Les formes exploitables des énergies renouvelables

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1 Les formes exploitables des énergies renouvelables

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3 Les deux grandes sources d énergie renouvelables sont deux réacteurs nucléaires! Soleil = fusion Noyau terrestre= fission

4 L énergie solaire est la source de l énergie l hydraulique et de la croissance de la biomasse.

5 Le soleil est aussi la source de l énergie éolienne

6 Une énergie renouvelable est une énergie exploitée par l'homme, de telle manière que ses réserves ne s'épuisent pas. En d'autres termes, sa vitesse de formation doit être plus grande que sa vitesse d'utilisation.

7 L'éolien Le solaire La biomasse La géothermie L'hydraulique

8 Le solaire L énergie solaire a directement pour origine l activité du Soleil. Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique dans lequel on trouve notamment les rayons cosmiques, gamma, X, la lumière visible, l infrarouge, les micro-ondes et les ondes radios en fonction de la fréquence d émission. Tous ces types de rayonnement électromagnétique émettent de l énergie. Le niveau d irradiance (le flux énergétique) arrivant à la surface de la Terre dépend de la longueur d onde du rayonnement solaire. Énergie solaire thermique Énergie photovoltaïque

9 Énergie solaire thermique Dans les conditions terrestres, le rayonnement thermique se situe entre 0,1 et 100 micromètres. Il se caractérise par l émission d un rayonnement au détriment de l énergie calorifique du corps émetteur. Ainsi, un corps émettant un rayonnement thermique voit son énergie calorifique diminuer et un corps recevant un rayonnement thermique voit son énergie calorifique augmenter. Le Soleil émet principalement dans le rayonnement visible, entre 0,4 et 0,8 micromètres. Ainsi, en rentrant en contact avec un corps le rayonnement solaire augmente la température de ce corps. On parle ici d énergie solaire thermique. Cette source d énergie est connue depuis très longtemps, notamment par le fait de se positionner à un endroit ensoleillé afin de se réchauffer. chauffe-eau solaire

10 Énergie solaire thermique L'énergie thermique peut être utilisée directement ou indirectement : directement pour chauffer des locaux ou de l'eau sanitaire (panneaux solaires chauffants) ou des aliments (fours solaires), indirectement pour la production de vapeur d'un fluide caloporteur pour entraîner des turbines et ainsi obtenir une énergie électrique (énergie solaire thermodynamique (ou heliothermodynamique)). Centrale solaire de THEMIS

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12 Énergie photovoltaïque L énergie photovoltaïque se base sur l effet photoélectrique pour créer un courant électrique continu à partir d un rayonnement électromagnétique. Cette source de lumière peut être naturelle (soleil) ou-bien artificielle (une lampe).

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14 Principe de fonctionnement Les cellules photovoltaïques (photon : grain de lumière et volt: unité de tension) convertissent directement l'énergie lumineuse en électricité courant continu basse tension. Comme l'énergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires. On distingue deux types de panneaux solaires : - Les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui convertissent la lumière en chaleur récupérée et utilisée sous forme d'eau chaude. - Les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques, qui convertissent la lumière en électricité. Le solaire photovoltaïque est communément appelé PV. Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

15 Les différents types de cellules On distingue en outre, en fonction des technologies utilisées : - silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique (rendement 15%). - silicium polycristallin : Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible (rendement de 13%). Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique. - silicium amorphe : les panneaux «étalés» sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale (rendement de 7%).

16 La fabrication Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles, en série et en parallèle. Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisées, les autres types étant encore soit en phase de recherche/développement, soit trop chères et réservées à des usages où leur prix n'est pas un obstacle.

17 Le recyclage Le recyclage des modules à base de silicium cristallin consiste en un simple traitement thermique servant à séparer les différents éléments du module photovoltaïque et permet de récupérer les cellules photovoltaïques, le verre et les métaux (aluminium, cuivre et argent). Le plastique comme le film en face arrière des modules, la colle, les joints, les gaines de câble ou la boite de connexion sont brûlés par le traitement thermique. Une fois séparées des modules, les cellules subissent un traitement chimique qui permet d extirper les contacts métalliques et la couche anti-reflet. Ces plaquettes recyclées sont alors : soit intégrées dans le process de fabrication de cellules et utilisées pour la fabrication de nouveaux modules, soit fondues et intégrées dans le process de fabrication des lingots de silicium. Exemple : L entreprise allemande Deutsche Solar, filiale de Solarworld, dispose de sa propre usine de recyclage mise en service en 2003 afin de traiter les modules photovoltaïques en fin de vie provenant d une ancienne centrale photovoltaïque installée sur l ile de Pellworm en mer du Nord.

18 L'éolien L activité solaire est la principale cause des phénomènes météorologiques. Ces derniers sont notamment caractérisés par des déplacements de masse d air à l intérieur de l atmosphère. C est l énergie cinétique de ces déplacements de masse d air qui est à la base de l énergie éolienne. L énergie éolienne consiste ainsi à utiliser cette énergie mécanique. L énergie éolienne a aussi été vite exploitée à l aide de moulins à vent équipés de pales en forme de voile, comme ceux que l on peut voir aux Pays-Bas ou encore ceux mentionnés dans Don Quichotte. Ces moulins utilisent l énergie mécanique pour actionner différents équipements. Les moulins des Pays-Bas actionnent directement des pompes dont le but est d assécher ou de maintenir secs les polders du pays. Les meuniers utilisent des moulins pour faire tourner une meule à grains. Aujourd hui, ce sont les éoliennes qui prennent la place des moulins à vent. Les éoliennes transforment l énergie mécanique en énergie électrique, soit pour l injecter dans un réseau de distribution soit pour être utilisée sur place (site isolé de réseau de distribution).

19 L'éolien Puissance proportionnelle au cube de la vitesse du vent La vitesse augmente avec la hauteur au dessus du sol et en bord de mer et offshore Importance du gisement éolien : nombre d heures de fonctionnement annuel

20 Vitesse du vent en m/s Puissance électrique délivrée par m² au sol occupés par des éoliennes en W/m²

21 Les types d éoliennes éolienne Darrius éolienne Savonius éolienne à pales

22 Eolienne à 3 pales : Son principe repose sur l effet de portance subi par un profil soumis à l action d'un vent relatif Le vent est freiné par les obstacles du sol (arbres, bâtiments ), par conséquent, sa vitesse augmente avec l altitude. Pour une éolienne, la force exercée par le vent est donc plus éolienne à pales importante au niveau de la pale la plus haute qu au niveau de celle la plus basse. Cette différence induit une torsion au niveau de l axe du rotor et du moyeu de l éolienne. Cela entraîne des contraintes mécaniques et augmente l usure et le risque de panne du système. La multiplication du nombre de pales et leur disposition en nombre impaire (donc sans opposition verticale) réduit ces contraintes. En outre, cela diminue les vibrations et donc le bruit émis par l éolienne. Cependant, chaque pale produit des turbulences qui gênent la pale suivante et réduit donc le rendement global du dispositif. Par ailleurs, le coût d une éolienne augmente avec le nombre de pales. Le nombre de trois pales est donc le meilleur compromis entre fiabilité technique, rendement, coût et nuisance sonore réduite.

23 Le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demicylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d intégrer l éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. éolienne Savonius Ajoutons finalement que l accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc à éoliennes.

24 éolienne Darrius Le type Darrieus repose sur l effet de portance subi par un profil soumis à l action d'un vent relatif ; effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe - jusqu au rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Québec (au Parc Éole) de 1983 à De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It.

25 L'hydraulique Énergie des vagues Énergie marémotrice Énergie hydrolienne Énergie osmotique Énergie thermique des mers

26 Énergie des vagues

27 Énergie marémotrice L'énergie marémotrice' est issue des mouvements de l'eau créée par les marées, causées par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est utilisée soit sous forme d'énergie potentielle - l'élévation du niveau de la mer, soit sous forme d'énergie cinétique - les courants de marée.

28 Énergie hydrolienne Une hydrolienne est une turbine sous-marine (ou subaquatique, ou posée sur l'eau et à demi-immergée) qui utilise l'énergie cinétique des courants marins ou de cours d'eau, comme une éolienne utilise l'énergie cinétique de l'air.

29 Énergie hydroélectrique

30 Énergie osmotique Il est théoriquement possible d'extraire de l'énergie au voisinage des estuaires (où l'eau douce des cours d'eau se mélange avec l'eau salée de la mer), en exploitant le phénomène d'osmose : si de l eau douce et de l eau salée sont séparées par une membrane semiperméable, l eau douce migre à travers la membrane. Si le réservoir contenant l eau salée est à une pression supérieure à celle de l eau douce, l eau douce migre vers l eau salée tant que la différence de pression n excède pas une valeur limite (limite théorique avec l'eau de mer : 2,7 MPa, soit 27 bars) ; la surpression ainsi créée peut être utilisée pour actionner une turbine. Dans la pratique, on envisage d'opérer avec une surpression de 1 MPa (10 bars) ; un débit d eau douce de 1 m 3 s -1 générerait alors 1 MW. Une autre possibilité consiste à utiliser des membranes qui ne laissent passer qu'un type d'ions : on peut alors produire directement de l'électricité. L'impact sur l'environnement est en principe nul, puisque le mélange se serait fait naturellement. Dans l état actuel de la technologie, la surface de membrane nécessaire est de à m 2 par Mégawatt.

31 Énergie thermique des mers L'énergie thermique des mers (ETM) ou énergie maréthermique (ETM ou OTEC en anglais pour Ocean Thermal Energy Conversion) est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Un acronyme souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion. Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.

32 Énergie thermique des mers L ENR utilise la différence de température entre l eau chaude de surface et l eau froide venant des profondeurs (~ 5 C pompée à env. 1000m) pour faire fonctionner une machine thermique. L application est limitée à la ceinture intertropicale pour avoir une eau chaude d au moins 25 C afin d avoir un rendement «acceptable» Une usine installée en surface utilise cet échange thermique pour produire de l électricité 24h/24h & 7j/7j (contrairement à d autres ENR) Cette machine thermique peut fonctionner selon plusieurs concepts et selon différents cycles thermodynamiques : ouvert, fermé ou hybride, Rankine, Kalina ou Uehara,

33 Énergie thermique des mers Une histoire française -Théorie, 1881, J. d'arsonval, physicien, propose de mettre à profit la différence de température entre la surface et le fond de l'océan tropical pour faire tourner une machine thermique et produire ainsi de l électricité : c'est la première formulation correcte du principe de l'énergie thermique des mers. La pratique : Georges Claude, Premières expériences à l'échelle "industrielle" du procédé d'énergie thermique des mers.

34 Énergie thermique des mers

35 La biomasse

36 La géothermie La géothermie est la récupération de la chaleur interne de la Terre. Pour être directement exploitable, elle nécessite des conditions géologiques particulières. En Ile de France, par exemple, des nappes aquifères, prisonnières à plusieurs dizaines de mètres sous terre, peuvent atteindre des températures supérieures à 70 C. Cette eau est alors directement exploitable, par un simple échange de chaleur avec le réseau de chauffage du bâtiment. Production de chaleur Il existe plusieurs façons de récupérer la chaleur de la Terre. La première est d'utiliser les sources géothermales. La seconde est d'injecter de l'eau froide en profondeur pour qu'elle se réchauffe, puis la repomper à température élevée. Cette technique nécessite de trouver sur le site des roches chaudes à une profondeur raisonnable (quelques centaines de mètres à quelques kilomètres).

37 Les pompes à chaleur (PAC) Les pompes à chaleurs sont des systèmes thermodynamiques transférant de la chaleur d'un milieu à un autre. Grâce à un apport en énergie électrique, la pompe prélève de la chaleur à l'extérieur (le sol par exemple) et la restitue à l'intérieur du bâtiment. L'intérêt d'un tel système est qu'il transfert plus d'énergie calorifique qu'il ne consomme d'électricité pour le faire fonctionner. Contrairement à un autre système de chauffage, son rendement de génération est donc supérieur à 1. Une PAC est donc un système de chauffage et/ou rafraîchissement électrique. Les rendements de production variant en fonction des températures des milieux de prélèvement et d'émission, le rendement moyen annuel est sensiblement inférieur aux données fabricant qui sont déterminées dans des conditions standardisées. Il n'en reste pas moins que ces systèmes sont énergétiquement performants.

38 Pour comprendre le principe d'une pompe à chaleur, il suffit de vous imaginer en plein hiver, sortant de votre douche. Comme vous avez oublié de monter le chauffage, vous grelotez de froid. Vous vous jetez donc sur votre serviette et vous vous dépêchez de vous essuyer. Une fois sec vous avez déjà beaucoup moins froid, n'est-ce pas? Si nous avons plus froid mouillés que secs, c'est parce que l'eau qui nous recouvre s'évapore petit à petit en prélevant la chaleur de notre corps. L'eau a transféré de l'énergie, de notre corps vers l'air. Pour qu'un fluide passe de la phase liquide à la phase gazeuse il faut lui fournir beaucoup d'énergie. A titre d'exemple, il faut fournir 1 calorie à 1 g d'eau liquide pour augmenter sa température d'un degré (c'est sa chaleur spécifique). Les pompes à chaleur utilisent ce phénomène pour transférer de grandes quantités de chaleur. Le schéma de principe ci-après montre que la pompe va forcer un fluide frigorigène à s'évaporer d'un côté pour aspirer de la chaleur, puis se condenser de l'autre côté pour la restituer. La magie vient du fait que l'énergie électrique nécessaire à forcer le changement de phase est très inférieure au flux de chaleur entrainé par ce changement. Pour faire passer ce même gramme d'eau (liquide) à l'état de vapeur, et ce sans modifier sa température, 537 calories sont nécessaires (c'est sa chaleur latente).

39 Les ressources utilises pour cette présentation sont issues: - de Wikipédia - de productions de M. Boye Henri rapporteur d'une mission ministérielle, confiée à Mme la Sénateur Gisèle Gautier, sur les Energies renouvelables Marines.