problématique de l’énergie - chamilo...diagramme de sankey 09/2018 23 rendement des...
TRANSCRIPT
Septebm
Problématique de l’énergieLicence Pro BCGIE
Jean-Louis BERGERAND
Octobre 2019
09/2018 1
Objectif de ce module
• Présenter un contexte général de l’énergie• de son utilisation• des enjeux liés à son utilisation• des défis qui se présentent … … à l’humanité tout
entière
• mettre en perspective le métier que vous allez exercer autour de la gestion de l’énergie, de l’électricité entre autres
09/2018 2
Organisation du module
• Connaissance générale • L’énergie et son utilisation• La distribution électrique et son organisation• Les enjeux économiques, sociétaux et techniques
• Travaux pratiques• Gestion pratique de l’énergie• Simulation
• Evaluation : • DS : Question de cours• Compte Rendu de TP
09/2018 3
Partie I
• L’énergie• Généralité sur distribution électrique• Enjeux énergétiques
09/2018 4
Partie II
• Généralité sur distribution électrique• Les notions de smartgrid et de microgid
09/2018 5
(JASON WEINGART/CATERS NEWS AGENCY/SIPA)
L’énergie09/2018 6
Qu’est-ce que l’énergie ?
09/2018 7
(JASON WEINGART/CATERS NEWS AGENCY/SIPA)
Définition de l’énergie• En science physique • L’énergie est une mesure de la capacité d'un système
• à modifier un état • à produire un travail entraînant un mouvement • à produire un rayonnement électromagnétique • à produire de la chaleur• …
• Stockée dans les objets, la matière, les molécules, les atomes
• Se manifeste de multiples façons
09/2018 8
(JASON WEINGART/CATERS NEWS AGENCY/SIPA)
Principe de conservation de l’énergieL’énergie ne se crée ni ne se détruitElle ne peut que
• se transformer d’une forme à une autre• ou être échangée d’un système à un autre.
09/2018 9
Quelques types d’énergies
• Thermique• Radiative• Gravitationnelle• Cinétique• Electrique• …
T
V
E
09/2018 10
Unités de mesure
• Le Joule (J) est l'unité de mesure de l'énergie de référence selon le système international d'unités.
• le travail d’une force d’un newton dont le point d’application se déplace d’un mètre dans la direction de la force
Un peu plus
09/2018 11
1 J = 1 N m
Unités de mesure
• Mais aussi• le kWh • la tep (tonne équivalent pétrole)• la tec (tonne équivalent charbon)• La kcal• L’eV (l’électron Volt)• le BTU (British Thermal Unit)• etc.
Un peu plus
09/2018 12
Equivalence joule
1 joule = 1 Ws (1 kWh = 3,6 × 106 j)
Ou bien encore• 6.241 × 1018 eV• 0.239 × 10-3 cal• 0.948 × 10-3 BTU• 0.278 × 10-6 kWh• 2.390 × 10-10 tonne de TNT• 2.389 × 10-11 tep • 3.413 × 10-11 tec
09/2018 13
Illustrations de quelques ordres de grandeur• énergie délivrée par un flash d’appareil photo : en dizaines de joules;
• énergie cinétique d’une voiture d’1,5 tonne roulant à 125 km/h : en millions de joules (106 J) ;
• énergie d’un kilomètre cube d’air se déplaçant à 250 km/h lors d’un ouragan : en milliers de milliards de joules (1012 J) ;
Pour aller plus loin
09/2018 14
L’économie de l’énergie
• Economie de l'énergie : production et consommation d’énergie • Exploitation des sources d'énergie = énergie primaire• Approvisionnement des acteurs économiques en énergie finale utilisable
• Satisfaire des besoins humains :• Chaleur, • Mécanique (déplacement, travail, … )• Lumière• Electrique pour la transmission d'information notamment
• L'économie de l'énergie est fortement liée aux politiques énergétiques menées par les états.
• S’appuie sur une chaine de transformation qui permet de passer de l’énergie primaire à une énergie utilisable
09/2018 15
Energie primaire
• Forme d’énergie disponible avant transformation dans la nature
09/2018 16
Energie primaire
• Forme d’énergie disponible avant transformation dans la nature
09/2018 17
• Eolienne
• Solaire
• Géothermique
• Hydraulique
• Hydrolienne
• Biomasse
• Bois
• Charbon
• Pétrole
• Gaz naturel
Principales énergies fossiles
Principales énergies renouvelables
• Uranium• Plutonium
Energie secondaire
• L'énergie secondaire est obtenue par transformation d’une énergie primaire
• Cette énergie est souvent plus facile transporter, utiliser ou à stocker que l'énergie primaire.
• Les formes d'énergie secondaire sont appelées « vecteurs énergétiques ».
• électricité• carburants pétroliers raffinés (essence, gasoil)• ou encore, à l'avenir, de l'hydrogène.
09/2018 18
Chaine de transformation de l’énergie
extraction transport
Unité de production
Transformationpour usage
DéplacementLumièreChauffageService
Energie seconda
ire
Service
Rendu
Frontière de livraison
Source Renouvelable
SourceFossile
Energie
primaire
Energie
finale
09/2018 19
transport
Chaine de transformation de l’énergie
extraction transport
Unité de production
Transformationpour usage
DéplacementLumièreChauffageService
Energie seconda
ire
Service
Rendu
Frontière de livraison
Source Renouvelable
SourceFossile
Energie
primaire
Energie
finale
consoconso
conso conso
09/2018 20
transport
conso
Chaine de transformation de l’énergie
extraction transport
Unité de production
Transformationpour usage
DéplacementLumièreChauffageService
Energie seconda
ire
Service
Rendu
Frontière de livraison
Source Renouvelable
SourceFossile
Energie
primaire
Energie
finale
conso
Chaleur
CO2
Chaleur
CO2
consopertes
pertes
conso conso
09/2018 21
ChaleurCO2
ChaleurCO2
ChaleurCO2
transport
conso
DéplacementLumièreChauffageService
Chaine de transformation de l’énergie
extraction transport
Unité de production
Transformationpour usage
Energie seconda
ire
Service
Rendu
Frontière de livraison
Source Renouvelable
SourceFossile
Energie
primaire
Energie
finale
conso
Chaleur
CO2
Chaleur
CO2
consopertes
pertes
conso conso
transport
conso
09/2018 22
Gaspilla
ge
Diagramme de Sankey
09/2018 23
Rendement des transformations
09/2018 24
ÉolienneHydrolienned’un fluide
09/2018 25
Densité d’énergie
• Pour les applications de stockage de l'énergie, • densité d'énergie massique : quantité d’énergie par kg• densité d'énergie volumique : quantité d’énergie par l
• Utile pour le choix des carburants et des modes de stockage
09/2018 26
09/2018 27
Matière Type d'énergie MJ par kilogramme MJ par litre Fusion thermonucléaire (Deutérium-Tritium) Nucléaire 330 000 000,00 6 368 000 000,00 Uranium-235 Nucléaire 79 500 000,00 1 534 000 000,00 Hydrogène (comprimé à 700 bars) Chimique 123,00 5,60 Essence Chimique 47,20 34,00 Fioul / carburant Diesel Chimique 45,40 36,40 Propane (ou GPL) Chimique 46,40 26,00 Accumulateur lithium-air Électrochimique 9,00 Accumulateur lithium Électrochimique 1,80 4,32 Accumulateur lithium-soufre Électrochimique 1,00 Accumulateur lithium-ion Électrochimique 0,72 0,90 Pile alcaline Électrochimique 0,59 Batterie sodium-ion Électrochimique 0,37 Accumulateur nickel-hydrure métallique Électrochimique 0,29 0,50 Supercondensateur Électrique 0,10 Batterie au plomb Électrochimique 0,10 Volant d'inertie Mécanique 0,04 Condensateur Électrique 3,60E-05
Notions à retenir
Energie Primaire x rendement conversion = Energie Secondaire
Energie Secondaire x rendement transport = Energie Finale
Energie Finale x efficacité service = Service Rendu
09/2018 28
(JASON WEINGART/CATERS NEWS AGENCY/SIPA)
La consommation de l’énergie
09/2018 29
De plus en plus d’énergie rendue utilisable
Energie Humaine
Le ventLes animaux
La machine à vapeur
L’eau
Le nucléaire
La chimie
L’électricité
La mécaniqueLa poudre
Ere Industrielle
Moyen âge
Préhistoire
Le feu
Moyen âge
09/2018 30
Croissance et Energie
GDP = Gross Domestic Product(Produit Intérieur Brut)
Un peu plus
Source : Jean-Marc Jancovici « L’énergie, de quoi s’agit-il exactement ? »
Mtoe = Mega ton oil eq.(Mtep)
09/2018 31
Quelle est la première source d’énergie primaireEn pourcentage
09/2018 32
Quelle sont les parts de l’énergie d’origine nucléaire
09/2018 33
Quelle est la part des énergies renouvelables
09/2018 34
Consommation mondiale en
énergie primaire
09/2018
35
Consommation mondiale
énergie primaire80 % d’énergie
fossile
09/2018
36
80 %
Quels sont les sources d’énergies dont l’utilisation est en croissance ?
09/2018 37
Quelles sont celles qui croissent le plus
09/2018 38
09/2018 39
Consommation mondiale en énergie primaireEn tonne équivalent pétrole
par anEn pourcentage
par région en 2017
09/2018 40Source : BP Statistical Review of World Energy 2017
Consom. Part dans la Consom. Part dans la Variationfinale consom. finale consom. consom.1990 2015 2015/1990
Charbon 1166 18,6% 1842 19,6% 58%Pétrole 2748 43,8% 3922 41,8% 43%Nucléaire 142 2,3% 184 2,0% 30%Gaz naturel 1239 19,8% 1909 20,3% 54%Total Fossile 5295 84,5% 7857 83,7% 48%
Hydroélectricité 154 2,5% 284 3,0% 84%Biomasse et déchets 810 12,9% 1108 11,8% 37%Géothermie 6,5 0,1% 45 0,5% 592%Éolien 0,3 0,0% 60 0,6% 19900%Solaire 0,05 0,0% 18 0,2% 35900%Autres 2 0,0% 11 0,1% 450%Total EnR 973 15,5% 1526 16,3% 57%
Total 6268 100% 9383 100,0% 50%
MTep
09/2018 41
09/2018 42
Consommation mondiale
Energie primaire Energie finale15 000 Mtep 9 000 Mtep
09/2018 43
Consommation mondiale
Energie primaire Energie finale15 000 Mtep 9 000 Mtep
09/2018 44
Consommation par habitant
Aujourd’hui un terrien dispose en moyenne, d’un peu plus de 20 000 KWh par an en comparaison aux 100 kWh par an de l’énergie mécanique fournie par son propre corps.
1 tep = 11627.777778 kWh1 kWh = 0.000086 tep
09/2018 45
Consommation par habitant en 2015
09/2018 46
Population décroissante
Population Consommation Élec. cons./hab. Population Consommation Élec. cons./hab.(millions) par hab. (kWh/hab.) (millions) par hab. (kWh/hab.)
(tep/hab.) (tep/hab.)Monde 7334 1,86 3052 Turquie 77 1,66 2959 Chine 1371 2,17 4047 Rép dém du Congo 77 0,37 94 Inde 1311 0,65 859 Thaïlande 68 1,99 2621
États-Unis 322 6,8 12833 France 66 3,71 7043 Indonésie 258 0,87 823 Royaume-Uni 65 2,78 5082
Brésil 208 1,43 2516 Italie 61 2,51 5099 Pakistan 189 0,5 488 Afrique du Sud 55 2,58 4148 Nigeria 182 0,76 144 Myanmar ( Birmanie) 54 0,37 249
Bangladesh 161 0,24 326 Tanzanie 53 0,49 98 Russie 144 4,93 6588 Corée du Sud 51 5,39 10558 Japon 127 3,38 7865 Espagne 46 2,56 5481
Mexique 121 1,55 2230 Ukraine 45 2 3209 Philippines 101 0,52 744 Pologne 38 2,47 4007
Éthiopie 99 0,5 86 Roumanie 20 1,61 2645 Viêt Nam 92 0,8 1534 Grèce 11 2,14 5212
Égypte 92 0,87 1754 Belgique 11 4,75 7834 Allemagne 82 3,77 7015 Portugal 10 2,12 4807
Iran 79 2,99 2988
Pays ou région Pays ou région
Consommation par habitant en 2015
09/2018 47
Consommation décroissante
Population Consommation Élec. cons./hab. Population Consommation Élec. cons./hab.(millions) par hab. (kWh/hab.) (millions) par hab. (kWh/hab.)
(tep/hab.) (tep/hab.) États-Unis 322 6,80 12833 Monde 7334 1,86 3052
Corée du Sud 51 5,39 10558 Turquie 77 1,66 2959 Russie 144 4,93 6588 Roumanie 20 1,61 2645
Belgique 11 4,75 7834 Mexique 121 1,55 2230 Allemagne 82 3,77 7015 Brésil 208 1,43 2516
France 66 3,71 7043 Indonésie 258 0,87 823 Japon 127 3,38 7865 Égypte 92 0,87 1754
Iran 79 2,99 2988 Viêt Nam 92 0,80 1534 Royaume-Uni 65 2,78 5082 Nigeria 182 0,76 144
Afrique du Sud 55 2,58 4148 Inde 1311 0,65 859 Espagne 46 2,56 5481 Philippines 101 0,52 744
Italie 61 2,51 5099 Pakistan 189 0,50 488 Pologne 38 2,47 4007 Éthiopie 99 0,50 86
Chine 1371 2,17 4047 Tanzanie 53 0,49 98 Grèce 11 2,14 5212 Rép dém du Congo 77 0,37 94
Portugal 10 2,12 4807 Myanmar ( Birmanie) 54 0,37 249 Ukraine 45 2,00 3209 Bangladesh 161 0,24 326
Thaïlande 68 1,99 2621
Pays ou région Pays ou région
Energie du soleil
• Energie totale produite par le soleil par seconde 3,8651 × 1026 j (1)
• 3,8651 × 1026 × 31,536 × 106 = 122 × 10 32 j/an
• Energie atteignant la terre : 3,850 × 1024 j/an (2)
1) https://ilsera.com/comment-calculer-la-puissance-du-soleil/)https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_solaire#Ressources_solaires
09/2018 48
Petit calcul amusant
• 7,5 × 109 habitants• 1,86 Tep soit • 20 × 103 kWh par habitant par an• Besoin annuel : 150 × 1012 kWh = 5,40 × 1020 j / an
• Quelle partie de l’énergie du soleil faut-il pour subvenir aux besoins en énergie de la planète.
09/2018 49
Petit calcul amusant - Résultat
• Besoin annuel : 5,40 × 1020 j/an• Energie atteignant la terre : 3,850 × 1024 j/an
• Transformation avec un rendement de 15 % : 5,775 x 1023 j/an
• Moins de 1/1000 de cette énergie pour subvenir à tous nos besoins !!
09/2018 50
09/2018 51
Réserves connues
Source : www.solarpraxis.com
Solaire
Consommation en direct
Aujourd’hui un terrien dispose en moyenne, d’un peu plus de 20 000 KWh par an en comparaison aux 100 kWh par an de l’énergie mécanique fournie par son propre corps
Consommation de l'énergie en tep et en temps réel
09/2018 52
Ce que l’on retient
• L’énergie ne se crée pas ni ne se détruit• La consommation mondiale
• Énergie primaire est de l’ordre de 15 000 Mtep• énergie finale est de de l’ordre 10 000 Mtep
• Le mix énergétique primaire• 84 % Energie fossile (dont 32 % pétrole, 28 % charbon, 23 % gaz• 4 % Nucléaire• 12 % Energie renouvelable (dont Hydraulique 6,8 %, 2 % Eolien, 1 %
Géothermie et biomasse, 0,5 % biocarburant et 0,2 % Solaire).
• La transformation de l’énergie a un rendement global inférieur à 50%
09/2018 53
Les enjeuxLa transition énergétique
09/2018 54
La transition énergétique en Europe
• Pour rappel, les États membres ont fixé en 2014 comme objectif
• porter à 27% la part des énergies renouvelables dans la consommation finale d’énergie de l’UE à l’horizon 2030
• 16,7% en 2015 - avec des cibles différentes pour chaque pays
• Dans le cadre du « paquet Énergie propre », le Parlement européen souhaite réviser à la hausse cet objectif à hauteur de 35%,
• Réduire les émissions de carbone et de Gaz à Effet de Serre (GES)
09/2018 55
09/2018 56
Évolution des émissions de gaz à effet de serre de 1990 à 2004• Evolution des émissions de gaz à effet de serre de 1990
à 2004 (objectifs nationaux pour 2008-2012)• Allemagne : −17 % (−21 % *)• Canada : +28 % (−6 %) sables bitumeux d'Alberta.• États-Unis d'Amérique : +16 % (N/A)• France : −3,2 % (0 % *)• Grèce : +27 % (+25 % *)• Irlande : +23 % (+13 % *)• Japon : +6,5 % (−6 %)• Royaume-Uni : −14 % (−12,5 % *)• Portugal : +41 % (+27 % *)
09/2018 57
Dé-carbonée
• Souvent renouvelable = dé-carbonée• Mais
• Bois et Uranium sont deux exceptions• Photovoltaïque coûte plus en carbone à sa fabrication qu’il
n’en fait économiser
• Notre objectif est bien de passer à une énergie renouvelable ET dé-carbonée.
09/2018 58
Les enjeux majeurs
• La réduction de la production de CO2• Limiter la production de gaz à effet de serre• Contenir le réchauffement de la planète
• La réduction forte de la consommation des ressources énergétiques fossile
09/2018 59
Mesures à prendre
• Des économies d’énergie (efficacité énergétique)• Réduire la consommation – changer le mode de vie (difficile)• Êtretre plus efficace• Éliminer les gaspillages
• Introduction de renouvelables• Décarboner la production d’énergie finale• Introduction de moyens de stockage
• Exploitation des flexibilité pour diminuer les pics• Implicite : tarif dissuasif/attractif à certaines périodes de la
journée ou de l’année• Explicite : ordre d’effacement de la consommation
09/2018 60