Introduction

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Cours énergie

introduction

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Plan

Les enjeux•Changements climatiques•Effet de serre et GES

•Disponibilité•Production vs consommation

Formes d’énergie•Énergie vs puissance•Mécanique•Cinétique•Potentielle

•Électrique•Chimique•Nucléaire•Thermique

Sources d’énergie•Non-renouvelable•Carburants fossiles

•Renouvelables•Solaire• Actif• Passif

•Éolien•Hydro•Nucléaire

Consommation•Résidentiel•Commercial / Industriel•Transport

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Les enjeux > Changements Climatiques

IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report (Valencia, Spain, 12-17 November 2007)

Changements mesurés en (a) température globale de surface: (b) niveau des océans global moyen de gauge des marées (bleu) et satellite (rouge) ; et (c) Couverture de neige dans l’hémisphère nord de mars à avril.

Toutes les différences sont relatives aux moyennes correspondantes pour la période 1961 – 1990. Les courbes lissées représentent des moyennes sur 10 ans et les cercles des valeurs annuelles. Les zones ombrées sont des intervalles d’incertitude estimés à partir de l’analyse d’incertitudes connues (pour a et b) et de la série temporelle (pour c)

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Les enjeux > Changements Climatiques

United Nations Environment ProgramSRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))

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Les enjeux > Changements Climatiques > GES >CO2

IEA World Energy Outlook ( www.worldenergyoutlook.org )

http://www.worldenergyoutlook.org/

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Les enjeux > DisponibilitéEJ ( 278 TWhr)

(1018 joules)

Duration(years)

World annual energy consumption (2007)

~4601,a 1

Resource

Coal 22,9002 50b

Oil 6,3002 14b

Natural gas 5,4002 12b

Uranium 235 (fission reactors) 2,0002 5

Uranium 238 and thorium (breeder reactors)

120,0002 300

Lithium (D-T fusion reactor)

Land 30,000

Oceans 30,000,000

1 Consortium Fusion Expo Europe 2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ )

a forecast for 2050 are between 500 and 800 EJb X 10 including « non-conventional » sources

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Les enjeux > Disponibilité > « Peak oil »

Association for the Study of Peak Oil and Gas (ASPO) http://www.peakoil.net/

Le taux de décroissance après le « pic » dépend du prix ?

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Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI > Toutes sources

SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009

EI = Énergie investie (Energy Invested ) incluant l’énergie requise pour la mise en œuvre

ER = Énergie produite (Energy Return) durant la vie de l’installation

Le rapport est le « rendement », EROEI

EROEI = 10 seuil de rentabilité selon certains auteurs

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Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI > Sources liquides


Variabilité dans le rendement

Rendements inférieurs à 10 (seuil de viabilité) sauf pour le pétrole

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Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI


Rendement diminue

Rendement faible

Rendement de 10 minimum

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Les enjeux > Disponibilité > Production > Monde


Sources fossiles dominent

Importance de la capture et de la séquestration du carbone ?

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Les enjeux > Disponibilité > Production (électricité) > Europe

Le potentiel des énergies solaires au Québec, Diane Bastien et Andreas Athienitis, Université Concordia, Publié par Greenpeace Canada, Septembre 2011.

CPG1998=360.5CPG2008=387.9Total1998=1114Total2008=638.1

CPG1998=86.9CPG2008=189.6Total1998=195.4Total2008=313.5



42.7 TWh en 2010. PV Status Report 2011, European Commission, Joint Research Centre, Institute for Energy, EUR 24807 ENhttp://re.jrc.ec.europa.eu/refsys/

Portes Ouvertes

Les enjeux > Disponibilité > Production > US

28/01/2010 1313

(Left) U.S. electricity net generation by all fuels, and (Right) contribution of biomass, wind, geothermal, and solar technologies to the non-hydro renewables wedge .Proceedings of the IPCC SCOPING MEETING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES, Lübeck, Germany, 20 – 25 January, 2008

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Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Monde

462 EJ

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Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec

497 TWh en 2007 ( 1.8 EJ par rapport à 462 EJ dans le monde)

Correspond à 64 MWh/hab = 175 kWh/jr/hab18 MWh/hab moyenne mondiale

Électricité (de source hydro) domine au Québec!

Contribution de Régis Chenitz

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Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec

Consommation en MWh pour chaque secteur en fonction des sources

En 2007 :électricité (40%),pétrole (38%) gaz (13%) TOTAL 91% le reste est le charbon (p14)

Contribution de Régis Chenitz

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Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec vs Monde

Fraction en % Monde (p13)

Québec (p14)

Charbon 29.2 8Hydro + Nucléaire 11.75 40 (électricité)Gaz naturel 23.6 13

Pétrole 35.4 38

«Si le gaz naturel remplace le charbon, c’est une bonne nouvelle car il produit moins d’émissions de CO2. Mais attention, il ne doit pas remplacer les sources d’énergie propres qui ne produisent aucune émission», Fatih Birol, directeur du Bureau de l’économiste en chef à l’Agence internationale de l'énergie, 21e Congrès mondial de l’énergie, Montréal, Septembre 2010

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Les enjeux > Disponibilité > Prévision de demande

1 Gtoe = 42 EJ

IEA World Energy Outlookwww.worldenergyoutlook.org La demande énergétique mondiale croit de 45% d’ici à

2030 – une moyenne de 1.6% par an – avec le charbon comptant pour le tiers de l’augmentation globale.

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Formes d’énergie > Énergie vs puissance

L’énergie, c’est l’eau dans la baignoire qui contient, à un instant donné, une certaine quantité d’eau en L.La baignoire se rempli d’eau à une « vitesse » donnée par le débit d’eau du robinet en L/s, c’est l’équivalent de la puissance, qui est la variation dans le temps de la quantité d’énergie. C’est la « vitesse » à laquelle on produit ou consomme l’énergie.L’unité d’énergie est donc le J ou le ou Ws qui se transforme en kWhr. Ou ses multiples kJ (103), MJ (106), GJ(109), TJ (1012), PJ(1015), EJ(1018)L’unité de puissance est le W ou ses multiples kW (103), MW (106), GW(109), TW (1012), PW(1015)

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Formes d’énergie > Conservation

Conservation de l’énergie:Antoine – Laurent de Lavoisier:Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.

Dans le présent contexte (au Québec et ailleurs), mesures de conservation = consommer moins (économies d’énergie)

Moins de pétroleMoins d’électricité

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Formes d’énergie > Mécanique > Cinétique et potentiel

2t

1E = mv

2

2r

1E = Iω

2

Énergie cinétique de l’eau se transforme en électricité Hydroélectricité

Énergie cinétique de l’air se transforme en électricitéÉolienneHydrolienne

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Formes d’énergie > Électrique

De manière simpliste:

P = V I (W)

E = P t (kWh)

Forme « intermédiaire ». Le courant est généré par une source.Stockage

Dans le réservoir (énergie potentielle de l’eau) Dans les batteries

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Formes d’énergie > Chimique

Énergie interne des molécules libérée par les réactions chimiques

CombustionCharbon, pétrole, gaz, charbonbiocarburants

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Formes d’énergie > Thermique

Mesure de l’énergie cinétique des particules dans le système

Fonction de distribution

3E= kT

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Thermodynamique

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Formes d’énergie > Nucléaire > Réaction en chaîne

Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982)

Neutrons engendrent la réaction en chaîne

Mais un grande proportion des neutrons sont perdus:

CaptureFuite

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Formes d’énergie > Nucléaire > Sections efficaces


Fissile: pouvant être fissionnés par des neutrons de toute énergie

Fertile: donne des isotopes fissiles artificiels

0n1 + 92U238 -> 94Pu239 + 2 b-

0n1 + 90Th232 -> 92U233 + 2 b-

b- : n → p + e− + n-e

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Formes d’énergie > Nucléaire > Produits


Soient 100 fissions, si on appelle y(A i) le nombre de produits de fission de nombre de masse Ai correspondant à un type particulier de fission, on constate que les points ainsi obtenus se distribuent sur une courbe en « dos de

chameau » . On aura bien sûr Sy (Ai) = 200 puisqu'on a considéré 100 fissions.

On aura, par exemple:

0n1+ 92U235 -> 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n1

http://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_waste

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Formes d’énergie > Nucléaire > Produits

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/nuclear-energy-and-waste-production/nuclear-energy-and-waste-production-1

Quantité annuelle de combustible irradié produit (Tonnes de métaux lourds)

En France, ~80% de l’électricité est d’origine nucléaire (425 TWh / 540 TWh)http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_France

Au Canada, 15% de l’électricité est d’origine nucléaire

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Sources d’énergie > Renouvelable vs Durable

Trois Niveaux:1. Quand c’est consommé, il n’y en a plus et on ne peut plus en faire d’autre

1. Carburants fossiles (Charbon, pétrole, gaz naturel, …)2. Quand c’est consommé, on peut en faire d’autre ( RENOUVELABLE)

1. Bio-énergie ( bois, maïs, …)La compétition avec les sources de nourriture est un problème!Faire du pétrole à partir du charbon ne compte pas !

3. Quand c’est consommé, il en reste toujours d’autre (ou presque) ( DURABLE)1. Solaire, éolien, hydrolien, hydro …2. Nucléaire (fission et fusion)

En fait du type 1 mais disponible sur plusieurs milliers d’années

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Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > PV

L’énergie des photons utilisée directement

Efficacité de quelques % à 30%

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Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > PVDes panneaux pv intégrés sur les toits et façades des bâtiments au canada ont le potentiel de générer une grande quantité d’électricité. en recouvrant une partie des toits et des façades qui ont un bon potentiel solaire des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels existants au canada, une étude a évalué qu’il serait possible de générer 72 tWh par année, soit 29 % de leur consommation d’électricité. À l’échelle du Québec, cette même étude a estimé que les bâtiments résidentiels avaient le potentiel de générer 11 tWh électriques avec du photovoltaïque intégré aux bâtiments, ce qui correspond à 29 % de leur consommation électrique. Les bâtiments commerciaux et institutionnels ont, quant à eux, un potentiel de production électrique annuelle de 3,8 tWh, soit 11 % de leur consommation. en intégrant des panneaux photovoltaïques aux toits et façades dotés d’un bon ensoleillement des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels, c’est 14,8 tWh d’électricité solaire qui peuvent être produits annuellement au Québec, soit 8 % de la consommation électrique de 2008 .

Le potentiel des énergies solaires au Québec, Diane Bastien et Andreas Athienitis, Université Concordia, Publié par Greenpeace Canada, Septembre 2011.

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Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > Thermique

Nevada Solar One

Solar Two Power Tower(Desert du Mojave)

Puissance: 64 MW ( 75 MW max)Énergie: 134 Gw.hre/an ( ~ 1% de la consommation totale ) donc une moyenne de 15.3 MW (24% « efficacité »)

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Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Passif

http://www.your-solar-energy-home.com/Indirect-gain-solar.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_solar_building_design

E=CmT

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Sources d’énergie > Renouvelables > Éolien & Hydrolien

2 21 1ΔE= Δm v = ρAvΔt v

2 2

3cin

ΔE 1W = ρAv

Δt 2

L = v Dt

A

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Sources d’énergie > Renouvelables > Éolien & Hydrolien

rair = 1.3 kg/m3

Vair ~10 m/s

reau = 1000 kg/m3

Veau ~ 1 m/s

.

max cin

16W = W

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Limite de Betzhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Betz

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Sources d’énergie > Renouvelables > Hydro

PourLe plus fiable des renouvelablesCoûts d’opération relativement faible

CONTREGrandeur des réservoirsEffets écologiques

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Sources d’énergie > Renouvelables > Nucléaire

http://www.scarborough.peo.on.ca/events/20090922-wind/

CANDUCANadian Deuterium Uranium

D2O est le modérateur (et caloporteur)

T est généré par capture neutronique (carburant pour la fusion)

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Consommation > Québec

Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

Électricité (99% hydro) dans tous les secteurs sauf les transports.

Essence et diésel (pétrole) seulement dans le transport et agriculture

Pas de charbon!!

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Consommation > Résidentiel


Au Québec

Électricité domine

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Le chauffage ( locaux + eau ) domine la facture ( 76%)

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GJ/m2


Résidences « modernes » plus efficaces

Économies pour l’individu

Économie d’énergie qui diminue la pression de développement et/ou permet les exportations

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Consommation > Commercial / Industriel


Ici aussi, c’est l’électricité qui domine!

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Consommation > Transport


Dominé par l’essence ( pas d’électricité)

La majorité des carburants importés

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Consommation > Transport


Transport routier domine la facture énergétique

Parc québécois de ~ 4,500,000 voitures

Électrification à la portée du réseau actuel

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Consommation > Agriculture

Secteur dominé par les carburants fossiles à 76% du total

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Consommation > Prévisions Qc

Augmentation de ~ 1700 en 2005 à ~ 2000 en 2016 ( ~ 17 % )

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Consommation > PrévisionsEJ

Augmentation de ~350 EJ en 2005 à ~ 530 EJ en 2016 ( ~ 50 % )

Education

Introduction