Optimisation des ressources énergétiques 1 Transporter l énergie L électricité est un vecteur énergétique de plus en plus utilisé, devenu indispensable pour certaines applications. L efficacité de sa production, notamment à partir de chaleur, tend à être améliorée et ouvre de nouvelles perspectives. Production mondiale d électricité par ressource énergétique en 2008 1.1 Comment transporte-t-on l électricité? Le transport se fait via un réseau électrique. En pratique, on distingue le réseau de transport (qui a pour rôle d acheminer l électricité sur de grandes distances) et le réseau de distribution (dont le rôle est de raccorder tous les consommateurs). Ces deux réseaux (transport et distribution) se distinguent par leurs niveaux de tensions. En France, le réseau de transport comprend des lignes à 400 kv et 225 kv (ce qu on appelle le grand transport, les «autoroutes» de l électricité), puis du 125, 90 et 63 kv pour la répartition régionale. On compte aujourd hui plus de 100 000 km de lignes de transport. Le réseau de distribution français est composé de lignes allant de 20 kv jusqu aux 220 V qui arrivent chez nous : cela représente presque 1,3 millions de km de lignes, résultats de près d un siècle d histoire. 1
1.2 Quelles sont les pertes générées? Les pertes générées pour le transport ont d abord une définition comptable : c est la différence entre les niveaux de production et de consommation déclarés. Cette définition englobe les pertes physiques (le rendement énergétique du transport) mais aussi les pertes dites «non techniques», qui sont en gros les erreurs de comptage et les vols éventuels sur le réseau. Les deux principales causes physiques sont l effet Joule et l effet couronne. Les pertes par effet Joule sont dues à des chocs de particules internes à la matière. Les charges électriques en mouvement heurtent les particules fixes dont l agitation augmente (d où une augmentation de la température du câble). Pour un niveau d intensité donné du courant électrique (mesuré en ampères), ces pertes sont directement proportionnelles à la résistance électrique du câble (PJoule = R I²), résistance qui dépend elle-même de la conception du câble et de sa longueur. Pour un réseau existant, avec des caractéristiques techniques connues, les pertes Joule sont donc directement proportionnelles à la distance parcourue par le courant. Elles représentent environ 80% des pertes totales. Remarque : de l intérêt du transport d électricité à très haute tension A puissance équivalente (P = UI), plus la tension est élevée et plus l intensité est faible : les pertes par effet Joule (de puissance PJoule = RI²) sont donc minimisées! Les pertes par effet couronne, ensuite, correspondent à une énergie dissipée dans l air qui entoure le câble électrique. Au voisinage des fortes charges électriques qui se déplacent dans le câble, des charges sont arrachées aux particules de l air ambiant (on parle d ionisation du gaz) et un courant électrique se crée entre l air et le câble. C est généralement à cet effet que l on doit le bourdonnement généré par les lignes à haute tension. Ces pertes sont aussi proportionnelles à la distance parcourue. Elles pèsent pour près de 10% des pertes totales. Les derniers 10% agrègent les pertes physiques résiduelles (les pertes à vide, l effet Joule dans les transformateurs ) et les pertes non techniques. Les pertes par induction sont celles évacuées dans le champ magnétique créé par toute circulation électrique dans un câble ; les pertes par shunt sont destinées à rééquilibrer le réseau pour en éliminer les défauts. Pour l année 2009 les pertes déclarées sur le réseau électrique français se sont montées à 33,6 TWh (lire Terra Watts heure soit 33,6 10 12 Watts heure) sur une production totale de 518,8 TWh, soit prés de 6,5%. Un tiers de ces pertes est lié au transport, les deux autres tiers à la distribution. 2
Bilan énergétique sur le réseau électrique français pour l année 2009 en Twh, la production électrique totale est de 518,8 TWh Source RTE, 2009 Un coup d œil vers le passé récent nous montre que le niveau de ces pertes a baissé continuellement pour se stabiliser autour des 5 à 6%. Pertes de transport et distribution sur le réseau électrique français de 1960 à 2004, en pourcentage de la production totale Source : Nationmaster, mars 2010 Mais au-delà de la France, on constate de grandes différences entres les pays de l OCDE (Organisation de Coopération et de Développement Economiques) et le reste du monde, certains gros pays producteurs affichant des pertes très importantes. Production électrique et pertes sur le réseau pour les principaux pays producteurs Source : Nationmaster, mars 2010 Ce graphique présente les principaux pays producteurs d électricité sur la planète par ordre d importance (les barres bleues, de gauche à droite) ainsi que le niveau de perte sur le réseau (points rouges, en pourcentage de la production). Si la plupart des pays développés ont des pertes inférieures à 10%, la Russie, l Inde et le Brésil affichent des résultats bien plus mauvais. La plupart des PMA (Pays les Moins Avancés, façon pudique d appeler les pays pauvres) affichent également des pertes très importantes. On peut en revanche noter le très bon score de la Chine. 3
Difficile alors de se faire une idée de la moyenne mondiale. La base de données Nationmaster donne une moyenne de 7% pour les pays l OCDE et de 14% en moyenne mondiale. L agence internationale de l énergie, dans son Key World Energy Statistics, donne une production mondiale déclarée de 1,7 Gtep contre une consommation mondiale déclarée de 1,41 Gtep. Production et consommation électrique mondiale en 2007 Source : Agence internationale de l énergie, 2009 Ces valeurs de production et de consommation annuelles laissent entendre un niveau de pertes proche des 0,3 Gtep soit 17% de la production. Au niveau mondial, il semble donc bien que les pertes liées au transport soient largement supérieures à 10% de la production et peut-être proches des 20%. Ramenées en énergie primaire, ces pertes représentent donc entre 4 et 8% de la consommation totale ce qui est loin d être négligeable. 1.3 Quelques ouvertures 1.3.1 La libéralisation économique des marchés de l électricité La libéralisation du marché électrique dans l Union Européenne permet en théorie de fabriquer de l électricité d un côté de l Europe (en Pologne par exemple) pour la vendre à l autre bout (en France par exemple). Dans la mesure où les pertes dépendent en grande partie de la distance parcourue par l énergie électrique, il est légitime de se demander si ce processus d organisation économique impacte le niveau des pertes sur le réseau. Il faut en fait bien différencier les flux contractuels et les flux physiques qui ne sont en général pas les mêmes. Si les premiers peuvent être impactés par l ouverture du marché, les seconds restent déterminés par la localisation géographique des moyens de production et des zones de consommation. Evolution des échanges physiques et contractuels entre la France et l étranger entre 2001 et 2007 Source : RTE statistiques annuelles 2008 4
Ce graphique montre un bref historique de l évolution des flux contractuels et réels aux frontières de la France. Ils ne sont pas du même niveau et ne sembles pas êtres corrélés. Si l on se concentre sur les variations des flux physiques, le lien avec le niveau des pertes ne semble pas évident. Energie électrique échangée aux frontières de l Espagne et pertes sur le réseau de 1990 à 2004 - Source : Nationmaster, mars 2010 Pour l Espagne par exemple, la multiplication par 3 des échanges aux frontières entre 1990 et 2000 ne semble pas avoir eu d impact significatif sur les pertes. L amélioration continue des réseaux et de leur pilotage semble être le facteur le plus important. 1.3.2 Et l automobile dans tout ça? Si l intérêt énergétique des véhicules électriques est déjà discutable pour un pays comme la France, il devient très défavorable au Brésil ou en Inde! Le rêve d une solution technologique unique (le tout électrique!) s arrête ici. En matière de transport, chaque situation semble appeler une solution particulière. Dans les pays de l OCDE, pour lesquels la moyenne des pertes semble faible (7%) et bien maîtrisée, un déploiement significatif de véhicules électrifiés (véhicules électriques ou hybrides rechargeables) pourrait en retour impacter le niveau des pertes. Un parc de véhicules électriques offre un levier supplémentaire d optimisation du réseau par les moyens de stockage (les batteries) ainsi offerts. Les batteries pourraient être utilisées pour stocker l énergie générée pas les sources renouvelables intermittentes (solaire et éolien), de plus en plus nombreuses. Cette énergie ainsi stockée pourrait alors être relâchée sur le réseau pour passer les pics de demande très coûteux en CO2. Si cette utilisation des batteries présente un intérêt certain pour faire baisser le contenu en CO2 de l électricité, il plombe les pertes en introduisant des conversions supplémentaires (charge / décharge des batteries) 2 Stocker l énergie 2.1 Principe Le stockage d'énergie est un enjeu à la hauteur de la consommation d'énergie : primordial. Pour les états, l'indépendance énergétique est stratégique et économiquement essentielle. Pour les individus et les entreprises, une énergie disponible à la demande, sans coupure inopinée, est un confort et une commodité pour la production. 5
Même pour la "production d'énergie", le stockage est essentiel : en réalité, ce qu'on appelle couramment et économiquement "production d'énergie" n'est pas, physiquement, de la production, mais de la transformation d'un stock d'énergie potentielle (charbon, eau stockée en hauteur, matière fissile...) en une énergie directement utilisable pour un travail (électricité, travail mécanique). Le stockage consiste à reconstituer un stock d'énergie potentielle à partir d énergie dont on n'a pas l usage immédiat. Le but est de pouvoir en disposer plus tard, lorsque la demande sera plus importante. Cela est en particulier indispensable quand l'énergie immédiatement disponible est variable dans le temps, comme c'est le cas des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolienne). 2.2 Rendement du stockage L'opération de stockage d'énergie est toujours associée à l'opération inverse, consistant à récupérer l'énergie stockée (le déstockage). Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle de stockage. À la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement "vide"). On a alors régénéré le stockage. Le rendement d'un cycle correspond au rapport entre la quantité d'énergie récupérée sur la quantité d'énergie que l'on a cherché initialement à stocker. En effet, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d'énergie ou de matière : une partie de l'énergie initiale n'est pas réellement stockée et une partie de l'énergie stockée n'est pas réellement récupérée. Le rendement d'un cycle de stockage d'énergie dépend énormément de la nature du stockage et des systèmes physiques mis en œuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage. 6
2.3 Les formes de stockage 2.3.1 Stockage sous forme chimique Biomasse (énergie rayonnante) L homme récupère indirectement sous forme de bois et d huiles combustibles l énergie obtenue par photosynthèse ; ce stockage est long et son rendement faible (la photosynthèse ne récupère qu environ 1% de l énergie solaire disponible). Potentiel électrochimique L'électricité est une énergie secondaire et un vecteur d'énergie ; c'est-à-dire qu'elle résulte de la transformation d'énergie primaire. Une fois produite elle est instantanément consommée ou perdue. Elle n'est pas directement stockable (sauf dans un condensateur), et doit donc être convertie en une autre forme d'énergie pour être stockée. Le stockage de grandes quantités d'électricité avec des accumulateurs électrochimiques géants n'a jamais été réalisé. Les accumulateurs électrochimiques sont généralement lourds, chers, ont une durée de vie limitée et posent des problèmes de pollution (acides et métaux lourds) lors de leur fin de vie, et même parfois des risques d'incendie voire d'explosion lorsqu'on les sort de leurs conditions normales d'utilisation. Par contre, de nombreux systèmes domestiques déconnectés du réseau de distribution d'électricité sont basés sur l'utilisation de batterie d'accumulateurs ou de piles. En pratique, elles 7
sont utiles pour les petits appareils électroménagers ou les appareils électroniques embarqués (par exemple sur un bateau). Récemment un regain d'intérêt pour les véhicules produisant peu ou pas de gaz polluants a relancé la création de véhicules électriques : vélos et automobiles fonctionnant complètement grâce à ce type d'énergie ou de manière hybride (électricité en complément d'énergie fossile). Les condensateurs de moyenne et grosse capacité, dits condensateurs chimiques et les "SuperCap" sont une autre utilisation des couples électrochimiques pour stocker de l'énergie. Les applications incluent la voiture électrique (comme tampon d'énergie entre le variateur de vitesse et les batteries), mais aussi tous les cas de stockage d'énergie électrique avec des conditions climatiques extrêmes (par exemple : démarreur de locomotives, contrôle d'orientation des pales des éoliennes). Gaz L'énergie disponible peut être utilisée pour synthétiser des gaz combustibles, à partir de molécules moins riches en énergie (ou moins pratiques à utiliser). Le méthane ou l'hydrogène ou même un produit intermédiaire comme l'ammoniac, sont envisagés. L'hydrogène comme carburant a été proposé comme solution dans les problèmes d'énergie. Il peut aussi être utilisé comme combustible ou pour la production d'électricité par une pile à combustible. Le stockage peut être réalisé sous plusieurs formes, qui ont toutes un faible rendement : sous forme de gaz ou sous forme liquide. D autres pistes sont étudiées, sous forme de composés chimiques capables de libérer facilement le gaz. 2.3.2 Stockage sous forme mécanique Les barrages hydrauliques constituent des réserves d'eau qui en tombant dans des conduites, actionnent des turbines fournissant l'énergie mécanique aux générateurs d'électricité. Une optimisation du système consiste à réutiliser l'eau conservée ou issue d'un fleuve au pied de la centrale hydroélectrique. Le stockage par pompage-turbinage (également appelé STEP : Station de Transfert d'énergie par Pompage) est utilisé pour égaliser la charge quotidienne (c'est-àdire le besoin en électricité) : de l'eau est pompée et remontée vers les barrages d'altitude quand la demande sur le réseau est faible (pendant les heures creuses et le week-end par exemple), en utilisant la production excédentaire de sources d'énergie non ajustables (nucléaire, solaire, 8
éolien,...) ; pendant les pics de consommation, cette eau redescend sous-pression et produit à nouveau de l'électricité. C'est le même dispositif électromécanique réversible, qui produit de l'électricité en turbinage ou en consomme pour remonter de l'eau par pompage. Le rendement est bon (de l'ordre de 80% 11 aux bornes de l'usine, en tenant compte des pertes de charge dans la conduite, du rendement des moteurs/alternateurs, des pompes/turbines et des transformateurs). Cependant, relativement peu de lieux conviennent : dotés des barrages de stockage de taille suffisante et avec un grand dénivelé entre les barrages/réserves d'eau inférieur et supérieur. On utilise aussi une variante de ce dispositif dans la centrale marémotrice de la Rance (en France) : à marée haute, on ne se contente pas de stocker passivement l'eau, on pompe aussi pour augmenter la réserve, cette eau sera relâchée avantageusement à marée basse (on monte l'eau de quelques mètres, par contre on utilise son potentiel de chute sur une dizaine de mètres de plus). 2.3.3 Stockage de l énergie thermique Par chaleur sensible Dans le stockage par chaleur sensible, l'énergie est stockée sous la forme d'une élévation de température du matériau de stockage. La quantité d'énergie stockée est alors directement proportionnelle au volume, à l'élévation de température et à la capacité thermique du matériau de stockage. Ce type de stockage n'est limité que par la différence de température disponible, les déperditions thermiques du stockage (liée à son isolation thermique) et l'éventuel changement d'état que peut être amené à subir le matériau de stockage (fusion ou vaporisation). Quelques exemples de stockage de chaleur sensible : Dans les systèmes de chauffage domestiques, on utilise parfois la grande inertie thermique de certains matériaux (briques, huile) pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours des périodes où la chaleur a été produite ou captée. Mais le plus souvent, le stockage est assuré par un ballon d'eau chaude isolé. Dans les fours à feu de bois, en brique et terre réfractaire, la capacité de la voûte du four à emmagasiner la chaleur est utilisée pour la cuisson d'objets (poterie, émaux, etc.) ou de plats (pain, pizza, etc.). Le stockage de l'énergie excédentaire produite par les centrales solaires le jour, afin d'être utilisée le soir et la nuit (exemple : chauffage urbain de la ville de Krems sur le Danube). Cette technique est utilisée dans des centrales solaires thermiques, telles les trois centrales d'andasol en Espagne qui peuvent stocker chacune 0,35 GW.h dans des réservoirs de sels chauffés à 390 C. On peut aussi citer l'utilisation à la fin du XIX e siècle des locomotives Francq sans foyer et à eau surchauffée. Un réservoir d'eau de 3 m 3 chauffée à 180 C constituait la source principale d'énergie et permettait de tracter plusieurs wagons de tramway et leurs voyageurs sur des trajets de plus de 10 km. Par chaleur latente Dans le stockage par chaleur latente, l'énergie est stockée sous la forme d'un changement d'état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation). L'énergie stockée dépend alors de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage qui change d'état. Contrairement au stockage sensible, ce type de stockage peut être efficace pour des différences de températures très faibles. Dans le cas du changement de phase solide/liquide, et pour une quantité d'énergie stockée et 9
un matériau de stockage donnés, le stockage latent nécessite moins de volume que le stockage par chaleur sensible du fait que la chaleur latente est généralement beaucoup plus élevée que la capacité calorifique. Ces deux types de stockage peuvent être utilisés pour stocker du froid. Quelques exemples de stockage de chaleur latente : Des matériaux à changement de phase (MCP) sont actuellement étudiés pour améliorer l'inertie thermique des parois des bâtiments. Les pompes à chaleur, notamment les réfrigérateurs, congélateurs et climatiseurs, utilisent des fluides changeant de phase comme caloporteurs. Ceux-ci ne stockent pas à proprement parler de chaleur, l'emmagasinant uniquement le temps du transport. 3 Gérer les déchets 3.1 Emissions de CO2 La transparence de l atmosphère permet au rayonnement solaire (principalement visible) d atteindre le sol où il se transforme en chaleur (selon l albedo du sol). Comme tout corps chauffé, la Terre «rayonne sa chaleur» en direction de l espace. Les gaz à effet de serre (GES) sont opaques aux rayons infrarouges émis par la surface terrestre et interceptent ces rayonnements : en les absorbant, ils emprisonnent l énergie thermique près de la surface du Globe, où elle réchauffe la basse atmosphère. Remarque : l albedo est le rapport entre l énergie solaire réfléchie et l énergie solaire incidente ; il est par définition compris entre 0 (absorption totale) et 1 (réflexion totale). Par exemple, la mer a un albedo de l ordre de 0,1 ; la glace de l ordre de 0,6. Le réchauffement de la planète provoque la disparition des banquises, diminue l albedo global et favorise l augmentation de la température terrestre La vapeur d eau (0,3 % de l atmosphère terrestre) contribue à 55 % de l effet de serre ; en y ajoutant les nuages, l eau contribue pour 72 % de l effet de serre. Certains phénomène naturels sont générateurs de GES tels que le dioxyde de carbone (respiration, volcanisme, etc.), le méthane (décomposition organique), le protoxyde d azote ou l ozone. La connaissance et le 10
contrôle de l activité humaine, génératrice de dioxyde de carbone (74 % des rejets humains en GES) et d halocarbures (CFC, fréons ), sont absolument essentiels. Le bois est une énergie «verte» : le CO 2 émis par combustion est recyclé par la biomasse en croissance (photosynthèse) : on peut donc considérer que l émission CO 2 n est que de 13 g/kwh dans ce cas. Emissions par secteur et plus particulièrement dues à la production d électricité Des solutions existent? 11
3.2 Déchets nucléaires L uranium utilisé dans les centrales libère des produits de fission radioactifs, comme les isotopes du plutonium. Les noyaux radioactifs présentent le même type de décroissance exponentielle ; on la caractérise par la durée de demi-vie (ou période) : c est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux d un échantillon initial se soit désintégrée. Cette durée varie grandement d un isotope à l autre. En France, les radionucléides sont classés selon deux critères : leur activité, qui conditionne leur dangerosité, et leur durée de nuisance, en lien direct avec leur demi-vie. La production annuelle de déchets radioactifs représente 2 kg par habitant ; 90 % des déchets produits sont à durée de vie courte (demi-vie inférieure à 31 ans), mais 10 % sont des résidus du traitement du combustible nucléaire et sont à vie longue. Les déchets de haute activité sont vitrifiés, c est-àdire incorporés dans une pâte de verre coulée dans des conteneurs étanches en acier inoxydable. Ce procédé permet de concentrer les déchets, de les stabiliser sous forme solide et d éviter leur dispersion. Les déchets à durée de vie courte ou de faible activité sont stockés en surface ; un stockage profond (supérieur à 500 m, dans les couches géologiques profondes) est à l étude pour les déchets à vie longue de moyenne activité et tous les déchets de haute activité. 12
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