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1 Energies renouvelables Sophie Carles [email protected]

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Energiesrenouvelables

Sophie [email protected]

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Energie

&

Puissance

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Energie cinétique Energie chimique Energie thermique

Energie mécanique

Energie & Puissance

Energie lumineuse Energie potentielle

L’énergie se mesure :

Analyse dimensionnelle : ML2T-2

Unités : le Joule (J) dans le

système international (SI) d’unités

la calorie (cal) : 1 cal = 4,18 J

l’électron-volt (eV) : 1 eV = 1,6.10-19 J

le kilowatt heure (kWh) : 1 kWh = 3,6.106 J

etc…

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Différentes énergiesEnergie & Puissance

L’énergie cinétique (mouvement): 2

21 mvEc

L’énergie potentielle (position):

rMmGEp

G = 6,67.10-11 m3kg-1s-2

MT = 5,9736×1024 kgr = 6368 km g=9,81 m.s-2

L’énergie gravitation (Newton):

T

pTp R

mMGE

yRmM

GET

pTp

'

gymR

ymMG

yRRymM

GEE pT

pT

TT

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2)(

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= En

ergie

méc

anique

+

L’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique

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Energie & Puissance

L’énergie d’une masse de 1 kg d’eau à la surface d’un lac de barrage est plus élevée que son énergie lorsqu’elle est au pied du barrage. En effet, pour une différence d’altitude de 100 m, la différence d’énergie potentielle est de mgy= 19,81100 = 981 J.

Vouglans (Jura)

C’est cette énergie qui est exploitée dans une centrale hydroélectrique, où la chute de l’eau actionne des turbines qui entraînent des alternateurs.

L’énergie élastique :

Il s’agit encore d’une énergie potentielle, associée cette fois aux déformations des objets élastiques, par exemple à la tension d’un ressort ou à la compression d’un gaz. PVEe

P = pressionV = volume

gaz

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Energie & Puissance

Le travail mécanique (W) : L’énergie calorifique ou thermique (chaleur) :

W

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Energie & PuissanceL’énergie radiative ou électromagnétique (photons) :

Le Soleil nous transmet de l’énergie sous forme de lumière visible et de rayonnement infrarouge essentiellement. on peut convertir en énergie électrique une partie de l’énergie lumineuse en provenance du Soleil à l’aide de photopiles solaires

Un radiateur nous communique sa chaleur par l’intermédiaire de l’air ambiant (convection), mais aussi directement sous forme de rayonnement infrarouge.

Dans le filament d’une ampoule électrique, l’énergie électrique se transforme en chaleur, puis cette chaleur est évacuée principalement sous forme d’énergie radiative, lumineuse et infrarouge.

Un four à micro-ondes communique de la chaleur aux aliments à partir d’une énergie électrique, par l’intermédiaire d’un rayonnement dit de micro-ondes, analogue à celui d’un radar.

Les ondes radio transportent aussi une énergie, certes faible, mais suffisante pour véhiculer du son, des images ou de l’information.

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Energie & PuissanceL’énergie chimique (liaisons entre atomes) :

Centrales thermiques : centrales dans lesquelles on brûle des combustibles fossiles (gaz, charbon, pétrole) afin de produire la chaleur nécessaire pour entraîner une turbine à vapeur (machine à vapeur) ou à gaz, ainsi que l'alternateur qui fournit l'électricité souhaitée.

production de chaleurproduction d’électricité

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Energie & PuissanceL’énergie nucléaire (liaisons noyau atomique):

Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s’accompagne ainsi d’un dégagement de chaleur. C’est ce mécanisme qui produit au coeur du Soleil, par fusion des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium, la chaleur qui sera ensuite rayonnée.

Dans nos centrales électronucléaires, nous

utilisons une autre réaction nucléaire, la

fission des noyaux d’uranium, qui les

transforme chacun en deux autres noyaux

environ deux fois plus petits; une partie de la chaleur produite (33%)

est convertie en électricité.

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Energies primaires

Energies primaires non renouvelables :- charbon- pétrole- gaz- uranium- thorium- plutonium

Energies primaires renouvelables :- hydraulique- éolien- solaire- biomasse- géothermie- énergie marémotrice

Energie & Puissance

Energies secondaires

Conversions :- produits pétroliers (essence, kérosène, gasoil, fuel domestique)- électricité (centrales thermiques, nucléaires, installations énergies renouvelables)- vapeur (opération de séchage industriel)- hydrogène (craquage thermique ou par électrolyse de l’eau, reformage gaz naturel)

Transports :- réseaux de transport (HT 400-225kV évite l’effet Joule, gazoducs) : des centrales de productions vers les régions consommatrices- réseaux de répartition (90-63 kV) - réseaux de distribution (BT 20-400 kV) liens entre réseaux de répartition et clients finaux.

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Transports :- réseaux de transport (HT 400-225kV évite l’effet Joule, gazoducs) : des centrales de productions vers les régions consommatrices- réseaux de répartition (90-63 kV) - réseaux de distribution (BT 20-400 kV) liens entre réseaux de répartition et clients finaux.

Energie & Puissance

Energies finales

- l’énergie thermique : chauffage, réfrigération (nécessaires à l’habitation, le lieu de travail, certains processus industriels)- l’énergie mécanique: voitures, trains… (transports), pompes, compresseur… (industrie), appareils ménagers, ascenseurs (secteur résidentiel).- l’énergie électromagnétique : éclairage, télécommunications, télévision, imagerie médicale …- l’énergie électrique : tous secteurs

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C’est la quantité d’énergie nécessaire à la production et à la fabrication des matériaux ou des produits industriels. En théorie, un bilan d'énergie grise additionne l'énergie dépensée lors :- de la conception du produit (ou du service) - de l'extraction et le transport des matières premières - de la transformation des matières premières et la fabrication du produit (ou lors de

la préparation du service) - de la commercialisation du produit (ou du service) - de l'usage ou la mise en œuvre du produit (ou lors de la fourniture du service) - du recyclage du produit

Energie grise

Energie & Puissance

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Kilowatt (kW) = Puissance électriqueUn watt (symbole : W) est la puissance d'un système énergétique dans lequel est transférée uniformément une énergie de 1 joule pendant 1 seconde.1 W (puissance) = 1 J (énergie) / 1 s (temps)Un kilowatt (symbole : kW) correspond à 1000 W, soit 1000 joules pendant 1 seconde.ex: une lampe de 60 W.

Kilowattheure (kWh) = EnergieUn kilowattheure (symbole : kWh) correspond à l'énergie consommée par un appareil d'une puissance d'un kilowatt (1 000 watts) qui a fonctionné pendant une heure (1 kilowatt × 1 heure).Le kilowattheure est une unité pratique de mesure d'énergie valant 3,6 mégajoules.ex: une lampe de 60 W consommera 60 Wh si elle reste allumée pendant une heure. La même lampe de 60 W consommera 60 kWh si elle est allumée pendant 1000 heures.

Kilowatt crête (kWc) = Puissance maximale dans des conditions standardsLa puissance crête d’un système (photovoltaïque) correspond à la puissance électrique maximale délivrée par ce même système dans des conditions standards d’ensoleillement (1000 W/m²), de température (25°C) et de standardisation du spectre de la lumière (AM 1,5). ex: un module de 200 Wc est un module qui produira une puissance électrique de 200 W si on le place sous en ensoleillement de 1000 W/m².

Energie & Puissance

Kilovoltampère (kVA) = Puissance électrique apparenteLe produit de la tension (U) par le courant (I) s'appelle puissance apparente (S). Elle est exprimée en VA (volt-ampère)

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Energie & Puissance

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Besoins énergétiques :

Présent & Futur

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161 MWh = 0,086 tep (sauf géothermie)

(AIE

= A

genc

e In

tern

atio

nale

de

l’Ene

rgie)

Consommation actuelle mondiale énergétique par type d’énergie

Besoins énergétiques

Mtoe ou Mtep = millions de tonnes d’équivalent pétrole

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(AIE

-200

5)

Consommation future par type d’énergieBesoins énergétiques

Le scénario " tendanciel " Business As Usual (BAU) de l’AIE constitue une image du futur où seules sont prises en compte les politiques et mesures déjà en vigueur ou décidées. Les consommations mondiales d’énergie primaire évoluent selon le graphique suivant, où il apparaît que les énergies fossiles comptent pour environ 85% de la croissance de la demande d’énergie entre maintenant et 2030.

Consommation mondiale d’énergie primaire selon le scénario « de référence »

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Besoins énergétiquesAspects économiques

France

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Besoins énergétiques

Aspects politiques : dépendance énergétique

Estimation en % de la dépendance énergétique de l’Union Européenne des 25

20302000

Le taux d'indépendance énergétique est égal à la production d'énergie primaire divisée par la disponibilitéd'énergie primaire (par forme d'énergie ou totale).

L'évolution du taux d'indépendance énergétique de la France par forme d'énergie jusqu'en 2006

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Réchauffement climatique :

Effet de serre

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Réchauffement climatiqueObservationsÉvolution des gaz à effet de serre tirée de données obtenues

à partir des carottes de glace et de mesures récentes

Le forçage radiatif est une mesure de

l’influence d’un facteur dans la modification de l’équilibre entre

l’énergie qui entre dans l’atmosphère terrestre et celle

quien sort, et constitue

un indice de l’importance de ce facteur en tant

que mécanisme potentiel du changement

climatique.

Un forçage positif tend à réchauffer la

surface et un forçage négatif à la

refroidir.

Ici, les valeurs du forçage radiatif sont données pour l’année 2005 par rapport aux conditionspréindustrielles définies comme celles de 1750 et sont exprimées en watt par mètre carré (Wm–2).

1 ppm = 1 partie par million =1 mg.kg-1

1 ppb = 1 partie par milliard = 1 mg.t-1

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Réchauffement climatiqueObservations

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Réchauffement climatique

Relevons également une donnée qui ne figure pas dans ce tableau : une étude britanniquevient de montrer que l’incinération des déchets pour produire de la chaleur et del’électricité émet 600 g de CO2 par KW/h, soit 40 % de moins que le charbon, mais toutefoisplus que l’éolien et 70 fois plus que le nucléaire.

Observations

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The global carbon cycle shows the carbon reservoirs in GtC (gigatonne= one thousand million tonnes) and fluxes in GtC/year. The indicated figures are annual averages over the period 1980 to 1989. The component cycles are simplified and the figures present average values. The riverine flux, particularly the anthropogenic portion, is currently very poorly quantified and is not shown here. Evidence is accumulating that many of the fluxes can fluctuate significantly from year to year. In contrast to the static view conveyed in figures like this one, the carbon system is dynamic and coupled to the climate system on seasonal, interannual and decadal timescales.

Réchauffement climatique

GRID = Global Resource Information Database UNEP=United Nations Environment Programme

Observations

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Tonnes d'équivalent CO2 : Pour exprimer les émissions de gaz à effet de serre en tonnes d’équivalent CO2, on pondère les émissions de chaque gaz par un coefficient tenant compte de son pouvoir de réchauffement comparé à celui du CO2. Ce coefficient est de 1 pour le CO2, de 21 pour le CH4, de 310 pour le N2O, de 23 900 pour le SF6, de 140 à 11 700 pour les HFC et de 2 100 à 9 200 pour les PFC.

Réchauffement climatique

France

halocarburesdioxyde d’azote

methane

dioxyde de carbone

Observations

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/par habitant

2002 : Emissions de CO2 / habitant

Réchauffement climatiqueObservations

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27Source : CITEPA= centre interprofessionnel technique de l’étude de la pollution atmosphérique - 2006.

2005 : les secteurs contribuant aux émissions

Réchauffement climatiqueFrance métropolitaine

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Les scénarios établis par le GIEC sont commandés par deux variables qui comportent des degrés d’incertitude :

1) la « facture climatique » énergétique des économies mondiales,2) et la physique du climat.

Réchauffement climatiqueConséquences

Comment le système climatique de la planète peut-il évoluer au cours du siècle prochain ?

Plusieurs scenarii ont été proposés par le GIEC mais finalement :

- Si aucune mesure prise température estimée entre 1,4 et 5,8 °C d’ici la fin du siècle. - Qui est concerné ? Toutes les régions du monde. - Quelles conséquences ? Économique, politique, écologique...

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Politique énergétiquePlusieurs scenarii Conséquences

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ConséquencesPolitique énergétique

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Politique énergétiqueConséquences

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Politique énergétique

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En partie par une stratégie pour les sources d'énergie renouvelables (ENR ou ER) Décisions Livres Blanc et Vert :

• d’ici 2010 : atteindre 21 % d’électricité produite à partir de sources ENR dans la consommation de l’UE (adoptée en 2001)• En 2003 : au moins 5,75 % de l’ensemble de la consommation d’essence et de gazole doit être constituée de biocarburants d’ici 2010.

Comment ?

Politique énergétiqueEurope

Livres blanc et Vert « Vers une stratégie européenne de sécurité d'approvisionnement énergétique » : suggestions /options pour la base d’une nouvelle politique énergétique européenne globale.

• Stabiliser les émissions de gaz à effet de serre en 2010 (par rapport à 1990) • Diviser par 4 les émissions de gaz à effet de serre d’ici 2050

Les objectifs

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Politique énergétique

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DPE

Energies renouvelablesArgument économique : avant de parler d’énergie renouvelable pour un bien immobilier, il faut s’assurer d’un bon diagnostic de performance énergétique …

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Energies renouvelables

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Les ER :

prod & conso

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Qu’appelle-t-on énergie renouvelable ?• Energies inépuisables (du moins à l’échelle de temps humaine). • Sources :

- le vent (éolien), - le soleil (solaire), - la chaleur de la Terre (géothermie), - les chutes d'eau ou les marées (hydroélectrique), - la croissance des végétaux (biomasse)

• Exploitation : pas ou peu de déchets, ni émissions polluantes.

On qualifie les énergies renouvelables d'énergies "flux" par opposition aux

énergies "stock", elles-mêmes constituées de gisements limités de combustibles

fossiles : pétrole, charbon, gaz, uranium

Energies renouvelables

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Photovoltaïque

Thermique

Eolien

Géothermie

Biomasse

Hydraulique

Energies renouvelables

- Bois- Biocarburants- avec ou sans

concentration- passive

- Vagues- Marées (énergie marémotrice)- Courants sous marins (énergie hydrolienne)- Gradient température des eaux (énergie maréthermique)- Diffusion ionique par mélange d’eau douce et d’eau salée (énergie osmotique)

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En France sous Vauban 65000 moulins à eau, 15000 usines hydrauliques et 16000 moulins à vent.

Développement de l'humanité depuis la nuit des temps…Moulins à eau, Moulins à vent, Bateaux à voile,Bois pour le feu, Traction animale, …

Développement économique (notamment en milieu rural)

Lors de la Révolution industrielle : remplacement des ER traditionnelles par les fossiles (charbon, pétrole plus tard).

disparition de certaines technologies (marine à voile…) parallèlement l’hydraulique ou le bois-énergie ont pu se développer et se maintenir dans les usages traditionnels.

Début XXe siècle : les ER perdent leur primauté…

Energies renouvelablesEst-ce nouveau ?

Pourquoi un renouveau ?

Dimensions : H=123,00 cm. =119,50 cm. M=45 kg. Matériaux : Argent;Cuivre;Fonte;Laiton;Verre.

Date de construction : 1880-Auteurs intellectuels : Mouchot Augustin, Physicien, France ; Pifre Abel 1852-1928, Ingénieur,

FranceAuteur matériel et origine : Pifre Abel 1852-1928, Ingénieur, France

Thèmes : conversion artificielle;Énergie naturelle;Vapeur Maquette, reproduction à échelle réduite

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La première mention d'un moulin à eau est faite en l'an 18 avant J.C. dans le palais que Mithridate avait fait construire à Cabire, dans le Pont (Le Pont est un royaume antique situé sur la côte méridionale de la Mer Noire. Aujourd'hui, cette région se trouve en Turquie) . Si ce moulin date de la construction du palais, il remonterait aux années 120-63.

Moulin à eau

Energie du ventLa navigation daterait de 5000 ans avant notre ère. Les Phéniciens furent parmi les premiers peuples navigateurs connus à exploiter l’énergie du vent pour propulser leurs bateaux sur les mers.Les premiers moulins à vent apparaissent, chez les Perses, vers 200 ans avant JC. Ce n’est qu’au XIIe siècle que cette technologie sera importée en Europe, mille ans plus tard.

Energies renouvelables

BiomasseMenez-Dregan est un site préhistorique qui se trouve sur la commune de Plouhinec, dans le Finistère (en Bretagne en France). Il a livré des niveaux d'habitat du Paléolithique inférieur datant de 350 à 500 000 ans. Des indices de feux entretenus découverts dans les niveaux inférieurs comptent parmi les plus anciens connus dans le monde.

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Energies renouvelables

Photovoltaïque

Découvert en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Les premières applications ont lieu dès les années 60 avec l'équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de 1970, les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés.

Solaire thermique

Par Giulio Parigi (1571-1635) en 1599-1600.

Si la légende est belle, beaucoup de scientifiques dont Descartes (1596 - 1650) s'accordent à penser que les faits sont peu vraisemblables.

La question, aujourd'hui encore, n'est pas absolument éclaircie. Mais les experts font généralement preuve de scepticisme.

Rien n'empêche de croire qu'Archimède, avec des miroirs métalliques par exemple, ait été en mesure d'obtenir de bons résultats. Cette supposition a été assez bien confirmée, en 1973, par une expérience, due à Ioannis Sakkas, un ingénieur grec. Comme miroirs, il a utilisé des surfaces ayant en principe des dimensions comparables à celles des boucliers grecs classiques (environ 1,70 m sur 0,70 m). Pour ne pas trop s'éloigner de la réalité historique, il a même pris soin de modifier la surface de ses panneaux de glace en les recouvrant d'une mince pellicule de bronze pas trop bien polie. Ayant ainsi préparé soixante-dix « boucliers-miroirs », il les a confiés à des aides qui, au Pirée, concentrèrent les rayons solaires sur le modèle réduit d'une galère (longueur : 3,60 m) qui flottait à une cinquantaine de mètres. En deux minutes, la cible prit feu ; et ce de façon assez intense. Problème : la galère doit rester au foyer du miroir sphérique (quelle galère!!)

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Energies renouvelables

Ainsi, le rayonnement solaire annuel représente 5 000 fois laconsommation mondiale d’énergie, l’énergie du vent 300 fois, les courantset marées 80 fois et la biomasse 15 fois.

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La production d'électricité dans le mondeDans le monde, la production d'électricité d'origine renouvelable (hydraulique, éolien, solaire, biomasse, géothermie) est comparable à la production d'origine nucléaire. Celle-ci varie selon les pays. La France arrive largement en tête, le nucléaire contribuant pour 77% à sa production d'électricité.

Energies renouvelables

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FRANCE

(en Mtep)

Energies renouvelables

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La chaleur constitue, avec 35 % de nos besoins énergétiques, le premier poste énergétique en France : il s'agit donc du secteur le plus « énergivore ».

Energies renouvelablesL'importance de la chaleur dans le bilan énergétique français

En effet, d'après l'association AMORCE, le chauffage consomme dans notre pays56 millions de tonnes d'équivalent pétrole (Mtep) contre 50 pour les transports, 40 pour la production industrielle et 18 pour l'électricité spécifique, c'est-à-dire celle qui ne peut être remplacée par aucune autre énergie (par exemple, l'alimentation des appareils électroménagers).

Les parts respectives des différentes énergies renouvelables thermiques en France

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http://www.drire.gouv.fr/

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Energies renouvelables

Etat des lieux en Bretagne : l’hydraulique

Le barrage de la RanceL’usine marémotrice, située à l’embouchure de la Rance entre Dinard et Saint-Malo, est un ouvrage unique au monde à cette

échelle. En utilisant la force des marées pour produire de l’énergie, elle appartient à la famille des énergies

renouvelables marines.

L'usine marémotrice production énergie: 600 GWh/an.

consommation domestique de l'agglomération rennaise (333 000 hbts),

3 % des besoins en électricité de la Bretagne.

48 % de la production 2006 est d'origine hydraulique : Les centrales

de production d'électricitéhydrauliques représentent une

puissance installée de 281,64MW

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La première phase du développement de la filière bois énergie en Bretagne (1995-1999) a permis l'installation de 16 MW de chaufferie bois et la création de 3 plates-formes de stockage du bois.Un nouveau programme pour une période 2000-2006 est en cours de développement. Il prévoit la création de 20 MW supplémentaires et la mobilisation de quelque 25 000 tonnes de plaquettes de bois en plus.

Le chauffage au bois individuel en Bretagne106 chaudières représentant 4 721 KW installés et 1749 tonnes de bois valorisées fonctionnent en Bretagne.

Le bois énergie en BretagneGrâce au succès renouvelé du Plan Bois Energie, on dénombre en Bretagne, fin 2005, 37 chaufferies bois réparties de la manière suivante : 22 dans les collectivités, 8 dans les industries du bois, 5 dans les autres secteurs dont 4 en serres maraîchères, et 2 chaufferies bois raccordées à des réseaux de chaleur neufs. Quatre structures produisent jusqu'à 20 000 tonnes de bois énergie.

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En Bretagne, il assure entre 40 et 60 % de la production annuelle d’eau chaude sanitaire. En moyenne, on estime qu’1 m² de capteurs solaires thermiques permet d'économiser en métropole 200 kWh/an et une surface de 8 m² de capteurs solaires photovoltaïques produit environ 900 kWh/an.

Etat des lieux en Bretagne : le solaire

Energies renouvelables

1004 CESI (chauffe eau solaire individuel) ont étéinstallés de 2002 à 2005 dont 471 en 2005

193 SSC (systèmes solaires combinés) ont étéinstallés en Bretagne de 2002 à 2005 dont 66 en 2005.

25 projets de chauffe-eau solaires collectifs, totalisant 643,7 m2 de capteurs.

Le phare des poulains à Belle Ile en Mer : le solaire remplace une ligne électrique

Puissance crête installée = 3 000 Wc Surface de panneaux actifs = 32 m²Surface de panneaux fictifs = 15 m²Parc de batteries de 800 Ah en 48 V,

offrant une autonomie de 10 jours sans soleil.

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Avec 185 MW installés au 31 décembre 2006, la Bretagne est la 3ième région de France après le Centre (244 MW) et le Languedoc Roussillon (215 MW).

En Bretagne, portée par les structures locales ou départementales, l'énergie éolienne a pris une longueur d'avance : 248 éoliennes acceptées soit 349 MW

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Coûts de la production d'électricité pour différentes énergies renouvelables, comparées avec les combustibles fossiles. Les coûts imputés aux combustibles fossiles n'incluent pas les coûts indirects liés

aux dommages environnementaux.

Production d’électricité : comparaison des coûts

Energies renouvelables

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ANNEXES

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Annexe I

1 tec = 8,141 MWh 1 MWh = 0,086 tep (sauf géothermie)

bruit acoustique = modifications mineures de la pression atmosphérique locale à des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz. Le seuil de référence pour une absence de bruit est de 20 µPa. Le niveau de bruit est défini par un rapport de l'amplitude des signaux sonores et ce seuil de référence de 20 µPa. Ce rapport s'exprime en décibels (dB, de Alexandre Graham Bell).

Le bel = unité logarithmique où une différence de 1 bel correspond à un rapport de 10 en puissance. On utilise plus couramment son sous-multiple le décibel (dB). Une différence d’un décibel correspond à un rapport de 101/10

soit à peu près 1,259.

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OCDE = Organisation de coopération et de développement économiquesc’est une organisation internationale de pays développés, qui ont en commun un système de gouvernement démocratique et une économie de marché.L'OCDE a pris la suite de l'Organisation européenne de coopération économique (OECE) qui a existéde 1948 à 1960 et qui a joué un rôle important dans l'exécution du Plan Marshall.L'OCDE compte 30 pays membres et publie régulièrement des études et des statistiques sur divers indicateurs comme le PIB, population, inflation. Son siège est à Paris.

AllemagneAustralie depuis 1971AutricheBelgiqueCanadaCommunautés européennesCorée du Sud depuis 1996DanemarkEspagneÉtats-UnisFinlande depuis 1969FranceGrèceHongrie depuis 1996

IrlandeIslandeItalieJapon depuis 1964LuxembourgMexique depuis 1994NorvègeNouvelle-Zélande depuis 1973Pays-BasPologne depuis 1996PortugalRoyaume-UniSlovaquie depuis 2000Suède

SuisseRépublique tchèque depuis 1995Turquie

Annexe II

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Sources

EEA : European Environment Agency

AIE : Agence Internationale de l’Energie

ADEME

Annexe III