L énergie dans l avenir

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1 L1 : UE Sciences, techniques et société (LXSTS) L énergie dans l avenir Pascale Chelin, Wilfrid da Silva

2 L énergie dans l avenir Partie I: Chapitre 1: L énergie Chapitre 2: La consommation et les ressources Chapitre 3: Le soleil et l énergie solaire Chapitre 4: Utilisations directes de l énergie solaire

3 L énergie dans l avenir Partie I: Chapitre 1: L énergie Chapitre 2: La consommation et les ressources Chapitre 3: Le soleil et l énergie solaire Chapitre 4: Utilisations directes de l énergie solaire Chapitre 5: Utilisations indirectes de l énergie solaire

4 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique (dérivée de l énergie solaire) l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans 5.2. L énergie éolienne (dérivée de l énergie solaire) le vent, sa vitesse, ses variations, son énergie description d une éolienne (aérogénérateur) exemples de réalisations, parcs éoliens

5 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique (dérivée de l énergie solaire) l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans

6 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique (dérivée de l énergie solaire) l énergie des rivières et des fleuves

7 5.1. L énergie hydraulique Moulin à eau

8 5.1. L énergie hydraulique Barrage de Itaipu (Brésil, Paraguay) 14 GW = la plus grande centrale hydroélectrique du Monde après le barrage des Trois Gorges en Chine (22 GW avec 32 turbines de 700 MW) Fleuve Paraná

9 5.1. L énergie hydraulique Microcentrale hydroélectrique

10 5.1. L énergie hydraulique Le cycle de l eau

11 La répartition de l eau sur la planète océans eaux souterraines inactives eaux souterraines accessibles glaciers et calottes lacs eau douce 125 lacs eaux salées, mers intérieurs 104 humidité du sol 65 rivières 1.2 biosphère 0.7 atmosphère 14 en milliers de km 3

12 La répartition de l eau sur la planète

13 5.1. L énergie hydraulique Paramètres pour l énergie hydraulique

14 5.1. L énergie hydraulique Paramètres pour l énergie hydraulique la hauteur de chute z (en m) le débit volumique d eau Q v (en m 3 s -1 ) avec r eau = 1000 kg.m -3 la puissance peut être estimée par P = Q m * g * z * r = r eau * g * z * Q v * r (en W) le rendement r est très haut en général (>0.8) Itaipu : z = 196 m, P = 14 GW Q v = 7300 m 3 s -1

15 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique (dérivée de l énergie solaire) l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques

16 5.1. L énergie hydraulique Barrage de Itaipu (mise en service en 1984)

17 5.1. L énergie hydraulique Barrage de Itaipu (20 unités de 700 MW chacune)

18 5.1. L énergie hydraulique Barrage de Itaipu

19 L hydroélectricité L hydroélectricité est née au 19 ème siècle. L énergie mécanique rotative des turbines (roues à eau) est transformée en énergie électrique dans les centrales hydroélectriques, principalement constituées d un barrage, d une usine, et le plus souvent d un canal de dérivation. Les grands barrages français développent des puissances de quelques centaines de MW (plus de MW pour certains grands barrages étrangers). L hydroélectricité peut aussi donner lieu à des installations de petite échelle, très rentables, de 0.5 à 10 MW.

20 5.1. L énergie hydraulique Paramètres pour l énergie hydraulique la pluviométrie le relief le volume du lac réservoir les aspects environnementaux (Peu de développement possible en Europe, l essentiel du potentiel non utilisé est situé en Asie (27%) en Amérique du Sud (24%) et dans l ancienne URSS ( 24%)) Itaipu: réservoir d une surface de 1350 km 2 (longueur 170 km, largeur 7-12 km) avec un volume de millions m 3 indépendance: m 3 / 7300 m 3 s -1 = 46 jours ( s)

21 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans

22 5.1. L énergie hydraulique L énergie des océans: formes énergie thermique (source : le soleil) les vagues et les courants (source : le soleil) dans les zones reculées et tourmentées les marées (source : la lune) Les ressources sont estimées à plus de TWh/an (sept fois plus que la consommation mondiale en 2007). Par contre, seulement une partie est accessible.

23 5.1. L énergie hydraulique Centrale marémotrice baie de Fundy: marées de 21 m côte atlantique du Canada usine de Annapolis Royal: 18 MW de puissance

24 5.1. L énergie hydraulique Usine marémotrice de la Rance (240 MW) 1ère usine marémotrice au Monde

25 5.1. L énergie hydraulique Usine marémotrice de la Rance (240 MW)

26 5.1. L énergie hydraulique

27 5.1. L énergie hydraulique Rappel pic de consommation Février 2012 : MWé soit 101 GWé

28 5.1. L énergie hydraulique

29 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique (dérivée de l énergie solaire) l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans 5.2. L énergie éolienne (dérivée de l énergie solaire) le vent, sa vitesse, ses variations, son énergie description d une éolienne (aérogénérateur) exemples de réalisations, parcs éoliens

30 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique (dérivée de l énergie solaire) l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans 5.2. L énergie éolienne (dérivée de l énergie solaire) le vent, sa vitesse, ses variations, son énergie

31 5.2. L énergie éolienne Environ 2% de l'énergie solaire est transformée en énergie cinétique des vents. Les vents sont dus aux variations dans l intensité des radiations solaires reçues à la surface de la terre qui provoquent des différences de température, de densité et de pression. Circulations d air à l échelle planétaire

32 5.2. L énergie éolienne

33 5.2. L énergie éolienne

34 5.2. L énergie éolienne En 2005, l éolien représente encore que 0.5% de la production d électricité dans le Monde

35 L énergie éolienne L énergie éolienne est l énergie cinétique de l air en déplacement dans une veine du vent. La transformation en énergie mécanique se fait par les éoliennes. Lorsque les éoliennes sont équipées d un générateur électrique, on les appelle aérogénérateurs (1 kw à 5 MW). Plusieurs éoliennes peuvent être regroupées sur un même site pour former un parc (ou une «ferme») éolienne, ou une centrale éolienne. C est une filière en pleine croissance.

36 5.2. L énergie éolienne ENR avec la plus forte croissance dans la période

37 5.2. L énergie éolienne

38 5.2. L énergie éolienne Paramètres pour l énergie éolienne la vitesse du vent v (en m s -1 ) la surface balayée par les rotors S (en m 2 ) la puissance absolue peut être estimée par P = ½ r air v 2 * S v (avec S v : débit vol.) P = ½ * kg m -3 * S * v 3 (en W) avec S = r 2 où r est le rayon des pales du rotor proportionnelle à la vitesse du vent au cube (!) Toutefois, toute l'énergie ne peut être captée. La vitesse du vent n'est pas nulle après son passage dans l'éolienne. loi de Betz (1919): rendement maximal 16/27 = 0,59 ( v aval = 1/3 v amont )

39 5.2. L énergie éolienne Facteur essentiel : régularité de la vitesse du vent

40 L'électricité d'origine éolienne est encore peu utilisée en France, bien que celle-ci possède le 2 e «gisement de vent» en Europe. Fin 2011, la France possède près de 6,6 GW de puissance installée, répartie sur environ 600 parcs éoliens soit environ aérogénérateurs. Par comparaison, l'allemagne possède près de 28 GW de puissance installée. Aujourd hui, une seule éolienne de 2 MW fournit de l électricité pour personnes, chauffage compris.

41 La France est aujourd'hui très en retard dans l'éolien offshore : malgré quelque km de côtes, la métropole ne compte à l'heure actuelle aucun parc en exploitation. En Europe, le marché décolle avec la construction en cours de 16 fermes en Belgique, en Allemagne, au Danemark et au Royaume-Uni, pour une puissance totale cumulée de près de 4 GW. Le parc éolien offshore européen représentait 2.4 GW de puissance installée au 30 juin 2010, selon l'association européenne de l'énergie éolienne, EWEA.

42 SEPTEMBRE 2010 : lancement de l'appel d'offres sur l'éolien offshore en France destiné à déployer une puissance de MW au large des côtes françaises - Projet pour 2015: 600 éoliennes offshore sur 5 sites : Manche (Dieppe, Fécamp) et Océan Atlantique (St Brieuc, St Nazaire) - Budget : 10 Milliards d Euros - Objectif : 6 GW en

43 Retard : Les industriels intéressés ont donc jusqu'au 11 janvier 2012 pour déposer leur dossier de candidature auprès de la Commission de régulation de l'énergie (CRE) pour l'un ou plusieurs des cinq premiers sites retenus. Le côut total du projet est de 20 milliards d'euros. Objectif final, donc : 1200 éoliennes pour 2020, tel qu annoncé dans le Grenelle de l Environnement. 43

44 6 avril Désignation des lauréats du premier appel d offres "éolien en mer" 44

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46 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans 5.2. L énergie éolienne le vent, sa vitesse, ses variations, son énergie description d une éolienne (aérogénérateur) exemples de réalisations, parcs éoliens

47 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans 5.2. L énergie éolienne le vent, sa vitesse, ses variations, son énergie description d une éolienne (aérogénérateur)

48 5.2. L énergie éolienne Charles F. Brush, 1888

49 5.2. L énergie éolienne Un des premiers pionniers de l'énergie éolienne : Charles F. Brush Durant l'hiver de , Brush construisit ce qui est aujourd'hui considérée comme la première éolienne à fonctionnement automatique destinée à la production d'électricité. Cette éolienne était une géante - la plus grande au monde - avec un diamètre de rotor de 17 m et 144 pales fabriquées en bois de cèdre. L'éolienne fonctionna pendant 20 ans et chargea des batteries d'accumulateurs dans la cave de la maison de Brush. Malgré la taille géante de l'éolienne, la puissance de sa génératrice était seulement de 12 kw. Cela est dû au fait que l'efficacité des éoliennes à rotation lente, du type roses de vent américaines, n'est pas particulièrement grande. Ce fut le Danois Poul la Cour qui découvrit plus tard que les éoliennes à rotation rapide, avec un nombre limité de pales, sont bien plus efficaces pour la production d'électricité que celles à rotation lente.

50 5.2. L énergie éolienne

51 5.2. L énergie éolienne un rotor constitué d un axe horizontal 2 ou 3 pales en forme d ailes d avion actionnent un générateur par le biais d un multiplicateur de vitesse

52 5.2. L énergie éolienne

53 5. Les utilisations indirectes de l énergie solaire 5.1. L énergie hydraulique l énergie des rivières et des fleuves les centrales hydroélectriques l énergie des océans 5.2. L énergie éolienne le vent, sa vitesse, ses variations, son énergie description d une éolienne (aérogénérateur) exemples de réalisations, parcs éoliens

54 5.2. L énergie éolienne Energie très inégalement répartie

55 5.2. L énergie éolienne

56 5.2. L énergie éolienne

57 5.2. L énergie éolienne «On shore» Nuisances sonores, esthétiques

58 5.2. L énergie éolienne «On shore»

59 5.2. L énergie éolienne «Off shore» Vent plus fort et constant loin des côtes «off shore» (à 10 km des côtes) Nuisances esthétiques et sonores réduites

60 5.2. L énergie éolienne «Off shore»

61 5.2. L énergie éolienne «Off shore»

62 5.2. L énergie éolienne «Off shore» Electricité directe, injectée dans le réseau («on-grid»)

63 5.2. L énergie éolienne

64 5.2. L énergie éolienne