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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
3
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
5
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
6
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 !
7
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
10
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
15
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
16
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 :
17
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
18
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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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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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
25
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
27
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
30
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
32
Réserves de charbon
0 50 100 150 200 250 300
EX URSS
USA
CHINE
AUSTRALIE
ALEMAGNE
INDE
AFRIQUE DU SUD
POLOGNE
en Gtep
33
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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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
35
Evolution des sources d’énergie
< 19ème siècleBois, hydraulique, éolien, traction animale, …
19ème siècleCharbon, machine à vapeur, …
20ème sièclePétrole, gaz, nucléaire, …
36
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%
37
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
41
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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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
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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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
54
Structure de la consommation d’énergie primaire en Europe
Total > à 100% en France en raison des exportation d’électricité
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
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
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
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
Les différents types de centrales
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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
73
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
74
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)
76
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.
77
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
78
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)
79
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
80
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
81
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.
83
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
87
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)
89
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
90
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
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