Sève Bio - FranceUne synergie

Soleil + Eau + Vent + Bio

Une approche symbiotique pour gérer la problématique de l’intermittence

Un mix électrique biomimétique et 100% renouvelable pour la France

Par Olivier DaniéloVersion 2 – 31 mars 2011

Résumé du diaporama:

Un mix électrique symbiotique composé de:

160 GW d’ éolien, 70 GW de solaire, 50 GW de gaz naturel (remplacé ensuite par biogaz et biomasse gazéifiée) et 14 GW de pompage-turbinage

permet de passer au 100% énergies renouvelables en France.

On obtient ainsi une électricité 60% éolienne, 15% solaire et 25% gaz naturel

Bien entendu, l’efficacité et la sobriété énergétique ont un grand potentiel pour réduire la demande et donc les puissances à installer.

Production électrique en France Année 2010

1,7%

74,1%

12,3%

10,8%

0,1%

0,8%

84,9%

15,1%

Source : RTE

2010Production : 550,3 TWhExportations nettes : 29,5 TWhProduction - exportations nettes = 520.8 TWhConsommation intérieure: 513 TWh

Consommation

ANIMATION: http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf

Cliquer sur "animation starten" pour lancer l'animation. Il est possible de cliquer sur les différents boutons pour paramètrer l'animation (choix du mois de l'année etc.)."Solar energie" signifie énergie solaire,"wind energie" signifie énergie éolienne,"biogas énergie" signifie électricité provenant du biogaz, "speicher energie" signifie centrales de pompage-turbinage.La courbe rouge, c'est la puissance appelée par les consommateurs.Les parties violettes correspondent aux importations/exportations d'électricité Explications (en anglais) http://www.kombikraftwerk.de/index.php?id=27

Le 100% énergies renouvelables ? Une animation pour comprendre comment ça marche

Expérimentation KombiKraftWerk, sur la base des données météo réelles et sur la base du fonctionnement d’un réseau de centrales solaires, éoliennes, biogaz ou STEP qui existent réellement en Allemagne :

Une étude approfondie du même type mais avec les données météo françaises serait très souhaitable. La France a en effet un meilleur gisement solaire que l’Allemagne et également un meilleur gisement éolien.

http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf

Eolien(CF 24%)

Solaire(CF 13%)

(Bio) gaz(CF 31%)

Pompage-Turbinage

Import/Export

Puissance(GW)

159.3 68.4 50.2 13.4 - -

ElectricitéTWh/an

335.0 78.7 136.4 - 8 7.9 550

% 60.9 14.3 24.8 - - 100.0

Extrapolation de ce système symbiotique pour la France:

Expérimentation KombiKraftWerk, Allemagne:

Caractéristiques de la STEP retenue dans ce modèle: 1 millième de la STEP de Goldisthal (1060 MW, 8 heures d’autonomie; 8,5 GWh)

Eolien - Installer 160 GW (avec CF moyen de 24%) en France, est-ce possible ?Classiquement, ce sont 10 MW d’éolien que l’on peut installer par kilomètre carré. Pour installer 160 GW, il faut donc 16000 km2, c’est-à-dire 2.9% de la surface de la France métropolitaine. Il s’agit de la surface totale, y compris les espaces entre les éoliennes qui peuvent être utilisé pour les activités agricoles.

Solaire - Installer 68 GW en France, est-ce possible ?Le gisement solaire est d’environ 1300 kWh par mètre-carré et par an en France (davantage dans le sud de la France). Avec un rendement de conversion de 10%, chaque kilomètre-carré permet de produire 130 GWh par an. Pour produire 78,7 TWh, il faut donc une surface de 605 km2, c’est-à-dire environ 1 millième de la surface française.

(Bio) Gaz et Biomasse –Produire 136,4 TWh par an, est-ce possible ? En 2010, la France a produit en 2010 30 TWh à partir du gaz naturel et 4,8 TWh à partir de la biomasse. Soit un total de 34,8 TWh. Il est possible de multiplier par 4 cette production. Les centrales à gaz naturel (méthane) pourront être remplacé ensuite progressivement par des centrales électriques à hydrogène (biomasse gazéifiée et dihydrogène obtenu par l’électrolyse de l’eau).

Pompage-turbinage – Est-il possible d’avoir une puissance de 13 GW ?La France possède aujourd’hui une capacité STEP de 5 GW. Il reste donc à installer 8 GW, avec une autonomie de 8 heures (base de l’étude KombiKraftWerk), c’est-à-dire 64 GWh. C’est possible en recourant à des STEP de type Okinawa. Les bassins proposés par François Lempérière en Haute Normandie sont situés à 100 mètres au dessus du niveau de la mer et stockent 10 GWh par km2 (pertes liés au turbinage et au pompage inclus). Pour stocker 64 GWh, il faut donc moins de 7 km2.

Une masse (m) d’1 kg d’eau stockée à une hauteur (h) d’1 m du sol a une énergie potentielle (Ep = m.g.h) de 9,81 joules, c’est-à-dire de 2,73 10-6 kWh (1 kWh = 3,6 MJ). Autrement dit pour stocker 1 kWh, il faut 1 000 kg d’eau à 366 mètres d’altitude. Mais le rendement du turbinage étant d’envi ron 90 %, il est nécessaire de stocker. 1 tonne d’eau à environ 400 mètres pour obtenir un kilowattheure électrique en sortie de STEP.

1 km3 d’eau (10 kilomètre x 1kilomètre x 100 mètres) perché à 400 mètres permet d’obtenir 1000 GWh électrique en sortie de STEP. C’est 100 GW pendant 10 heures, ou 50 GW pendant 20 heures. La puissance moyenne appelée en France est de 60 GW.

Projets de STEP marines « avec bassin supérieur à terre » dans le nord de la France

Missouri, USA

Belgique

Allemagne

Avec 200 GW installés (5 GW en France) et 100 GW en cours d’installation, les STEP représentent aujourd’hui 99% des capacités de stockage électrique dans le monde.

Michigan

Projets de STEP marines « avec bassin supérieur à terre » dans le nord de la France

STEP à eau de mer d’Okinawa, Japon

Michigan, USA

“The last Big conventional pumped storage system built in Germany has a capacity of roughly 1 GW and was built for roughly 0.5 G€/ GW with an 5h storage and an efficiency of 83%. The existing storage hydropower stations in UCTE 1998 and Nordel have a capacity of 96 GW and a storage volume of 180 TWh or 1875 h.” Dr-Ing Gregor Czisch, expert énergie, université de kassel, Allemagne (Communication personnelle)

http://www.dena.de/fileadmin/user_upload/Download/Dokumente/Publikationen/ESD/Endbericht_PSW_-_Integration_EE_dena.pdf

Le rendement d’un cycle complet de STEP varie entre 77% et 83% (record dont parle Gregor Czisch)

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Projets de STEP marines « avec bassin supérieur à terre » dans le nord de la France

Projets de STEP marines « avec bassin supérieur à terre » dans le nord de la France

« L’étanchéité du fond du bassin sera assurée par la craie en place ; un étanchement complémentaire par géomembrane serait d’un coût assez faible mais ne parait pas nécessaire ».

« C’est possible dans différentes régions, notamment dans le Cotentin et dans le Pas-de-Calais près de centrales nucléaires mais le pays de Caux (Haute-Normandie et Picardie) est particulièrement favorisé par sa position, sa topographie et sa géologie » (François Lempérière)

Source: Hydrocoop.org

Les bassins (plusieurs km² d’eau calme renouvelée fréquemment) pourront être utilisés pour les sports nautiques et l’aquaculture actuellement peu développés dans ces zones.

« Les talus extérieurs des digues seront en pente douce et variable. La récupération de la terre végétale du bassin permettra un mètre de terre végétale sur ces talus extérieurs de digue, facilitant des boisements importants et un aspect naturel. Une route touristique en crête de digue donnera sur plusieurs kilomètres pour chaque bassin une vue sur la mer inexistante actuellement. »

Site de Monneville

Source: http://www.hydrocoop.org/fr/publications/4-_Stockage_d__nergie__lectrique_dans_le_nord_de_la_France__04.2010.pdfFrançois Lempérière. Polytechnicien, président du comité de réduction du coût des barrages du CIGB (comité international des grands barrages) mais également ex-président de la CFGB (comité français des grands barrages), François Lempérière a participé à la construction d’une vingtaine de grands barrages, canaux et endiguements, notamment sur le Rhône, le Rhin, le Nil et le Zambèze, et à la conception d’une dizaine de ces ouvrages. Il est lauréat de l’Académie des sciences à Paris pour l’invention du procédé de hausses fusibles (1997), une solution économique pour optimiser la sé curité des barrages et leur capacité de stockage. Aujourd’hui à la retraite, il préside une association à but non lucratif, Hydrocoop, constituée d’experts hydrauliciens français, américains, russes et chinois, et dont l’objectif est de contribuer à la coopération technique internationale dans le domaine hydroélectrique.

Projets de STEP marines « avec bassin supérieur à terre » dans le nord de la France

TOTAL:220 GWh8 à 20 GW

Les STEP de type Okinawa, combien ça coûte ?

Le coût d’un aménagement comporte essentiellement quatre composantes :

1 - Les digues des bassins: 75 millions d’euros par kilomètre de digue de 50 mètres de hauteur.Volume de béton compact au mètre de digue: 500 m3. Prix du béton: 70€/m3. Soit 35 M€ de béton par kilomètre de digue. Volume de remblais (provenant de l’arasement du bassin et de la fouille de l’usine) au mètre de digue: 3000 m3. Prix du remblais: 6€/m3. Soit 18 M€ de remblais par kilomètre de digueBassin de 10km2 = bassin de 1,8 km de rayon et périmètre de 12 km. D'où 52M€ x 12 = 624 M€ par bassin de 10 km2+ 15% (matériaux divers). + 20% Frais de dossiers, études etc. Soit un total d’environ 1 G€ par bassin de 100 GWh (10 km2). Références: Hydrocoop.org

2 - Les usines (pompes, turbines, canalisations...): coût global de 0,6€/W (coût fixe). Si bassin 100 GWh et puissance choisie de 2 GW (48 heures), coût de 1,2 G€ pour bassin de 100 GWh. Si bassin 100 GWh et puissance choisie de 4 GW (24 heures), coût de 2,4 G€ pour bassin de 100 GWh. Si bassin 100 GWh et puissance choisie de 12 GW GW (8 heures), coût de 4,8 G€ pour bassin de 100 GWh.

3 – Géomembranes d’étanchéité (pour éviter les infiltrations de sel). Environ 15€/m2. Pour bassin de 10 km2 (100 GWh): 150 millions d’euros.

4 – Achat du terrain. Terres agricoles. Hypothèse de 10€/m2. Pour bassin de 10 km2 (100 GWh): 100 millions d’euros.

Total hypothèse 48H: 1 G€ + 1.2 G€ + 0,15 G€ + 0,10 € = 2.45 G€ pour 2 GW, soit environ 1,23 € / WTotal hypothèse 24H: 1 G€ + 2.4 G€ + 0,15 G€ + 0,10 € = 4.65 G€ pour 4 GW, soit environ 1,16 € / W Total hypothèse 8H: 1 G€ + 4,8 G€ + 0,15 G€ + 0,10 € = 6.05 G€ pour 12 GW, soit environ 0,5 € / W

Projets de STEP marines « avec bassin supérieur à terre » dans le nord de la France

Eolien Solaire Gaz naturel Pompage-TurbinageOkinawa, 8 heures

Puissance (GW) 159.3 68.4 50.2 13.4

Coût du watt installé 1,5* 3** 0.5 0,5***

Montant de l’investissement

225 205 25.1 6.7

Coût de l’investissement pour mettre en place un KombiKraftWerk français produisant 550 TWh par an (62 GW pendant 8760 heures) ?

Total: 462 G€

Même si son coût va baisser dans les années à venir, le solaire compte pour presque la moitié de cet investissement, mais ne contribue qu’à 14,3% de la production. En attendant que les coûts du solaire baisse, il est possible d’utiliser le même système, mais avec peu ou pas de solaire, en le remplaçant par le gaz, sans avoir à construire de nouvelles centrales à gaz. Le coût de l’investissement s’élève alors à 257 G€ (scénario B). La part du gaz dans l’électricité produite passe alors de 24.8 à 39,1%. Une augmentation des capacités éoliennes et de pompage-turbinage, ainsi qu’une amélioration de l’interconnexion des réseaux électriques à l’échelle européenne permettrait alors de réduire la consommation de gaz. A noter qu’en 2010 la France a produit 68 TWh d’hydroélectricité. Le KombikraftWerk mentionné ici, qui permet de produire 550 TWh est donc surdimensionné de 68 TWh. De plus, il existe d’autres énergies renouvelables non prises en compte par le KombiKraftWerk: marémotrice (potentiel de 100 TWh par an en France selon Hydrocoop, coût du kWh de l’ordre de 5 centimes), géothermie profonde, thalasso-énergies etc. La durée de vie d’une STEP est supérieure au siècle, celle d’une éolienne d’environ 30 ans (Jacobson 2009). Scénario A (60% éolien + 14,3% solaire + 24,8% gaz) : 462G€ sur 30 ans, c’est 15,4G€ par an, autrement dit 19.7 euros par mois et par français.Scénario B (60% éolien, 40% gaz): 257G€ sur 30 ans, c’est 8,6G€ par an, autrement dit 11 euros par mois et par français.* « Global turbine contracts signed in late 2010 for delivery in H1 2011 and H2 2011 display very aggressive pricing, with average values at €0.98m/MW ($1.33m/MW). This is a 7% decrease compared to contracts signed in 2009 (€1.06m/MW) and 19% down from peak values in 2007-08 (€1.21m/MW).” http://bnef.com/PressReleases/view/139+ 50% pour l’installation, soit un total de 1,5€/W (éolien onshore)** 3 €/W *** 0,5 €/W pour STEP de type Okinawa et 8 heures (Voir diapo n°13)**** EPR Flamanville (1600 GW) : 5,5 G€ ; EPR Finlande: 6 G€; Soit un coût moyen de 3.4 €/W, c’est à dire de 210 G€ pour 62 GW (sans prendre en compte le coût du démantelement et de gestion des déchets sur des milliers d’années).

Hydroélectricité

Marémotrice Géothermie profonde

Eolien Solaire Autres énergies renouvelables

(thalasso-énergies etc.)

Biogaz (et

Biomasse)

PompageTurbinage

Exportations nettes

Total

TWh 70 50 10 340 10 1 40 - 20 + 20 520

% 13.4% 9.6% 1.9% 65.4% 1.9% 0,2% 7.7% - - 100%

Un autre mix électrique possible, avec une base hydro + marémotrice + géothermie totalisant 130 TWh, et une régulation des énergies intermittentes (éolien et solaire totalisant 350 TWh) par pompage-turbinage et biogaz (40 TWh)

Energies bon marché

20% de progrès au niveau efficacité énergétique permettrait de réduire d’autant la demande

IntermittentesBase Régulation

10 lacs reliés entre eux, tous perchés à 100 mètres au dessus du niveau de la mer et installés sur des terres agricoles. Chaque km2 correspond à une capacité de stockage de 10 GWh. Chaque lac a une surface de 10km2.Les 10 lacs permettent de stocker 1000 GWh et de fournir une puissance de 20 GW pendant 48 heures, de 40 GW pendant 24 heures, ou de 120 GW pendant 8 heures. La France pourrait faire fructifier ces capacités de stockage en assistant les parcs éoliens de ses voisins européens (Grande-Bretagne, Belgique, Pays-Bas etc.)

Penly

PENLY: et si on y construisait une centrale hydroélectrique à eau de mer plutôt qu'une centrale nucléaire EPR ?

Dieppe

La France consomme environ 1,5 TWh par jour (puissance moyenne de 60 GW).1,5 TWh (une journée d’autonomie), cela correspond à 1 km3 d’eau perchée à 600 mètres, ou 6 km3 perchés à 100 mètres au dessus du niveau de la mer. 6 kilomètres-cubes, c’est un bassin de 20 km de long, de 6 km de large, et de 50 mètres de profondeur.

Avec une capacité de stockage de 2 jours d’autonomie, sur la base d’études allemandes et espagnoles, on peut produire entre 80 et 90% de l’électricité annuelle avec l’éolien.

Il est bien entendu possible (et souhaitable sur le plan de l’équilibre du réseau électrique) de décomposer ce bassin en plusieurs unités réparties sur le littoral de la Manche, de l’Atlantique et de la Méditerranée. Une autre option consiste à établir un partenariat avec la Norvège dont le potentiel STEP est considérable, et de relier les deux pays par câble HVDC (3% de perte pour 1000 km de transfert). Les Pays-Bas et le Danemark sont reliés à la Norvège de cette manière. A noter que:- la France dispose de trois régimes de vent, ce qui est intéressant sur le plan statistique: il peut y avoir du vent dans le sud, et pas au nord et à l’ouest, etc.- l’interconnexion des réseaux électriques français, espagnols, allemands, hollandais, anglais et norvégiens permet d’obtenir une capacité de stockage virtuel.- 1 million de batteries de voitures électriques connectées au réseau électrique, c’est une capacité de stockage de 24 GWh

Volume de lacs, à titre comparatif : Lac Léman : 89 km3 - Lac du Bourget : 3,6 km3 - Lac de Serre-Ponçon: 1,2 km3. Lac Annecy : 1,1 km3 - Lac de Sainte-Croix : 0,7 km3 - Lac de Vouglans : 0,6 km3. Le plus grand lac artificiel du monde est le lac Gatún à Panamá: 5,2 km3, situé à 26 mètres au dessus du niveau de la mer.

20 000 km2

20 000 km2 sur la mer

Gisement éolien

20 000 km2 = 200 GW éolien (10 MW/km2)

200 GW x 8760 heures x 0,40

= 700 TWh par an(CF de 40% en offshore)

Consommation électrique française : 450 TWh

Bathymétrie

Foie

Glucose sanguin

Glycogène

+ Graisses: stockage longue durée; énergie d’appoint en cas de pénurie alimentaire

Vers un mix électrique biomimétique ?Le corps humain lui même est redondant d’un point de vue énergétique.

Pancréas régulateur

SmartGridrégulatrice

Stockage temporaire(glycogenogénèse)

Electricité éolienne ou solaire

STEP à eau de mer

Energie gravitaire

Physiologie énergétiqueRégulation de la glycémie

Vent + Eau + (Bio)Gaz :Un mix électrique biomimétique

+ Bio-électricité (bois-énergie et biogaz): stockage longue durée; énergie d’appoint en

cas de pénurie en vent ou en soleil

Stockage temporaire(pompage)

Déstockage(glycogénèse)

Déstockage(turbinage)