Unis : les fermiers l utilisent pour l électricité. Les Etats-Unis possèdent alors 6 millions d éoliennes à rotation rapide ou lente. Mais l apparition de la machine à vapeur et la révolution industrielle entraînent le déclin du développement éolien. Ainsi, au début du XX ème siècle, il n y a plus que éoliennes. Cela ira en s empirant avec l installation d un réseau électrique dans les années 30 aux Etats-Unis LA PREMIERE PARTIE DU XX EME A cette époque, les premières éoliennes de grandes puissances apparaissent. Mais elles ne concurrencent toujours pas les énergies fossiles et elles ne connaîtront donc pas de développement industriel. Le rotor de Darrieus naît dans les années 20, c est une éolienne à axe vertical. De nombreux prototypes sont réalisés mais ce rotor ne sera jamais commercialisé. Figure 2 : Rotor de Darrieus En 1931, un prototype soviétique produit 100kW. Son rotor a un diamètre de 30 mètres et son mât fait 30 mètres de haut. Dans la fin des années 30, l américain Smith-Putnam crée une éolienne de kw. En France nous accusons un retard dû à notre engouement pour le nucléaire. Tout de même, Lucien Romani construit entre 1955 et 1963 une tripale expérimentale de 800 kw Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

117 pour le compte d EDF qui tourne à Nogent le Roi dans la Beauce. A cette époque, nous avons aussi une Neyrpie de 1000 kw dans la Manche à Saint Rémy des Landes ainsi qu en Algérie à Dély Ibrahim. Mais le développement intensif des éoliennes et autres énergies renouvelables en France devra attendre la fin des années 90. Le seul prototype qui aura un avenir est l éolienne fabriquée par Johannes Juul, au Danemark sur la côte de Gedser. Cette tripale a un système d orientation électromagnétique pour se mettre face au vent, elle produit 200 kw et est régulée par décrochage aérodynamique DE LA CRISE ENERGETIQUE Après le choc pétrolier de 1973, la production d énergies renouvelables s intensifie au Danemark, en Hollande, en Allemagne, en Angleterre, au Canada et aux Etats-Unis. Aux Etats-Unis, dans le cadre du Solar Energy Program de 1974 à 1979, de grosses entreprises (Boeing, Lockheed, Grumman) font des prototypes de grande puissance de 30 m de diamètre et de 100 kw mais ce sera un échec sur le plan industriel. L Europe se lance de son coté dans de grands programmes : Le programme suédois débute en 1975 et mène à des bipales de 2 à 4 MW. Du programme allemand, Growian (Grosse Windenergie Analage), en 1976, naît Growian I : 3 MW, un diamètre de 100 m, une vitesse de démarrage de 4,5 m/s et d arrêt de 24 m/s. Mais Growian I connaîtra des problèmes techniques. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

118 Figure 3 : Eolienne GROWIAN Le programme danois, en 1979, consiste à étudier l éolienne de Gedser et à en construire deux autres de 630 kw, 40 m de diamètre, régulées par calage variable de pales et par décrochage aérodynamique. L Angleterre étudie la faisabilité d une bipale de 60 m de diamètre produisant 3,7 MW. Elle ne sera jamais construite AU WIND RUSH En 1981, la Californie installe une exonération de taxes pour les investissements privés dans les éoliennes. En quatre ans, le nombre d éoliennes est multiplié par 30. Le premier grand marché de l éolien apparaît et comme la diminution des impôts est proportionnelle à la puissance des éoliennes, la puissance moyenne est augmentée de 60%. Mais les frais de construction des éoliennes étant entièrement couverts par la réduction de taxes, leur rentabilité n est pas nécessaire, aucune étude de lieu d implantation n'est menée. Ce programme californien finit dans une ambiance de fiasco monumental. Figure 4 : WindFarm en Californie Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

119 11.6 BILAN L Europe, influencée par les échecs successifs des programmes des années 70 et du Wind Rush, comprend que la puissance élevée des éoliennes ne doit pas être une priorité. Elle met au point des éoliennes plus petites mais plus fiables. L industrie éolienne européenne devient ainsi un leader mondial (surtout au Danemark). A partir du XXI ème siècle, poussés par les accords de Kyoto de 1997, les pays du Nord renforcent les énergies renouvelables. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

120 12 LES CONTRAINTES LIEES AUX INSTALATIONS 12.1 LEGISLATION EN FRANCE "La ministre de l'écologie et du développement durable (Réponse à la question N : publiée au JO le : 20/02/2007 page : 1812 ): Comme indiqué par l'article R du code de l'environnement, les travaux d'installation des ouvrages de production d'énergie éolienne dont la hauteur du mât est inférieure ou égale à 50 mètres sont soumis à notice d'impact. Toutefois, comme le rappelle l'article L du code de l'environnement, sont soumis à étude d'impact ou notice d'impact tous les travaux d'aménagement qui sont entrepris par une collectivité publique ou qui nécessitent une autorisation ou une décision d'approbation, ainsi que les documents d'urbanisme. Or l'implantation d'une éolienne d'une hauteur inférieure à 12 mètres n'étant ni soumise à un permis de construire, ni à déclaration de travaux, il en résulte que la notice d'impact n'est pas obligatoire. " 12.2 OBLIGATIONS DE PERFORMANCE Un gisement idéal La rentabilité d'une éolienne est liée à la puissance moyenne du vent sur le site mais aussi au nombre de jours où le vent est exploitable par l'éolienne. La vitesse moyenne du vent idéale est de 6 à 10 m/s. Des mesures sont effectuées sur sites à une hauteur de 10m pendant au moins un an pour avoir un ordre de grandeur de la vitesse moyenne du vent. Malheureusement ces mesures ne sont pas toujours les mêmes que celles que l'on aurait pu avoir à une hauteur de mât d'éolienne (100m) Une typologie idéale Les sites les plus favorables à l'implantation des éoliennes sont bien sûr d'abord les sites où le vent est le plus fort mais aussi des sites où la direction du vent est la plus régulière, pour éviter de devoir réorienter l'éolienne en permanence. Les sites à privilégier sont donc les sommets des collines, les cols mais aussi les grandes surfaces d'eau. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

121 L'éloignement de tout obstacle Pour éviter que des obstacles ne viennent diminuer la puissance du vent, l'éolienne doit être éloignée de toute construction d'une distance d'au moins 20 fois la hauteur du bâtiment La proximité des infrastructures nécessaires Pour éviter des surcouts, le parc éolien doit être construit à proximité d'infrastructures routières pour faciliter l'acheminement des éoliennes et aussi à proximité d'un poste de raccordement EDF AUTORISATIONS Éviter les interférences avec les radars Les éoliennes peuvent produire des interférences avec des radars tels que ceux utilisés par la défense ou la météo, leur implantation doit donc se faire à une distance de plus de 20 km de ce type de radars Eviter les couloirs techniques De la même façon, les servitudes techniques, essentiellement aéronautiques (civiles et militaires) peuvent conditionner voire interdire l implantation et le fonctionnement des éoliennes. En effet, il faut éviter les couloirs aériens de basse altitude pour lesquels il faudra une autorisation de la DGAC (Direction Générale de l Aviation Civile) Impact sur l'environnement L'avifaune Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

122 Le principal risque d'impact sur l'environnement est lié à l'avifaune (oiseaux, chauvesouris...). En effet, chaque année on constate une à deux morts par an et par éolienne. Ce nombre est réduit grâce aux études qui sont faites avant l'implantation des éoliennes. Les éoliennes n'ont en effet pas le droit de s'implanter ni dans des couloirs migratoires, ni dans des sites qui abritent des espèces ornithologiques protégées. De plus, un suivi sur les éventuels dégâts occasionnés doit être effectué durant toute la durée de vie de l'éolienne La faune sauvage Les grands animaux sont essentiellement dérangés durant la phase de chantier. Une fois que l'éolienne est installée, ils s'habituent rapidement à cette nouvelle installation dans le paysage et les études menées jusqu'à présent n'ont montré aucune modification comportementale importante Nuisances sonores Les éoliennes produisent deux types de bruit : un bruit aérodynamique du à l'extrémité de la pâle qui fend l'air et un bruit mécanique du aux différents engrenages de l'éolienne. Les progrès technologiques ont permis de profiler d'avantage les pales des éoliennes et de faire des engrenages de plus en plus silencieux. Les nuisances sonores dues aux éoliennes sont donc de plus en plus réduites. A 250m de distance, le bruit est d'environ 45 db. Pour comparaison, le bruit moyen constaté à l'intérieur d'une maison est de 50 db. Les règles de distances font que les riverains sont peu dérangés par le bruit des éoliennes. De plus, les éoliennes ne font du bruit que si le vent est suffisamment fort pour les faire tourner et dans ce cas le bruit engendré par le vent lui même couvre quasiment le bruit des éoliennes Impact sur le paysage Une éolienne est une structure de très grande envergure (plus de 100m de haut) qui ne peut en aucun cas être dissimulé dans le paysage. Il s'agit donc plutôt de dénaturer au minimum un site. L'implantation d'un parc d'éoliennes est aujourd'hui très encadrée. Une étude d'impact très complète est réalisée. De nombreuses entités administratives, telles que la Commission Départementale des Sites, Perspectives et Paysages, doivent donner leur aval. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

123 Figure 5 : Exemple de photomontage réalisé pour l'étude de l'impact du projet des éoliennes du soleil levant. Les sites protégés, autant d'un point de vue écologique que touristiques sont bien sur des sites où l'on ne peut légalement envisager aucune implantation d'éoliennes. Une sécurité optimale Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

124 Éviter les accidents Figure 6 : Exemple d'accident d'éolienne Pour éviter que des accidents d'éoliennes ne se produisent, plusieurs règles sont généralement admises par les bureaux d'étude.une distance équivalente à la taille de l'éolienne (hauteur du mat + longueur d'une pâle) est nécessaire entre l'éolienne et toute habitation. Le sol doit être suffisamment stable pour supporter le poids d'une éolienne. Pour une sécurité optimale, les éolienne doivent être implantées à une distance de plus de 180m des sites à risque, type SEVESO. Mastère ASIG / Compte-rendu de visites

125 13 UN PEU DE TECHNIQUE 13.1 LES PARCS EOLIENS EN FRANCE Les parcs éoliens sont de plus en plus nombreux en France. Ils atteignent aujourd hui les 1,5 GW. En 2006, pas moins de 450 MW supplémentaires ont été installés. Comme nous pouvons l observer sur la carte ci-dessous, les parcs ne sont pas répartis de façon uniforme. Cette disparité est due à de nombreux facteurs : la répartition du vent, les densités de populations, les politiques régionales Figure 7 : Production d énergie éolienne par région Mastère ASIG / Compte-rendu de visites