Ingénierie durable I Introduction

Ingénierie durable I Introduction Jacques Gangloff

L énergie Moteur de la vie Sources d énergie : La source primaire d énergie est nucléaire Elle provient de la transformation de la matière (E=mc²) Sources d énergie sur terre : Energie solaire (vent, houle, hydraulique, énergies fossiles, photovoltaïque, chimique, biologique) Energie nucléaire (fission et fusion nucléaire) Energie géothermique

Production de l énergie Energie mécanique : Moulin à vent, Eolienne, Moulin à eau, Turbine à eau, Machine à vapeur, Moteur électrique, Turbine à vapeur, Moteur à explosion, Turbine à gaz, Réacteur, Fusée Energie électrique : Génératrice à courant continu, Alternateur, Cellule photovoltaïque, Pile à combustible Energie thermique : Combustion (bois, charbon, pétrole et ses dérivés), Réaction nucléaire (fusion, fission), Biomasse, Géothermie

Transformation des énergies Conversion d énergie Mécanique Thermique Electrique Electroma gnétique Chimique Nucléaire Mécanique Poulies Frein Alternateur Synchrotron Allumette Accélérateur de particules Thermique Moteur à explosion Echangeur Thermocouple Rayonnement IR Distillation Supernova Electrique Moteur électrique Résistance Transformateur LED Electrolyse Synchrotron Electroma gnétique Photo- Laser Voile solaire Micro-onde Antenne Optique gnétique synthèse Mégajoule Chimique Muscle Feu Pile à combustible Luciole Réaction chimique? Nucléaire Radiation alpha Soleil Radiation béta Radiation gamma? Centrale nucléaire

Consommation d énergie (2009) En 2009, le monde a consommé environ 500 exajoules (500e18 Joules) Ceci correspond à une puissance moyenne de 15 terawatts (15e12 Watts) 80 à 90% proviennent des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) Comment en est-on arrivé là?

Un peu d histoire (1) Historique de l usage des énergies : Paléolithique -3e6-12 000-5000 : découverte de la Navigation à voile Néolithique -3000 Age du bronze -1000 Age du fer -800 : invention du moulin à vent 1745 : premier puits de pétrole Epoque Moyen âge contemporaine 500 1400 1800-800000 : découvert du feu -6000 : découverte -3500 : domestication du cheval -1000 : invention du moulin à eau du pétrole -4000 : découverte du charbon 100 : invention de la machine à vapeur

Un peu d histoire (2) La révolution industrielle : Utilisation de l énergie du charbon avec la machine à vapeur (à partir de 1600, invention du piston par Denis Papin en 1690) Invention du moteur à explosion (1807, François Isaac de Rivaz) Découverte de l effet photovoltaïque (Antoine Becquerel, 1839) Electrification des villes (1890) Traction électrique (1900) Energie nucléaire civile (1960)

Evolution de l utilisation des énergies (1) Evolution de la puissance moyenne mondiale consommée durant les 4 dernières décennies :

Evolution de l utilisation des énergies (2) Consommation de pétrole : Entre 1965-2005, environ 1000 milliards de barils de pétrole ont été consommés (1 baril = 159 litre). En 2008, on estime qu il reste environ 1350 milliards de barils.

Evolution de l utilisation des énergies (2)

Projections : pétrole (1) Problème : Sachant qu entre 1980 et 2008, la consommation journalière de pétrole a augmenté quasiment linéairement à un rythme de 1,1 million de barils/an, Sachant que la consommation de 2008 fut de 83 millions de barils par jour, Sachant qu il reste 1350 milliards de barils en 2008, Combien de temps reste t il avant épuisement des stocks si ça continue à ce rythme?

Projections : pétrole (2) Solution : Soit C, la consommation de pétrole depuis 2008 en fonction du nombre de jours t écoulé depuis 2008 : C t f = 0 t 83 + 1,1 dt 365 1,1 2 = t f + 83t f = 1350000 365 2 t f = 13133 jours 36ans Or l Asie voit sa consommation augmenter exponentiellement

Projections : charbon (1) Réserves énergétiques en charbon : Réserves en 2008 : autour de 1000 gigatonnes. Energie calorifique moyenne par kg : 24 MJ Rendement minimum des centrales à charbon : 40% Energie totale exploitable restante : 15 6 1.10 24.10 0,4 = 9,6.10 21 J A comparer à la consommation annuelle mondiale en 2009 : 0,5e21J Donc si le charbon était la seule source d énergie, on en aurait pour 20 ans de réserve.

Projections : charbon (2) Perspectives de la filière charbon : Des nouveaux procédés permettent d augmenter les rendements des centrales thermiques jusqu à 70% Il est possible de transformer le charbon en carburant liquide mais moyennant des rejets de CO2 plus importants que pour le raffinage du pétrole Impacts environnementaux du charbon : Génération de déchets toxiques contenant mercure, uranium, thorium, arsenic et d autres métaux lourds Génération de gaz à effet de serre

Projections : nucléaire (1)

Projections : nucléaire (2) En 2008, l énergie nucléaire représentait 14% de la production mondiale d électricité soit 2735 TWh ou 9,8e18J Cela représente 2,1% de la consommation totale d énergie cette même année On estime qu au rythme de production actuel, les stocks d uranium restant permettraient d alimenter les centrales conventionnelles pendant 60 ans

Projections : nucléaire (3) Perspectives de la filière nucléaire : Réacteurs de génération 4 : optimiser le coût d exploitation Fusion : utilise le deutérium présent en grande quantité dans les océans Impacts environnementaux du nucléaire : Pas d émission de CO2 Nombreux déchets radioactifs sur des milliers d années La fusion est prometteuse à condition de limiter la génération collatérale de matière radioactive

Constat Depuis la révolution industrielle, l homme a privilégié l exploitation des sources d énergie non renouvelables car moins chères à extraire Au rythme actuel de la consommation, il reste moins de 50 ans de réserves d énergies non renouvelables, toutes sources confondues Pour certaines applications, il n y a pas encore d alternative aux énergies non renouvelables (transport aérien, plasturgie)

Les énergies renouvelables (1) Définition : Energies dont la quantité disponible augmente naturellement avec le temps L apport continu d énergie provient du soleil Exemples : L énergie du soleil (photovoltaïque ou convection thermique) L énergie du bois (avec une gestion raisonnée des forêts) L énergie hydraulique des cours d eau L énergie du vent L énergie des marées L énergie des matières organiques (biomasse) On considère aussi souvent que la géothermie est renouvelable

Les énergies renouvelables (2) Ressource disponible : 89 PW (89e15W)

Les énergies renouvelables (3) 15e12 / 89e15 x 100 = 0,017% : pourcentage de la puissance moyenne mondiale consommée par rapport à la puissance moyenne reçue par la terre en énergie solaire 89 000 TW

Les énergies renouvelables (4) Conclusions : L hydraulique peut pourvoir à la moitié de la demande mondiale actuelle La géothermie peut pourvoir au double de la demande mondiale actuelle L énergie annuelle du vent représente près de 60 fois la demande mondiale annuelle L énergie annuelle du soleil représente 6000 fois la demande mondiale annuelle Ces énergies sont intrinsèquement propres (à nuancer)

Transition énergétique (1) Problèmes à régler (principaux) : Stockage de l énergie (pour le transport et pour lisser les fluctuations de production) Augmenter les rendements de production (ex: le photovoltaïque a actuellement un rendement de 15%) Diminuer l impact environnemental de la mise en œuvre des énergies renouvelables (recyclage des batteries, coûts de fabrication des panneaux photovoltaïques, impact des fluctuations rapides de production de l éolien, impact écologique des barrages) Diminuer la consommation d énergie mondiale

Transition énergétique (2) Moyens pour y arriver : Stockage : Batteries : chimie, nanotechnologies, gestion intelligente de la charge, Systèmes de turbinage : électrotechnique, électronique de puissance, commande Rendement de production : Eolien : aérodynamique, mécanique, électrotechnique, électronique, commande, supervision, Photovoltaïque : matériaux, optique, commande, Transport d énergie : électrotechnique, électronique de puissance, commande, supervision

Transition énergétique (3) Impact environnemental de la mise en œuvre : optimisation des processus de fabrication Robotique : optimisation des trajectoires, récupération de l énergie de freinage Productique : reprogrammation des automates programmables pour optimiser le rendement Diminution de la consommation : optimisation des systèmes du point de vue énergétique et du point de vue de leur consommation de matières premières Véhicules : aérodynamique, mécanique, matériaux, électrotechnique, électronique, commande, Bâtiments : thermodynamique, matériaux, électrotechnique, domotique, architecture (optimisation des volumes)

Définitions Moyens pour y arriver : ingénierie durable Ingénierie visant à développer les outils du développement durable ou bien Ingénierie visant à développer les technologies vertes Développement durable (sustainable development) : développement de moyens pérennes dont l usage par la génération actuelle conduit, a minima à maintenir le bien-être des générations futures, voire à l améliorer.

Rôle de l ingénieur Acteur principal du développement durable Compétences transversales et généralistes Outils théoriques de base : - Modélisation multi-physique - Identification - Optimisation - Commande C est l objet de ce cours

Plan du cours 1. Modélisation multi-physique (E. Laroche) 2. Identification 3. Optimisation 4. Simulation multi-physique 5. Etudes de cas A. Production : éolien, photovoltaïque, hydraulique B. Transport d énergie : réseaux électriques maillés C. Stockage d énergie : technologies de batteries D. Utilisation de l énergie : véhicule hybride 6. Etude de dossiers

Exemple (1) Optimisation du rendement d un processus de fabrication élémentaire : fabrication élémentaire : Tapis roulant A Tapis roulant B Moteur à Courant continu

Exemple (2) Modèle approché d un MCC (on néglige L): u Ri e = 0 e = γ = γ Kω Ki fω = avec : J & ω u : tension d induit, i : courant d induite, e : force contreélectromotrice, R : résistance d induit, K : constante, ω : vitesse angulaire de l arbre, γ : couple moteur, f : frottement visqueux

Exemple (3) Voir compléments s1 et s2