Généralités Perspectives françaises et mondiales€¦ · il faudrait 4 fois plus de puissance : 8,8 kW ! 7 Différentes formes ... Transmission mécanique Pertes par frottements

Introduction sur l’énergie.

GénéralitésPerspectives françaises et mondiales

J. Seigneurbieux2010 2DA

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Plan du cours :Différentes formes d’énergie

Réserve d’énergie dans le monde

Consommation d’énergie dans le monde

Consommation en Europe et en France

Modes de production de l’énergie électrique

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L’énergie, plusieurs aspects :Scientifiques

Sources, stockage, transport, conversion, …

EconomiquesPrix, taxes, projection dans le futur, …

PolitiquesIndépendance énergétique, acceptation du public, …

EnvironnementauxPollution locales, globale, gestion des déchets, …

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Ordres de grandeur, unités, exemples

Chaleur : Il faut 1000 calories soit 4180 joules pour chauffer de 1°C un kg d’eau

Mécanique : Il faut 4000 J pour élever de 4 m un poids de 1000 newtons(soit une masse d’environ 100 kg dans le champ de pesanteur terrestre à 10 m/s²)

Rayonnement : En plein soleil, une surface noire de 1 m²capte, en une seconde, 1000 J

L’unité du Système International est le JOULE1 kWh = 3600 000 J

W = F.d1000 N 4 m

W = c.M.ΔT4180 J/kg/°C

pour l’eau1 °C1 kg

Symbole de l’énergie

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Puissance et énergie

La puissance, c’est le débit d’énergie :

Exemples :- pour échauffer 1 kg d’eau, de 1°C, en 1 seconde :

il faut 4180 watts (4,18 kW)

- pour lever 1000 N (environ 100 kg), à 4 mètres, en 1 seconde :il faut 4 kW

tWP =

P en watts (W) et W en joules (J)t en secondes

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Puissance et énergie

Réaliser des travaux énergétiques plus rapidementnécessite une puissance plus élevée

tWP =

Exemple CHAUFFE EAU

Pour réchauffer, de 50°C, 300 litres d’eau (soit 63 MJ) en

en une nuit de 8 heures (28 800 secondes): il faut 2,18 kW

Pour réaliser cette opération en 2 heures, il faudrait 4 fois plus de puissance : 8,8 kW !

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Différentes formes d’énergie dans le monde

Définition : énergie primaire

Constituée de toutes les sources énergétiques non transformées disponibles dans la nature,

Elles se subdivisent en énergies épuisables et énergies renouvelables

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LE FEU à partir du bois ou d’huile : il a servi à presque tout.

LA FORCE ANIMALE (bœufs, chevaux, chiens...)

L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...)

LE VENT (pompes, moulins...)

Les sources primitives d’énergie

Toutes des énergies renouvelables !

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COMBUSTIBLES FOSSILEScharbon, pétrole, gaz naturel

Les sources « modernes » du 20ème siecleet les vecteurs

FISSION ATOMIQUE (uranium)

Vecteur moderne de l’énergie : ÉLECTRICITÉ

« Énergies primaires »

Et peut-être bientôt : HYDROGENE

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ÉnergieprimaireCharbonPétroleGaz naturelNucléaire (uranium)

Primaire renouvelable

HydrauliqueEoliennebois et déchet de boisBiomassebiogazdéchets urbainsGéothermieSolaire thermiquePhotovoltaïque

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Définition : énergie secondaireC’est l’énergie après transformation de l’énergie primaire

Stade des conversions et du transport de l’énergie, éventuellement de son stockage

la production d’électricité est prépondérante à ce niveau

mais aussi le raffinage du pétrole, la production de vapeur industrielle et la production d’hydrogène, (appelé à devenir un vecteur énergétique majeur)

Le rapport de l’une sur l’autre est le rendement de la transformation

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Énergies secondaires

ElectricitéProduits pétroliersVapeurHydrogène (à l’avenir)

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14

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Notions de conversion d’énergieet de rendement énergétique

L’énergie ne se perd pas, elle se transforme ou se convertit

Lors d’une conversion, une partie de l’énergie est «dissipée» en chaleur

chaleur

Énergie mécanique

Carburant

Moteur à explosion

Exemple : moteur thermique à explosion pour la propulsion d’une voiture

Transmissionmécanique

Pertes par frottements chaleur

Énergie mécaniquetransmise aux roues

fournie

utile

WW

=ηRendement

Chaleur !

utileWfournieW

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Électron-Volt = 1,6.10-19 Joule

Calorie = 4,18 Joule

KiloWatt-Heure = 3,6 MJoule

TEP : tonne équivalent pétrole = 42 GJoule= 11,7 MWh

1 MWh = 0,0857 tep

Unités d’énergie :

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1 tonne charbon (tec) = 0,697 tep

1 000 m3 gaz naturel = 0,857 tep

1 tonne gaz liquide = 1,096 tep

1 tonne uranium naturel = 10 000 tep

Équivalence énergétique des combustibles fossiles

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1 000 kWh électricité primaire hydraulique= 0,0857 tep (valeur énergétique directe)

1 000 kWh électricité primaire nucléaire= 1 MWh = 0,222 tep

(quantité de pétrole pour produire 1 MWh d’électricitédans une centrale moderne. Avec un rendement de

0,385 , on obtient 1 MWh = 0,222 tep)

Équivalence énergétique des combustibles fossiles

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D’où vient l’énergie ?La majeure partie vient du solaire : réactions thermonucléaires

Gravitation

Radioactivité terrestre

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«« EpuisablesEpuisables »»

rrééserves exploitablesserves exploitables durées au rythme actuel de consommation

FOSSILESPétrole : 2.1015 kWh soit 40 à 50 ans Charbon : 8.1015 kWh soit 220 ans Gaz naturel : 1,2.1015 kWh soit 60 ans

NUCLÉAIREFission (U 235): 600.1012 kWh soit 50 à 60 ansSurgénérateurs (U238): 80.1015 kWh

Fusion (deutérium et tritium): 80.1015 à 1021 kWh quasi-inépuisablemais encore très incertain (pas avant 100 ans)…

Ressources énergétiques non renouvelables LIMITEES

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noyaunoyau

terreterre

300 1012 kWh

Ressources énergétiques renouvelables de la planète terre (chiffres annuels)

sole

ilso

leil 1600 1015 kWh

30%directement

ré-émis dans l’espace

lunelune

25 1012 kWh

marées

45%transformés en chaleuret directement rayonnés

25%convertis en

surface etdans l’atmosphère

- cycles hydrologiques(88%) 350 1015 kWh- vents, houle(8%) 32 1015 kWh- photosynthèse(0,24%) 1015 kWh

Réf. : activités humaines : 140.1012 kWh

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Le soleil :Rayon : 696 000 km (terre 6400 km)

Masse : 2 1030 kg

Température de surface : 5780 K

Température interne : 16 millions K

71% H , 27% He et 2% autres

Age : 4,55 milliards d’années (reste à peu près autant)

Énergie libérée : 0,2 mW/kg soit 10 000 fois moins que le métabolisme humain

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Le charbonLe charbon s’est formé à partir du carbonifère (-350 millions d’année) à partir de végétaux engloutis sous les mers. Le plus riche : anthracite, puis houille, lignite, tourbe, …

1 000 ans avant J.C. les chinois utilisaient le charbon pour cuire la porcelaine

Au 12ème siècle, le bois est cher mais le charbon est peu utilisé: il est sale, sent le souffre, attaque les poumons, le rois d’Angleterre l’interdit, la Sorbonne est contre …

Au 17ème, on lève les interdits car le bois se fait rare

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Le pétroleLe pétrole s’est formé à partir du plancton qui, lorsqu’il meurt se dépose au fond de la mer. On le trouve dans des roches poreuses

Connu dans l’antiquité : « huile de pierre »

1859 : premier puit de pétrole (Drake)

Le pétrole représente 38% de la consommation totale (260 Mtep) énergétique en France (principalement les transports)

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Le gazEssentiellement constitué de CH4

Une des énergies les plus intéressante pour produire de l’électricité : avec les centrales à cycle combiné(turbine à combustion + turbine à vapeur) rendement de + de 50%

Le gaz est le combustible qui dégage le moins de C02

par KWh produit (2 fois moins que le charbon)

Entre 1960 et 1997, la consommation française a étémultipliée par 13

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Réserves et production de combustibles fossiles dans le monde

réserves prouvéesfin 1999

(ultimes estimées…)

Production1999

Durée de viestatique

Pétrole 140 Gtep(500 Gtep) 3,2 Gtep 41 ans

Gaz 146 Tm3 = 125 Gtep(500 Gtep) 2 Gtep 62 ans

Charbon, lignite

498 Gtep(3 400 Gtep) 2,1 Gtep 230 ans

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réserves Durée de vie

Pétrole 140 Gtep 41 ans

Gaz 146 Tm3125 Gtep 62 ans

Charbon, lignite 498 Gtep 230 ans

Uranium (réacteur à eau) 80 Gtep

Uranium (en surgénérateur) 8 400 Gtep

Tous les combustibles fossiles

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réserves

Hydrate de méthane + de 1 000 Gtep

Thorium(cycle identique à celui de l’uranium) Considérables …

Hydrogène (fusion) Infinies …

Autres combustibles fossilesnon utilisables aujourd’hui

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Répartition des réservesénergétiques fossiles

en % par 100 millions d’habitants

Amérique du Nord 6,2

Amérique du Sud 0,8

Europe 2,1

Ex-URSS 8,9

Afrique 1,2

Moyen-Orient 12,4

Asie - Océanie 0,8

Valeur moyenne 1,8

31

Réserves de pétrole

0 5 10 15 20 25 30 35 40

ARABIE SEOUDITE

IRAK

KOWEIT

IRAN

ABOU DHABI

VENEZUELAEX URSS

MEXIQUE

USA

CHINE

LYBIE

en Gtep

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Réserves de charbon

0 50 100 150 200 250 300

EX URSS

USA

CHINE

AUSTRALIE

ALEMAGNE

INDE

AFRIQUE DU SUD

POLOGNE

en Gtep

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Réserves de gaz

0 10 20 30 40 50 60

EX URSS

IRAN

ABOU DHABI

ARABIE SEOUDITE

USA

ALGERIE

VENEZUELA

NORVEGE

MEXIQUE

PAYS BAS

en Gtep

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35

Evolution des sources d’énergie

< 19ème siècleBois, hydraulique, éolien, traction animale, …

19ème siècleCharbon, machine à vapeur, …

20ème sièclePétrole, gaz, nucléaire, …

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pétrole 34%

hydraulique 7%

biom asse 12%

nucléaire 6,5%

gaz naturel 18,5%

charbon 22%

Répartitionde la consommation mondiale ≅ 140.1012 kWh ou 12 Gtep (par an)

Fossiles : 3/4

Renouvelables : 19%

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Répartition par secteursde la consommation mondiale

Production d'électricité 30%

Résidences et bureaux 27%

Industrie 26% Transports 17%

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Quelques ordres de grandeur1 Tep 10 MWh (primaire)

Mais 5 MWh électrique (secondaire) , rendement

1 centrale 1000 MWConsommation 200 tonnes (Tep) à l’heure

Production électrique en France 100 MTep par an = 108 Tep par an

365 jours x 24 heures = 8 760104 Tep / heure 5 104 MWh /heure Soit 50 GW 24h sur 24 en moyenne

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Photovoltaïque 100 kilomètres carrés (rendement : 10%, éclairement moyen 100 W/m²)

Éolien 5 600 éoliennes (disponibilité de 30 %, Mer du Nord)

Charbon 2 600 000 tonnes

Pétrole 1 800 000 tonnes

fission nucléaire 25 tonnes d’uranium enrichi à 4 %(150 tonnes d’uranium naturel)

fusion thermonucléaire 100 kg de deutérium et 150 kg de tritium

Pour produire 1 000 mégawattsélectriques pendant un an, il faut :

(France, 60 fois en moyenne 24h/24h x365)

40

Évolution de la consommationmondiale d'énergie

depuis 1850

projections jusqu’en 2100(trois scénarios hors énergies nouvelles)

En insert, évolution de la population mondiale

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Croissance de la population humaine,

corrélation à la Consommation énergétique

?

1 million

10 millions

100 millions

1 milliard

10 milliards

- 100 000 - 10 000 - 1 000 1 000 10 000

1840

annéean 1

habitants2000

2050-2100

10 000 000 GW

an 1

1 GW

10 GW

100 GW

1000 GW

10 000 GW

- 100 000 - 10 000 - 1 000 1 000 10 000année

1840

100 000 GW

1000 000 GW

Puissance moyennerayonnée par le soleil

2000 ?

1 : 8000 1 : 1000 ?

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43

Réserves et production de combustiblesfossiles dans le monde (rappel)

réserves prouvéesfin 1999

Production1999

Durée de viestatique

Pétrole 140 Gtep 3,2 Gtep 41 ans

Gaz 146 Tm3 = 125 Gtep 2 Gtep 62 ans

Charbon, lignite 498 Gtep 2,1 Gtep 230 ans

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45

100

200

300

400

01900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

biomasse

charbonpétrole

10 kW.h12

gaz naturel

hydrauliquenucléaire

éolienne

SOURCES

biomasse cultivée

solaire

géothermie océans

La croissance de la consommation et les sources envisagées…

vue par un pétrolier (Shell) !

reno

uvel

able

sno

n re

nouv

elab

les

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Consommation mondiale d'énergie

47

48






49

L’énergie en France

50

Production française d’énergie primaire

En Mtep

51

Production d’énergie primaire en Europe

52

Répartition de production d’énergie primaire en Europe

53

Consommation française d’énergie primairecorrigée du climat (Mtep)

54

Structure de la consommation d’énergie primaire en Europe

Total > à 100% en France en raison des exportation d’électricité

55

Consommation française d’énergie primairepar secteur (Mtep)

56

La production d’électricité en France

57

Production d’électricité en Europe

58

Production d’électricité nucléaire dans l’OCDE

59

Les emplois dans le secteur de l’énergie

60

Investissements, secteur de l’énergie

61

Production brute d’électricité

62

Production thermique par type de combustible

63

Sites nucléaires au 01/012001

64

Echange d’électricité avec l’étranger (TWh)

65

Rappel de quelques ordres de grandeur

66

Le cours de l’uranium :également instable

Les cours des matières premières énergétiques fluctuent et affectent économie et stabilité politique…

Et le prix du gaz naturel est indexésur celui du pétrole…

Le baril de pétrole brut : la référence67 $ fin août 2005

Annonce de l’entrée de la Chine et de l’Inde dans les consommateurs d’uranium… + 50% en 2004

Coût de référence EPR

Sept 2006Prix au comptant de 50 $

67






Les différents types de centrales

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Consommation d’énergie primaire pour la production d’électricité

nucléaire 17%

hydraulique 19%

géothermie éolienne et autres 2%

thermique "fossile" 62%

Autre avantage de l’hydroélectricité : stockage aisé de l’énergie

Situation mondiale

70






Les différents types de centrales

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LES CENTRALES THERMIQUES

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à suivre …Rejets gazeux dus à la combustion des produits carbonés

Pour produire 1 kWh électriquesoit 20 litres d’eau chaude (+40°C)

- charbon classique : 1 kg de CO2- gaz cycle combiné : 0,3 kg de CO2

Pour parcourir 10 km en voiture : 2 kg de CO2

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Les « nouvelles »sources renouvelables d’électricité

Remarque : annuellement en Europe1 MW éolien donnent environ 2,4 GWh1 MW solaire environ 1,2 GWh1 MW nucléaire environ 7 GWh

Eoliennes : déjà plus de 50 000 MWcroissance de 30 % par an0,6% de la production mondiale d’électricité

140 000 MW prévus en 2010(2,5% de la production mondiale d’électricité) offshore

Photovoltaïque : environ 4000 MW installéscroissance de 30 à 40% par an

Encore marginal (0,02%)mais très prometteur au-delà de 2050

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Directive européenne sur la part des énergies renouvelables

au niveau primaire : de 6 à 12%en électricité finale : de 14 à 22%

(1990 à 2010)

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LES CENTRALES NUCLEAIRES

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HISTORIQUEen 1951 aux Etats-Unis un petit réacteur expérimentalproduit de l'électricitéannées 60, premières centrales commerciales (Royaume-Uni, Union Soviétique, Etats-Unis, France)centrales nucléaires dans 32 pays , 17% de l'électricité produite dans le monde : Lituanie (85,8%), France (77%), Belgique (54,8%), Suède (50%), Bulgarie (47,5%), Slovaquie (54%), Ukraine (44%), Suisse (43%), Hongrie (41%)Au total, dans 18 pays, l'énergie nucléaire couvrait

plus du quart des besoins en électricité.

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Etat des lieux en Franceen 1973 premier choc pétolierla facture pétrolière passe de 14,4 milliards de francs à plus de 134 milliards de francs58 réacteurs à eau pressurisée (REP ou PWR) :

- 34 tranches de 900 MW- 20 tranches de 1 300 MW- 4 tranches de 1 450 MW + EPR +EPR

aujourd’hui, couvre plus des trois-quarts de besoins en électricité

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Le combustibleL'uranium, à l'état naturel ou légèrement enrichi par son isotope 235Le plutonium (fission transformations de l'uranium), peut être défini comme un combustible nucléaire)exploitation minière « complexe» car poussières et radon (gaz radioactif)réserves françaises importantes (Forez, Vendée, Limousin, Hérault)la Cogéma est parfois l'opérateur de certaines mines d'uranium à l'étranger (Canada, Gabon, Niger)

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Le traitement du mineraiLa teneur en uranium des minerais est faible (1 à 5 kg par tonne)Opérations physiques et chimiques pour obtenir un concentré, poudre jaune appelée "yellow cake" dont la teneur en uranium est d'environ 75 %différentes opérations chimiques pour avoir un oxyde d'uranium pur, puis réaction à l'acide fluorhydrique de manière à obtenir du tétrafluorure d'uranium (UF4). Préparation de l'uranium métal (réacteurs des filières à uranium naturel) ou de l'hexafluorure d'uranium (UF6) destiné à l'enrichissement

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L'enrichissement de l'uraniumDans l'uranium naturel, deux isotopes :

l'uranium 238 (99,3% ) et l'uranium 235 (0,7% )Seul l'uranium 235 est fissileLa plupart réacteurs nucléaires fonctionne avec une proportion d'uranium 235 de 3 % à 4 % Enrichissement par :

- diffusion gazeuse de UF6 à travers de fines membranes, la molécule d'uranium 235 est plus légère et plus rapide- ultracentrifugation

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La fabrication des combustiblesTransformation de l'hexafluorure d'uranium en oxyde d'uranium, conditionné en pastilles cylindriquesEmpilage des pastilles dans des tubes métalliques appelés crayons à leur tour réunis et maintenus àl'aide de grilles pour former des assemblagesDans un réacteur de 900 MW : 157 assemblages de 264 crayons, 80 tonnes d’uranium, 11 millions de pastilles chacune équivalente à 2,5 tonnes de charbon).Dans les réacteurs à eau ordinaire, autre type de combustibles "MOX" (mélange oxyde) formés d'un mélange d'uranium appauvri et de plutonium.

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réaction en chaîneSous l'impact d'un neutron, la fission d'un noyau d'uranium dégage de l'énergie et produit 2 ou 3 autres neutronsCertains d'entre eux seront perdus ou absorbés dans la matière ; d'autres pourront rencontrer des noyaux d'uranium et causer à leur tour de nouvelles fissionsDes neutrons seront encore produits et ainsi de suite. Cette réaction en chaîne a lieu dans le cœur du réacteurElle y est entretenue et stabilisée grâce à un réglage fin du nombre de neutrons absorbés

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La fission

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réaction en chaîne

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fonctionnement d une centrale nucléaire

Réaction en chaîne controlée en descendant ou en remontant dans le réacteur des barres de capables d'absorber les neutrons en excès dans le réacteurDans le circuit primaire , l'eau s'échauffe dans la cuve au contact des assemblages de combustibleCette eau chauffe l'eau du circuit secondaire qui est transformée en vapeur Cette vapeur sous pression fait tourner la turbine qui entraîne l'alternateur produisant l'électricitéRefroidissement dans le condenseur de l'eau du circuit secondaire (rivière, mer, tours de réfrigération)

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Principe de fonctionnement

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Quelques chiffres, centrale 1450 MW Cuve du réacteur : cylindre en acier, épaisseur 23 cm, hauteur 14 m, diamètre 5 m, plus de 400 tonnes 4 pompes pour le circuit de refroidissement primaire, chacune hauteur 8,5 m, 116 tonnes, 24 500 m3/heure (la seine 110 000 m3/heure …), 10 MW330°C en sortie de réacteur, 290 en entrée,155 barspressuriseur : épaisseur 13 cm, hauteur 14 m, 120 t4 générateurs de vapeur, hauteur 22 m, diamètre 5 m, 420 tonnes Bâtiment en béton double enceinte du réacteur : hauteur 63 m, diamètre 51 m, épaisseur 55 cm pour l’externe, 120 cm pour l’interne

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centrale 1450 MW, suite Turbine, longueur 51 m, largeur 13 m, 2800 tonnessécheur-surchauffeur (fois 2), longueur 25 m,

diamètre 5 m, 370 tonnes, 190°C , 10 barsCondenseur :

longueur 37 m, largeur 22 m, hauteur 16 m, 1900 tonnes à vide,eau de refroidissement 48 m3/s alternateur :

longueur 18 m, diamètre rotor 2 m,stator 4 m, masse rotor 230 tonnes , stator 500 tonnes , tension 20 kV , courant 50 kA , 1500 tr/min alternateur transformateur : longueur 11 m, largeur 6 m, hauteur 9 m , 840 tonnes

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centrale 1450 MW, autres …Piscine du bâtiment combustible, longueur 13 m, largeur 8 m, hauteur 14 m

Salle de commande

Bâtiment du groupe électrogène 7,5 MW

Bâtiment de traitement des effluents, de stockage …

Tours de réfrigération ,diamètre 136 m, hauteur 172 m

Documents

Généralités Perspectives françaises et mondiales€¦ · il faudrait 4 fois plus de puissance : 8,8 kW ! 7 Différentes formes ... Transmission mécanique Pertes par frottements