l'energie solaire
Cette fiche au format Power- point traite des nouvelles énergies renouvelables,
en particulier des énergies solaires et éoliennes. Les autres types d'énergies ...
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énergétique mondial afin de souligner l'importance capitale de ce type d'énergie.
La 5éme diapositive constitue un menu où les principales énergies renouvelables sont citées. Il suffit de cliquer sur l'une d'entre-elles pour avoir un descriptif plus complet (avec des exemples et des ordres de grandeurs). Cette 5éme diapositive est la diapositive "maison" de l'exposé c'est à dire que l'on peut toujours y revenir pour choisir une autre énergie.
QUELQUES ORDRES DE GRANDEURS (sources : QUID 99 et La maison des négawatts))
Avec 1 kWh on peut : (soit 0.62F TTC)
Chauffer 30 litres d'eau
Faire frire 2 kg de frites
Préparer un repas pour 2 personnes
Chauffer une pièce en moyenne pendant 2 heures
Eclairer une pièce pendant 10 heures avec une ampoule de 100 W.
Consommation des appareils domestiques pour une famille de 4 à 5 personnes en kWh/an (par ordre décroissant) :
Eau chaude : 3000
Réfrigérateur américain : 1640
Aquarium : 250 à 1000
Four + plaques de cuisson :1000
Eclairage (sans halogène) : 500 à 1000
Réfrigérateur + congélateur : 650
Congélateur : 620
Sèche linge : 500
Lave vaisselle : 450
Lave linge : 350
Lampes halogènes : 310
Four électrique : 230
Téléviseur : 140 à 200
Magnétoscope : 125
Four à micro ondes : 65
Fer à repasser : 40
Cafetière : 30
Aspirateur : 25
Hi-fi : 35
Sèche-cheveux : 15
DIAPOSITIVES N°1 à N°4 : LES ENERGIES RENOUVELABLES DANS LE CONTEXTE ENERGETIQUE MONDIAL
La diapositive 1 indique le principe de base des énergies renouvelables. Elles découlent toutes de l'activité du soleil. On dit donc qu'elles sont inépuisables ou renouvelables.
La diapositive 2 donne une estimation des réserves des principales sources d'énergie utilisées actuellement (source : conférence mondiale de l'énergie issue du livre la maison des négawatts) et répond à la question suivante: Au rythme actuel de la consommation (plus que jamais en augmentation), de quelles ressources énergétiques vont disposer nos enfants ?
Les ressources fossiles utilisées actuellement pour la grande majorité de la production électrique, sont épuisables ce qui incite à trouver des ressources compensatrices. En effet, plus de 80 % de lénergie mondiale provient de gisements de combustibles fossiles, dont les réserves sépuisent continuellement. Il sagit du pétrole, du charbon et du gaz. Cette dépendance énergétique entraîne de plus une dépendance économique et même politique.
Le pétrole, première source d'énergie actuelle, devrait s'épuiser vers 2040, ce qui laisse supposer des chocs pétroliers lourds de conséquences.
L'énergie nucléaire souvent montrée comme énergie du futur devra se passer d'uranium d'ici 75 ans !
Il n'y a guère que le charbon qui dispose d'un réel répit dû essentiellement au fait qu'il est moins utilisé que naguère.
Ce premier graphique montre à lui seul, l'urgence de développer les énergies renouvelables tout en relançant des politiques d'économie d'énergie (quasi inexistantes en France) afin d'éviter de piller définitivement les ressources mondiales pour nos seuls besoins immédiats.
Pour poursuivre cet état des lieux, la diapositive 3 montre la part actuelle que représente les énergies renouvelables au niveau de la production d'électricité mondiale (sources : QUID 99). On constate que leur utilisation est encore très faible ; seule lénergie hydraulique est compétitive. Ces chiffres doivent nous faire prendre conscience des progrès quil reste à faire sur les techniques de production dénergies renouvelables. 80% de l'électricité mondiale est produite avec des ressources qui ont des chances de disparaître avant la fin du XXIéme siècle.
La diapositive 4 met en évidence les avantages et inconvénients des nouvelles énergies renouvelables.
Lintérêt de ces nouvelles énergies réside aujourdhui dans la possibilité de produire de lélectricité dans des endroits isolés dun réseau électrique : site isolé dans une région difficilement accessible (refuge de montagne, petite île ne possédant pas de centrale
), installation embarquée (satellite, navires marins et aériens), zones déshéritées de pays en voie de développement.
Ces énergies sont utilisées à léchelle dun pays ou plus simplement à léchelle dun particulier qui désire alimenter sa maison située loin d'un réseau électrique.
Il y a deux types dinstallations : raccordée au réseau ou indépendante. Le premier type, qui concerne en majorité les grosses installations prévues pour fonctionner en parallèle des centrales classiques, peut également fonctionner chez un particulier qui pourra éventuellement revendre l'énergie excédentaire. En France, EDF ne finance lélectrification par énergies renouvelables que si son coût est inférieur au coût des travaux de raccordement au réseau.
Ce type de source énergétique ne rejette aucune substance polluante dans latmosphère ou dans les sous-sols. La quantité de déchets est très faible et non polluante. Seules les batteries utilisées dans ces systèmes constituent des déchets difficilement recyclables pour l'instant.
Le principal frein à son développement est en effet dordre économique. Le prix de revient du kWh est encore beaucoup trop cher et le rendement des installations souvent faible. Il est nécessaire également de changer nos habitudes en matière dénergie, de poser réellement le problème des économies dénergies fossiles et le respect de lenvironnement. Les pouvoirs politiques semblent aujourdhui prendre conscience de limportance des sources non polluantes, et se lancent de plus en plus dans les énergies renouvelables. Le principe qui supposait quelles restaient uniquement réservées aux pays du tiers-monde est révolu.
De nombreux pays sintéressent aux nouvelles énergies, et financent des recherches permettant daméliorer le rendement de ces installations. Aujourdhui, les énergies solaire et éolienne ont un fort potentiel, cette dernière devenant de plus en plus compétitive. Le projet français EOLE 2005 vise à augmenter considérablement la production électrique par énergie éolienne sur le territoire métropolitain.
DIAPOSITIVE MENU N°5 : LES ENERGIES RENOUVELABLES DE DEMAIN
Cette diapositive regroupe les nouvelles énergies renouvelables. Chaque image de la diapositive 5 représente une source dénergie différente :
- énergie solaire (le soleil)
- énergie éolienne (le vent)
- biomasse (les végétaux)
géothermie (la terre)
idée : l'énergie la moins polluante est celle que l'on ne consomme pas.
Chacune de ces sources dépend de façon plus ou moins importante de lactivité du soleil. Tant que le soleil sera présent, il sera possible dexploiter ces sources. Elles sont donc inépuisables ou renouvelables si lon considère les cycles naturels de la terre (échanges météorologiques, photosynthèse,
). On les oppose aux énergies fossiles disponibles sous forme de réserve dans les sous-sols terrestres.
A partir de cette diapositive on peut choisir à sa guise l'énergie que l' on souhaite étudier de plus près en cliquant sur son icône.
Cette diapositive dispose également d'une icône FIN qui permet d'arrêter l'exposé.
DIAPOSITIVE N°6 : LA GEOTHERMIE
La géothermie utilise la chaleur générée par des phénomènes internes à la terre. Elle consiste à exploiter les gisements naturels de vapeur (geysers) ou deau chaude, situés à proximité de volcans. Leau dans ces sous-sols est en contact avec des roches très chaudes sous une pression importante due à la profondeur, ce qui entraîne des températures très élevées, jusquà 350°C. Leau récupérée peut être utilisée directement pour chauffer des logements, des serres, de leau de pisciculture, ou pour produire de lélectricité dans une centrale thermique.
On obtient de lénergie géothermique de deux manières différentes : par conduction, prélèvement direct de leau chaude dans les nappes souterraines, ou par convection, injection deau froide dans les roches à haute température et pompage de la vapeur obtenue.
La puissance installée dans le monde (toute technologie confondue) en 1997 est d'environ 16GW dont 7GW utilisés pour produire de l'électricité. (source : QUID 99).
Exemples dapplications :
- LISLANDE, qui possède de nombreuses sources deau chaude et geysers, a construit des centaines de forages qui alimentent en chaleur des habitations, des industries ou des centrales thermiques.
- Les ETATS-UNIS, premiers producteurs de géothermie, possèdent la plus grande centrale de ce type en Californie, The Geysers, qui développe une puissance denviron 1400 MW mais dont la capacité de production diminue chaque année.
En GUADELOUPE, à Bouillante (sur lîle de Basse-Terre) est située lunique centrale géothermique française. Cette centrale est couplée au réseau électrique EDF depuis 1996. Elle fonctionne à partir dun forage de 340 mètres qui extrait de la vapeur deau (20%) et de leau chaude à 160°C (80%). La production devrait être à moyen terme denviron 320 millions de kWh pour une puissance de 4,8 MW installée.
En FRANCE, dans les rares zones favorables, la géothermie peut couvrir jusqu'à 90% des besoins de chauffage nécessaire aux logements, le reste étant fourni par un chauffage d'appoint.
Il y avait en 1998 environ 350 installations de géothermie haute énergie (gisements à température comprise entre 200°C et 350°C) dans le monde.
Avenir :
Le développement à grande échelle de la géothermie reste limité compte tenu de la spécificité géologique que celle-ci nécessite. Toutefois le nombre de sites installés augmente d'années en années. De plus, l'exploitation de l'eau souterraine peu profonde (10°C à 50°C) grâce à des forages de 40 à 100m employant une pompe à chaleur a tendance à se développer afin d'assurer le chauffage ou la climatisation de bâtiments.
DIAPOSITIVE N°7 : LA BIOMASSE
La biomasse est lénergie obtenue à partir des végétaux. En dehors de la combustion, il est possible de récupérer de lénergie de diverses plantes ou encore de déchets agricoles. Des carburants « verts » sont mis au point à partir de la fermentation de jus sucrés qui engendre des alcools. Les plantes généralement utilisées sont : la canne à sucre, la betterave sucrière, le colza.
La fermentation des déchets agricoles (fumier, paille,
) produit des gaz combustibles qui peuvent également servir pour le chauffage.
Exemples dapplications :
- Deux centrales électriques de lîle de la REUNION fonctionnent à la biomasse : lutilisation de la bagasse, résidu de la canne à sucre après extraction du sucre, est un bon combustible et permet de récupérer les importants déchets engendrés par lindustrie de la canne à sucre. Deux millions de tonnes de canne à sucre produites par an génèrent 640 000 tonnes de bagasse, ce qui correspond à 120 000 tonnes de fuel lourd. Lénergie électrique ainsi produite assure 40 % des besoins de lîle. La centrale mixte (bagasse/charbon) de Bois-Rouge a été mise en service en 1992, et développe une puissance de 60 MW.
- La centrale du Moule (64 MW) en GUADELOUPE utilise également la bagasse.
- Cette technologie pourrait être employée dans de nombreux pays producteurs de canne à sucre (Chine, Inde, Cuba, Afrique du Sud
) et ainsi favoriser léconomie des sources dénergie fossiles et le recyclage des déchets.
- Par fermentation (anaérobie) de la biomasse, on obtient du biogaz qui contient de 50 à 60% de méthane. Il doit être purifié avant d'être utilisé.
- A partir de biomasse riche en sucre ou en amidon et grâce à l'intervention de levures, on obtient des biocarburants ou de l'alcool. Au BRESIL des subventions publiques ont permis de mettre en place un dispositif utilisé par 4 millions de véhicules qui roulent avec un mélange essence / alcool (15 à 20%) élaboré à partir de la canne à sucre. En FRANCE certaines compagnies de bus utilisent un mélange constitué de 80% de fuel et 20 % d'ester (diester) issu de la culture du colza.
- La nouvelle centrale de Millery d'une puissance 6.6 MW fonctionne au diester.
(Données : QUID 99)
Avenir :
Dans un avenir proche, les biocarburants devraient devenir de plus en plus courants puisqu'ils permettent une réduction de la pollution tout en diminuant la dépendance des pays vis à vis du pétrole. Toutefois les grands groupes pétroliers bloquent encore certaines ouvertures. Aux ETATS UNIS, depuis 1995, l'adjonction d'éthanol à l'essence est obligatoire. D'autres pays suivent la même voie.
En ce qui concerne les biocarburants, la France se situe en fin de peloton ; toutefois de récents projets devraient permettre d'économiser environ 1 million de tonnes de carburant pétrolier par an soit la contenance d'à peu près 30 pétroliers ERIKA !!
(consommation annuelle française de carburant : près de 40 millions de tonnes)
DIAPOSITIVES N°8 A N°15 : LENERGIE SOLAIRE
Lénergie dégagée par le soleil est considérable, approximativement 66 millions de Watts par m², et provient des réactions de fusions nucléaires qui ont lieu à sa surface (transformation dhydrogène en hélium). Cette gigantesque centrale nucléaire rayonne son énergie dans tout lespace dont seule une partie parvient sur terre, heureusement pour nous, en raison de la distance qui sépare le soleil de la terre (150 millions de km). Par temps clair, à midi, on reçoit une puissance d'environ 1kW par m2.
DEUX UTILISATIONS DE LENERGIE SOLAIRE : (diapositive 9)
( Lénergie solaire photovoltaïque (Diapositives 10 à 13 ), bien que de plus en plus utilisée, reste aujourdhui une énergie marginale. Malgré les progrès qui ont été réalisés sur le coût des modules photovoltaïques (divisés par quatre depuis 1980), lénergie solaire reste une énergie chère et donc peu développée. Le rendement énergétique (rapport entre lénergie électrique créée et lénergie solaire reçue) est actuellement denviron 10 à 15 %. Les centrales solaires sont encore rares, les principales applications sont de petites tailles et pour des besoins bien spécifiques. Il ne peut y avoir une alimentation à énergie solaire, comme pour les autres nouvelles énergies, que si le coût de linstallation est inférieur à celui du raccordement au réseau.
Cette énergie est depuis toujours employée par lhomme, mais pendant longtemps elle le fut uniquement sous forme de chaleur. Depuis 1839 et la découverte par le physicien Becquerel de leffet photovoltaïque, il est possible de transformer lénergie solaire en électricité. En effet, lorsque des photons arrivent sur certains matériaux (semi-conducteurs), ils procurent de lénergie aux électrons des atomes qui sont délogés et se mettent alors en mouvement, ce qui crée un courant électrique.
Le composant de base de la conversion lumière du soleil / énergie électrique est la cellule photovoltaïque ou photopile. En raison des faibles caractéristiques électriques dune cellule (tension unitaire de 0,5 V et puissance voisine de 1,5 W), celle-ci ne permet pas dalimenter des appareils électriques dont les tensions sont normalisées. On rassemble et relie en réalité un certain nombre de cellules pour obtenir un module photovoltaïque. Des modules sont ensuite connectés pour obtenir un panneau solaire atteignant la puissance souhaitée.
Lunité caractérisant la puissance photovoltaïque est le watt-crête (Wc). Cest la puissance délivrée par un module photovoltaïque dans les conditions de référence : éclairement solaire de 1000 W/m², température de 25°C, etc. Pour avoir un ordre de grandeur, une cellule solaire de 1 Wc produit à peu près 1 kWh dénergie continue par an dans une région comme le Sud de la FRANCE (0,6 kWh en courant alternatif). De même, un module de 50 Wc produira 50 Wh en une heure sil reçoit un éclairement optimal pendant une heure, mais il ne produira en moyenne que 150Wh par jour dans le sud de lhexagone.
La notion de watt-crête doit être passée sous silence, aussi dans la suite nous n'en ferons pas usage.
Plus la surface dun panneau solaire est grande, plus le nombre de cellules est important et donc plus forte est sa puissance. Un module de 50 W a une surface de lordre de 0,5 m². Le système photovoltaïque moyen a une puissance de 1200 W pour une surface de 12 m². Il produira en moyenne 3,6 kWh par jour dans le sud de la France.
Le coût dune installation électrique à énergie solaire dépend des nombreux éléments qui le composent : le (ou les) panneau(x) photovoltaïque(s) (son prix dépend du nombre de modules qui le compose, de leur technologie de fabrication et de leur puissance : entre 35 F et 60 F le W), les batteries, les chargeurs, les régulateurs, les onduleurs, les organes de coupure, les appareils de mesure, etc. Lénergie fournie par le panneau étant continue, un onduleur est nécessaire pour obtenir du courant alternatif, la majorité des appareils étant prévue pour être alimentée en alternatif.
On peut distinguer plusieurs secteurs dutilisation de lénergie solaire photovoltaïque :
les sites isolés, difficilement accessibles et où lensoleillement est relativement important. Les DOM et les pays en voie de développement, notamment africains, représentent donc un bon exemple.
les particuliers souhaitant faire des économies dénergie et utiliser une énergie renouvelable emploient ce système pendant les périodes de soleil. Un générateur de secours ou le raccordement au réseau est alors nécessaire durant les autres périodes. Lénergie supplémentaire éventuellement produite peut être revendue à lexploitant du réseau (EDF par exemple).
les secteurs de haute technologie où certains systèmes peuvent sauto-alimenter grâce à lénergie solaire. Les satellites ou les stations spatiales en sont de bons exemples, et ont lavantage dêtre plus près du soleil et éclairés beaucoup plus longuement quà la surface de la terre.
On peut citer également de petits systèmes nécessitant une alimentation de basse puissance comme des panneaux de signalisation routière, des bouées de signalisation maritime (sur lestuaire de la Gironde par exemple) ou encore des horodateurs (de plus en plus courants en France).
EXEMPLES D'APPLICATIONS
En FRANCE métropolitaine, 1000 à 1500 habitations sont alimentées à laide de lénergie solaire et plus de 5000 habitations dans les DOM. En métropole, les régions les plus concernées sont la Franche-Comté, larrière pays niçois, lAude et Rhône-Alpes. Dans larchipel de la GUADELOUPE, la puissance installée est de plus de 815 kW.
Dans les pays en voie de développement, de nombreuses personnes nont pas accès à lélectricité. En 1991, le pourcentage délectrification en zone rurale nétait que de 27 % en AMERIQUE LATINE, 19 % en ASIE et 4 % en AFRIQUE SUBSAHARIENNE. Les systèmes à énergie solaire sont un bon moyen de fournir lélectricité puisquils fonctionnent de façon autonome. Ils sont non polluants et, notamment en AFRIQUE, utilisent une énergie très présente. Ils permettent dalimenter en électricité des centres de soins, de fournir de leau potable ou dirrigation (pompe solaire), ou simplement de chauffer la nourriture dans des régions où les matières combustibles sont rares.
De grandes centrales utilisant leffet photovoltaïque ont été construites aux ETATS-UNIS, au JAPON, en ITALIE, en ESPAGNE, en SUISSE et en ALLEMAGNE. La plus importante est aujourdhui celle de Serre en Italie avec une puissance de 3,3 MW.
Ces grands systèmes ne sont pas encore rentables par rapport aux solutions classiques, mais le fait que des pays investissent dans le solaire devrait permettre un emploi plus large dans les années à venir. Le coût global dune installation solaire est caractérisé par une répartition de 90 % pour linvestissement et de 10 % pour le fonctionnement (alors que pour le diesel, par exemple, ce rapport est de lordre de 50/50).
La station de production de lîle de Saint-Nicolas, dans larchipel des GLENAN, produit de lénergie à partir de trois sources différentes : 240 modules photovoltaïques de 9 kW, une éolienne de 10 kW et un groupe thermique au fioul de 32 kW.
Un projet denvergure devrait débuter en lan 2000 dans une zone rurale de la province de Bahia, au BRESIL : 15000 habitations et plusieurs infrastructures (centres de soin, pompage de leau
) seront alimentés par de lélectricité photovoltaïque, via des systèmes individuels complets (panneau solaire, régulateurs, batterie).
Exercice 1 :
Un module photovoltaïque de 50 W a une surface de lordre de 0,5 m².
1) Combien de modules contient un panneau solaire de puissance 10 kW ? (puissance nécessaire pour une maison particulière)
2) Quelle est la surface de ce panneau ?
3) On souhaite créer une centrale solaire de type photovoltaïque d'une puissance comparable à une centrale nucléaire (1GW) en utilisant les mêmes modules que précédemment.
Combien de modules devra-t-on utiliser ?
Quelle serait la surface des panneaux d'une telle centrale ?
Correction : 1) Un panneau solaire de 10kW contient 200 modules.
2) La surface de ce panneau est de 100 m2.
3) a) Pour atteindre une puissance potentielle de 1 GW il faudrait 20 millions de modules !!
b) La surface totale théorique des panneaux d'une telle centrale serait de 10 km2. En fait, en tenant compte de toutes les contraintes, la surface totale de la centrale avoisinerait les 50 à 60 km2 !!
Exercice 2 :
Une famille décide d'équiper sa maison d'un système solaire photovoltaïque pour l'alimenter en électricité. Lorsque ce système est insuffisant, la maison est alimentée par le réseau EDF.
Un panneau solaire photovoltaïque dune surface de 40 m² a un rendement énergétique (énergie solaire / énergie électrique) de 10 %. On le place sur le toit de la maison, en été, dans une région où la puissance solaire est en moyenne de 800 W/m².
1) Quelle est la puissance fournie par le panneau solaire ?
2) Quelle est lénergie quil fournit pour une durée moyenne déclairement quotidienne de 8 heures ?
3) Durant ces 8 heures d'ensoleillement, la famille souhaite chauffer les 200 litres d'eau du cumulus (6kWh), alimenter le réfrigérateur /congélateur (1kWh), préparer le repas de midi (2kWh), laver le linge (1.3kWh), regarder la télévision (4h) puis écouter (4h) une chaîne hi-fi (0.5kWh), avoir 4h d'éclairage 100W (0.4kWh)et 8h de ventilation (0.4 kWh). L'installation solaire suffira-t-elle pour couvrir les besoins de cette famille au cours de ces 8 heures d'ensoleillement ?'
Correction : 1) La puissance fournie est de 0.10*40*800=3200W
2) Le panneau solaire peut fournir 3200*8=25,6 kWh
3) Energie nécessaire pour la famille : 6+1+2+1.3+0.5+0.4+0.4=11,6kWh
