dimanche 12 juin 2016

Stockage photovoltaïque : indispensable et impossible?



Résumé

Stockage de l’énergie photovoltaïque de  réseau en France

Le stockage de  l’énergie n’est pas la seule solution à la mise en adéquation de la production photovoltaïque très intermittente, mais largement prévisible, avec la consommation nationale permanente et variable.
  • Aux niveaux actuels, l’absorption de l’énergie solaire nationale par le réseau n’est en aucun cas un problème technique, car les énergies vertes à priorité d’écoulement sont loin d’atteindre la consommation minimum française (30 GW). Nul besoin de stockage coûteux : sa production et sa consommation sont simultanées.
  • On peut envisager ensuite, sans coût supplémentaire, d’inciter les producteurs d’énergie électrique solaire à optimiser leurs installations pour l’hiver grâce à un abondement relevant leur compétitivité par rapport au prix du marché de gros qui est  plus élevé en hiver et pendant les pointes, en lieu et place des prix fixes garantis actuels.
  • On peut aussi agir ensuite sur la consommation par un système de facturation à prix variable en fonction du prix de marché de gros, ce qui est techniquement rendu possible par le compteur Linky, mais suppose de changer la loi.
  • Le stockage proprement dit, quel qu’en soit le procédé, et en dehors des STEPS limitées par la géographie, est toujours extrêmement coûteux, et d’un rendement variable, aggravé par une perte de stock dans le temps selon les cas (batteries, volants d’inertie). Dans un avenir lointain sans énergie fossile, un stockage diurne reste envisageable, mais un stockage sur l’année ne l’est en aucun cas. Ceci limite l’intérêt du stockage et de la production de l’énergie solaire qui est contra-cyclique, très faible en hiver quand la demande est élevée…

Rappelons toutefois que cette énergie reste pertinente dans :
  • Les applications hors réseau, dont les prix et volumes énergétiques sont radicalement différents, notamment mobilité et véhicules pour lesquels le stockage par batteries ou hydrogène s’impose.
  • Les pays du sud, où elle cesse d’être contra-cyclique :
  • Les pointes de consommation sont en milieu de journée et en été (climatisations)
  • Pas de chauffage en hiver
  • L’alternance jour / varie peu entre l’été et l’hiver
  • L’éventuelle absence de réseau national interconnecté justifie de petits réseaux locaux 

1. Situation du problème

La consommation d’énergie électrique en France est permanente, comprise entre 30 et 102 GW, avec de nombreuses variations aléatoires, diurnes, hebdomadaires et annuelles. Exemples de consommations, disponibles sur « Eco2mixRTE » :
  • Le jeudi 15 février 2015, ouvré, en hiver et relativement froid
  • Le samedi 15 août 2015, férié, en période de vacances et par beau temps

On constate bien dans le graphique ci-dessous, ces fortes variations, avec ici une amplitude (maxi/mini) annuelle de 90/31=3, pouvant atteindre 3,5, et une amplitude diurne généralement de 1,3 à 1,5.




La production d’énergie solaire est nulle la nuit, et astronomiquement prévisible le jour, à un facteur d’incertitude près qui est la nébulosité. La production photovoltaïque, selon la même source, et pour les mêmes dates, figure dans le graphique ci-dessus. Attention à la différence d’échelle des ordonnées entre les deux graphes : à la même échelle, la production solaire serait à peine visible, ce qui traduit une couverture de la consommation actuellement insignifiante, particulièrement en hiver:
  • Le jeudi 15 février 2015 : 0,4% cas défavorable
  • Le samedi 15 août 2015 : 2,5% cas favorable

 Avant d’envisager de stocker l’énergie solaire, il faudrait donc aussi envisager de la produire en multipliant par plusieurs dizaines le parc installé. C’est possible, l’Allemagne l’a  fait, non sans inconvénients ! En France, l’écoulement prioritaire de l’énergie solaire ne pose aucun problème technique tant que sa puissance maximum reste très inférieure à la puissance minimum consommée qui est de l’ordre de 30 GW. Elle s’ajoute à l’hydraulique au fil de l’eau et à  l’éolien qui se substituent au nucléaire, généralement sans réduction des émissions de CO2, car ce dernier est émis principalement pendant les pointes de consommation qui sont toujours en hiver et la nuit.

2. Facteurs d’adéquation de l’offre et de la demande

On se place ici dans l’hypothèse où la production d’énergie solaire atteindrait une part significative de la demande totale d’énergie. Avant de se lancer dans un problématique stockage, que l’Allemagne ne fait pas malgré son énorme production verte aléatoire, on peut envisager  deux actions préalables :

1    2.1. Adapter (autant que faire se peut) la production solaire à la demande

La production d’un panneau solaire dépend évidemment de son orientation : idéalement, il doit être perpendiculaire aux rayons du soleil, ce qui supposerait qu’il soit mobile selon deux axes :

  • un axe parallèle à celui de la rotation terrestre pour suivre le soleil dans sa course diurne
  • un axe horizontal E-W pour suivre l’apogée du soleil à midi, de hauteur variable entre l’été et l’hiver
Cette mobilité améliore grandement la production, mais reste rare en raison de deux inconvénients :
  • Des coûts plus élevés d’investissement et de maintenance
  • Une plus grande surface au sol pour réduire le masquage de chaque panneau par ses voisins

 Dans le cas le plus fréquent, les panneaux sont fixes.
  • S’ils sont disposés sur un toit préexistant, ce dernier, plus ou moins exposé au sud,  impose son orientation et sa pente. Il subsiste un choix binaire : le faire, ou renoncer.
  • S’ils sont posés sur des structures dédiées, ces dernières doivent avoir une ligne de plus grande pente orientée vers sud. Mais cette pente reste à choisir :
    • Une pente égale à la latitude vient à l’esprit : été comme hiver, à midi, l’angle des rayons solaires restera toujours inférieure à 23°.
    • En fait, le prix contractuel de rachat de l’énergie produite étant fixe (autour de 120 €/MWh pour les installations récentes), toutes les installations privilégient la production autour du solstice d’été (21 juin) qui offre la plus longue exposition au soleil et une faible nébulosité. Ceci aboutit à produire un maximum d’énergie quand on n’en n’a pas besoin ! Ceci se vérifie bien en 2015 (graphe ci-dessous), où la moyenne des deux mois autour du solstice d’été (31,6 GWh/jour) atteint 3,3 fois la production des deux mois autour du solstice d’hiver (9,5 GWh/jour).


Cette situation déplorable n’est pas entièrement fatale : elle résulte de panneaux solaires très peu inclinés pour favoriser délibérément la production prépondérante, celle de l’été. Voir photos de la centrale de Cestas.

Le graphe ci-dessous, établi pour la latitude de Lyon assez représentative de la France, montre la puissance moyenne correspondant à l’ensoleillement astronomique (hors nébulosité) au cours de l’année, selon l’inclinaison du panneau face au sud.

La nébulosité étant plus élevée en hiver qu’en été, les courbes de production réelles à 30° et 60° se trouveraient en hiver (extrémités) moins favorables qu’indiqué, mais quand même beaucoup plus favorables que la courbe .

Pour inciter les producteurs à optimiser leurs installations, et particulièrement celles à créer, il faut sortir des prix fixes garantis assortis d’une priorité d’écoulement, qui sont un déni de la réalité, pour les remplacer, à titre transitoire, par un abondement en pourcentage fixe sur le chiffre d’affaires réalisé au prix du marché, sans priorité découlement, ce qui contraindrait les producteurs à s’intéresser au marché. Cet abondement serait pris en charge par la CSPE et limité au même montant. L’abondement nécessaire à l’apparition d’investisseurs serait un excellent indice de la compétitivité réelle de cette filière. L’abondement nul, indispensable à terme, n’est pas pour demain ! Voir notre message sur la centrale photovoltaïque de Cestas.

2.2. Faire varier le prix de l’énergie pour le consommateur

A l’exception de l’écart minime entre les tarifs « heures pleines » et « heures creuses », et de l’écart plus important, mais simpliste, du tarif « Tempo » peu répandu et limité aux puissances supérieures à 9 KW, le prix public de l’énergie électrique est généralement constant ou peu variable.

Dans le même temps, le prix de marché de gros international varie constamment, dans une fourchette extrêmement large qui va d’un prix légèrement négatif (écoulement des excédents allemands d’énergies vertes fatales et prioritaires, produites à contretemps) à plus de 1 000 €/MWh au cours du dernier record historique de consommation à 102 GW le 8 février 2012. Dans un passé récent, les prix moyens se situaient autour de 40 €/MWh, ce qui correspond plus ou moins au coût complet du nucléaire ancien, mais depuis 2 ou 3 ans, il a tendance à descendre entre 30 et 40 €/MWh en raison des excédents verts allemands déjà cités, et aussi du développement dans ce pays, paradoxalement, d’une énergie noire (le lignite) très bon marché.

Il va de soi qu’un lien raisonnable (qui n’est pas une proportionnalité) entre le prix de gros et le prix public serait de nature à freiner la consommation quand celle-ci est élevée, donc chère et émettrice de CO2, et à l’encourager dans le cas contraire. L’utilisateur a en effet la capacité de différer ou d’anticiper certaines consommations avec des conséquences sur son confort qui soient nulles (chauffe-eau, congélateur) ou supportables (chauffage, appareils ménagers).
Ce sujet a été développé dans un message précédent.

3    2.3. Stocker l’énergie solaire : un énorme problème

Il va de soi que le stockage de l’énergie électrique ne dépend pas de la manière dont elle a été produite, et qu’il serait souhaitable de mettre cette énergie en stock quand la production globale, d’où qu’elle vienne,  est excédentaire, et donc bon marché, puis de la restituer quand elle est insuffisante en dépit d’un prix de gros beaucoup plus élevé, tous les moyens de production, même les plus chers, étant alors mobilisés.

Le stockage pourrait trouver sa viabilité économique dans l’écart entre les prix d’entrée et de sortie du stock, sous réserve du coût du stockage, et de son rendement immédiat et selon la durée de stockage. La plupart des méthodes de stockage ont été analysées dans des messages antérieurs. En dehors des STEPS (centrales hydrauliques de haute chute réversibles) limitées aux régions montagneuses, tous les procédés sont très coûteux, avec des rendements très divers.

Examinons comme un cas d’école:

Le graphe ci-dessous donne, pour l’année  2015, les productions et consommations diurnes de cinq jours typiques de l‘année à chacun desquels une couleur a été attribuée. Pour sa clarté, les productions solaires ont été affectées d’un coefficient arbitrairement fixé à 40, ce qui équivaut à prendre en compte un parc photovoltaïque 40 fois plus grand.



Le calcul des aires sous les courbes ci-dessus montre que, au cours de chacune des journées complètes ci-dessous,
un coeff. sur le parc solaire actuel de
répond à une demande journalière de 
après mise en stock de
dimanche 21 juin 2015, solstice d’été, férié
28
990 GWh
580 GWh
mardi 31 mai 2015, ensoleillé, ouvrable
41
930 GWh
500 GWh
samedi 15 août 2015, estival, férié
41
930 Gwh
500 GWh
jeudi 10 décembre 2015, ouvré, près solstice hiver
134
 1 720 GWh
1 450 GWh
5 jeudi 5 février 2015, ouvré, très froid
221
2 040 GWh
1 850 GWh

En termes simples et arrondis, pour produire toute l’énergie électrique par voie solaire, il faudrait :
  • En été, produire 1 000 GWh par jour, soit le parc 2015 multiplié par 50, et en stocker 600 GWh  avant le crépuscule
  • En hiver, produire 2 000 GWh, soit le parc 2015 multiplié par 200, et en stocker 1 800 Gwh avant le crépuscule.

En effet, en hiver, tous les paramètres sont défavorables :
  • La consommation est plus élevée
  • La durée du stockage augmente
  • Le montant à stocker augmente énormément pendant que la production baisse.
  • Ce stock énorme et doit être constitué en un temps plus  court par une production réduite

En hiver, un stock de 2 000 GWh nécessiterait :
  • 200 millions de batteries de 10 KWh à 5 000 € HT pièce, de durée de vie de 5 à 10 ans, soit 1 000 milliards d’euro?
  • ou 400 millions de volants d’inertie en béton de 5 KWh, dont le seul rotor pèse 1 700 kg, de prix inconnu, mais de longue durée de vie, tel que la société Energiestro les envisage. 

Même en été par beau temps, un stock de 600 GW nécessiterait 60 millions de ces mêmes batteries, soit environ 2 par abonné (mais situées en amont de cet abonné, faute de quoi la situation serait largement pire car la variabilité diminue quand elle concerne un grand nombre de consommateurs) pour un coût de 10 000 € tous les 10 ans, soit 1 000 € par an pour la seule continuité en été, beaucoup plus que le coût de l’électricité consommée !

Evidemment absurde ! Ces ordres de grandeur montrent qu’à l’évidence, l’énergie solaire thermique ne permet pas d’assurer une production suffisante, particulièrement en hiver, et nécessite par surcroît des capacités de stockage monstrueuses.

4    2.4.  Suppléer aux intermittences du solaire par  d’autres sources

Stocker de l’énergie solaire le jour pour pouvoir la restituer la nuit n’a d’intérêt que si, finalement, le coût de l’énergie restituée est inférieur à celui qui pourrait être produit par d’autres sources utilisées.

Une batterie de 10 KWh, coûtant 5 000 €, peut absorber 12 KWh, et restituer  1  KW pendant 10 heures, soit un rendement de 80%, et ce, une fois par jour pendant 5 ans, soit environ 1 500 cycles complets. Son coût d’amortissement sera de l’ordre de  3 € par cycle, c’est-à-dire 300 €/MWh restitué.
Le coût du MWh restitué est donc :
120 €/MWh photovoltaïque entrant / 80% de rendement + 300 € d’amortissement = 550 €/MWh

Quelle sont les substitutions possibles ?

2.4.1. Fossiles 
La substitution est tès aisée, mais non envisageable, car on se place ici dans la nécessité absolue d’éliminer les émissions de CO2, tant pour réduire l’effet de serre que par épuisement des combustibles fossiles, bien qu’ils soient parfaitement adaptés à cet usage. Pas de charbon, ni de fioul, ni de gaz.

2.4.2. L’éolien a à peu près les mêmes inconvénients que le solaire : intermittent, moins contra-cyclique, mais aussi moins prévisible. Sa problématique de stockage n’est pas vraiment différente du solaire, et rien ne permet de penser que ces deux énergies intermittentes puissent  se suppléer mutuellement : un grand froid nocturne d’hiver peut parfaitement de produire par temps calme et couvert…

2.4.3. Le nucléaire.
Il n’est pas classé « renouvelable », mais reste disponible pour longtemps, surtout si l’on y intègre des technologies accessibles à moyen terme : surgénérateurs très économes, et thorium pratiquement illimité.
Il est incontestablement décarboné en exploitation.

Rappelons que l’énergie nucléaire de nouvelle génération, à construire aux nouvelles normes post-Fukushima, nécessite un investissement de l’ordre de 9 G€ par EPR de 1,8 Gw, soit 5 000 €/Kw si on l’achète à Areva, nettement moins si on l’achète à la Corée du sud. Pour 5 000 €, le même prix que la batterie de 10 KW qui ne produit rien et de durée de vie limité, on assure donc une production quotidienne de 24 KWh, pendant un demi-siècle, sans émission de CO2 en exploitation.


Pour réduire les émissions de CO2, le nucléaire est incontournable. La loi sur la transition énergétique, qui mène à une impasse, doit être abrogée ou amendée : voir message à ce sujet, points 5, 6 et 8. Le contre-exemple de l’Allemagne en apporte une preuve magistrale  par l’absurde. Les écologistes sincères finiront par le comprendre. Il faut cesser de développer à grand frais l’éolien et le photovoltaïque, et se concentrer sur le gaz, le nucléaire et l’efficacité énergétique (rendements, pompes à chaleur, isolation).

samedi 11 juin 2016

LAMPIRIS : une électricité verte ?





Ce distributeur fait actuellement beaucoup de publicité pour son énergie verte. Sur son site, il se présente :
« Lampiris est un fournisseur indépendant d’électricité renouvelable et de gaz naturel. Il est actif sur le marché belge depuis 2005 et y est aujourd’hui le troisième acteur derrière GDF-SUEZ et EDF.
Fort de 200 000 compteurs en France, Lampiris y commercialise depuis novembre 2011, du gaz naturel et de l’électricité 100% renouvelable aux particuliers et aux professionnels à des prix très compétitifs.
Avec Lampiris, les énergies renouvelables sont la solution d'avenir, sur le plan écologique, mais aussi économique! »

Ses publicités comportent en petites lettres, illisibles sur leur site, mais lisibles sur les affiches, des précisions juridiques importantes :
« *Electricité 100% verte = Electricité 100% renouvelable d’origine française produite à partir d’installation hydraulique : la totalité de l’électricité vendue aux clients Lampiris est couverte par des garanties d’origine achetées en fin d’année civile. A l’aide de ce mécanisme, Lampiris garantit que de l’électricité d’origine renouvelable a été produite et injectée sur le réseau en quantité équivalente à la consommation des clients de Lampiris. Détails sur lampiris.fr . »

Que faut-il en penser ?

Mix énergétique

L’énergie électrique de réseau ne pouvant pratiquement pas être stockée (à l’exception des STEPs limitées par les sites possibles), la production injectée dans le réseau est simultanément consommée de façon indifférenciée par l’ensemble des utilisateurs. L’excellent site « eco2mixrte » de l’opérateur de réseau RTE donne en temps réel, par pas de ¼ d’heure, tous les détails du mix énergétique français et des transferts entre régions,  avec leur historique sur plusieurs années.

A chaque instant, la production est assurée par de nombreuses filières auxquelles l’opérateur de réseau fait appel selon la consommation constatée, dans un ordre bien déterminé :
  • D’abord l’éolien et le photovoltaïque, fatales puisqu’on ne maîtrise pas leur production, qui bénéficient d’une priorité d’écoulement en dépit d’un prix garanti très élevé,
  • Puis les énergies dont le coût est le plus bas : hydraulique au fil de l’eau et nucléaire,
  • Puis, si nécessaire, les énergies utilisant des énergies fossiles : charbon, fioul, gaz et aussi les centrales hydrauliques de pointe (haute chute) ou éclusées (basse chute).
  • Sans oublier des disparités régionales dues aux coûts et aux limites de capacité de transport du réseau.

 Contractuellement vert ou pas ?

Le caractère vert de ces filières est très différentié :
  • Les énergies fossiles émettent beaucoup de CO2, particulièrement le charbon, le gaz étant de loin meilleur, mais pas exempt.
  • Le nucléaire n’en n’émet pas, il est « décarboné », mais pas tout à fait renouvelable car les réserves mondiales d’uranium ne sont pas infinies, quoique de très longue durée à travers des variantes techniques (surgénérateurs, thorium).

Si l’on veut être strictement vert, il ne reste plus que quatre filières :
  • L’hydraulique, en partie aléatoire
  • L’éolien, aléatoire et peu prévisible
  • Le photovoltaïque, contra-cyclique quoiqu’assez prévisible
  • La géothermie profonde qui n’est qu’à ses débuts, et limitée à certaines régions favorables.

Malheureusement, mêmes prises toutes ensemble, elles ne peuvent assurer ni le volume, ni même la continuité de la production. Dans ce contexte, prétendre ne vendre que de l’énergie électrique verte est une gageure ! Comment fait Lampiris ?

La réponse est simple : il ne le fait pas, car il ne s’est pas engagé à la faire !

Relisons attentivement son engagement :
« *Electricité 100% verte = Electricité 100% renouvelable d’origine française produite à partir d’installation hydraulique : la totalité de l’électricité vendue aux clients Lampiris est couverte par des garanties d’origine achetées en fin d’année civile. A l’aide de ce mécanisme, Lampiris garantit que de l’électricité d’origine renouvelable a été produite et injectée sur le réseau en quantité équivalente à la consommation des clients de Lampiris.

Cet engagement est clair, mais limité : une production verte équivalente a été injectée sur le réseau, mais il n’est dit nulle part que cette injection ait été simultanée avec la consommation. Il ne dit pas non plus que l’électricité vendue au client est verte, mais seulement qu’elle est couverte par de l’électricité d’origine hydraulique, supposée verte, injectée antérieurement dans le réseau.

Lampiris tient certainement ses engagements contractuels ainsi rédigés, qui sont trop subtils pour être compris par le particulier. Ce système de couverture pourrait être vert  uniquement si :
  • L’énergie électrique était stockable, ce qui n’est pas nullement le cas,
  • Ou si le mix énergétique était constant, ce qui n’est pas le cas non plus, et de loin.


Les consommations et les mix énergétiques constamment variables selon les circonstances (température, activité, hydrologie, vent, soleil, marées…) et selon les régions. Les filières injectent leur puissance dans un réseau unique. Le pompage, en France ou en Suisse, utilise l’énergie nucléaire française pour produire un supplément d’énergie hydraulique (verte ?). Seuls les chiffres globaux ont un sens, et aucun distributeur ne peut alléguer que son électricité, qui vient du réseau unique, est plus verte que celle de ses concurrents : tout dépend du moment et du lieu de consommation par l’utilisateur, ce dont le distributeur ne peut pas préjuger !

La publicité de Lampiris est critiquable en ceci que la définition « sur mesure » citée plus haut de « L’électricité 100% verte » ne correspond pas au sens commun : dans le texte ci-dessous, aucun utilisateur ne comprendra que l’énergie qui lui sera vendue n’a rien à voir avec elle qui a été acheté par Lampiris : elle sera au contraire évidemment fournie par un réseau dont le mix est ce qu’il est au moment de la consommation, y compris pendant les pointes au cours desquelles les filières fossiles tournent à plein, et l’électricité importée est issue de filières généralement pas vertes. Par surcroît, l’origine 100% française sera alors inexacte. Aucun lecteur ne remarquera que la garantie porte sur "chaque MWh produit" (avant et ailleurs), et non pas "vendu"!


Que faire ?

Ceci étant, l’électricité revendue par Lampiris n’est pas non plus moins verte que celle de ses concurrents, et l’utilisateur préoccupé par la planète pourra donc s’abonner chez eux après avoir vérifié l’avantage compétitif mis  en avant par Lampiris, ce que nous n’avons pas cherché à faire. Il se consolera en se rappelant que le MWh français  est le moins émetteur de CO2 de la planète, et notamment 10 (DIX) fois moins émetteur qu’un MWh allemand, malgré les énormes parcs éolien et photovoltaïque de ce pays. Il peut donc être consommé sans se poser trop de questions !

Pour accroître la part d’électricité verte de sa consommation, l’écologiste intégriste devra :
  • Habiter en France,
  • Mais ni en Bretagne, ni en PACA dépourvues de centrales nucléaires et donc plus émettrices de CO2,
  • Avoir en permanence le graphe du mix énergétique RTE sur l’écran de son ordinateur
  • Couper tous ses consommateurs dès que la part fossile dans le mix dépasse un seuil qu’il aura lui-même fixé (évidemment à moins de 8% qui est la moyenne annuelle nationale)
  • Accepter de consommer de l’électricité nucléaire toujours majoritaire en France, ou  résilier son abonnement !


Bon courage !

mardi 7 juin 2016

Chauffage électrique : grille-pains ou panneaux radiants ?





Résumé

Pour porter une pièce à une température déterminée, les différents types de radiateurs électriques sont tous équivalents, car tous ont un rendement de 100%. En effet, une résistance électrique produit une énergie thermique (chaleur) toujours exactement égale à la puissance électrique consommée. Son rendement est toujours égal à 100%.

Trois modes de transmission de la chaleur :
  • par conduction, de proche en proche dans un métal,
  • par convection, c’est-à-dire par les déplacements naturels ou forcés des particules d’un fluide (eau, air ou autre),
  • ou par rayonnement dans l’infrarouge, la lumière visible ou l’ultraviolet.
Deux types principaux de chauffages domestiques électriques :
  • Des convecteurs, dont la résistance chauffe l’air ambiant.
  • Des panneaux radiants dans lesquels une partie de l’énergie thermique est émise par rayonnement  d’un panneau plus grand et plus chaud qu’un convecteur.
Le chauffage électrique, qui s’est développé depuis les années 70 grâce au bas prix de l’électricité nucléaire et à la hausse du prix du fioul, souffre d’une mauvaise image résultant de :
  • L’extension de la lutte des écologistes contre le CO2, au nucléaire qui  en est exempt,
  • Une réputation de  prix élevé, que le calcul ne confirme pas, mais qui est entretenue par une norme d’équivalence biaisée.

Les panneaux radiants, sèche-serviettes, soufflants, infrarouges sont-ils plus performants et plus économes que les convecteurs, surnommés « grille-pains » ?
Non. C’est le mode de transmission de la chaleur qui différent. Tous ont un rendement de 100%. Le choix se fera donc en fonction du prix et de l’utilisation.

  • Le panneau radiant rayonne davantage que le convecteur et agit directement sur les personnes présentes. La température dans la pièce est plus homogène et peut être légèrement inférieure sans perte de confort. À puissance égale, les deux techniques arriveront exactement à la même température moyenne dans une pièce.
  • Les radiateurs « sèche-serviettes », intermédiaires entre les deux précédents, utilisent convection et rayonnement.
  • Les radiateurs d’appoint soufflants utilisent la convection forcée. Ils  chauffent plus les personnes que la pièce. Ils ne sont pas silencieux. 
  • Les infrarouges muraux utilisés dans les salles de bains, beaucoup plus chauds, rayonnent dans le rouge et l’infrarouge. Leur temps d’utilisation limité les rend intéressants.
Le reproche d’air trop sec à l’encontre du convecteur est valable pour la quasi-totalité des chauffages classiques, électriques ou non : l’air extérieur froid, réchauffé sans apport d’eau, voit son humidité relative baisser fortement. On peut y remédier par apport d'eau par des saturateurs.

Les radiateurs à inertie solide ou fluide ne sont pas traités ici, mais leur rendement reste de 100%, avec une transmission plus ou moins différée.

Chauffage électrique : grille-pains ou panneaux radiants ?

Bases techniques

Création de chaleur par l’électricité : l’effet Joule :

Il traduit le fait que quand une intensité I (en ampères) traverse une résistance R (en ohms), entre une différence de potentiel U (en volts) apparaît entre les bornes de la résistance, selon la célèbre formule : U = R I, correspondant à une puissance électrique consommée égale à P = U I = R I² = U²/R.
Cette résistance dissipe alors une énergie thermique (chaleur, en joules) qui est EXACTEMENT EGALE  à l’énergie électrique consommée (en joules également). La chaleur étant la forme la plus dégradée de l’énergie, et cette dernière se conservant globalement,  le rendement ne peut donc être que 100%.

La transmission de la chaleur

Il existe trois moyens de transmettre la chaleur :

  • La conduction : si une barre solide est chauffée à une de ses extrémités, le reste de la barre s’échauffera progressivement jusqu’à l’autre extrémité, à une vitesse très variable selon sa longueur et son matériau. Il en va de même pour une paroi plate : si l’on chauffe un côté, la température de l’autre côté augmentera plus ou moins vite. C’est très apparent pour les métaux, et particulièrement pour l’argent, le cuivre et l’aluminium. Tout matériau est plus ou moins conducteur. S’il l’est très peu, il est qualifié d’isolant : polystyrène, mousses organiques diverses, laines et feutres organiques ou minéraux… La transmission par conduction est lente.
  • La convection : La chaleur issue de la source (effet Joule, combustion et toute réaction chimique exothermique, fission nucléaire) chauffe localement le fluide présent (air, eau, fumées, liquide caloporteur…) dont le déplacement permet de transporter cette chaleur ailleurs. Elle est dite naturelle si le fluide chaud se répartit spontanément dans l’ensemble du fluide, et forcée si son mouvement est obtenu artificiellement. Exemples de convections forcées, assez rapides:
    • Le fluide de refroidissement d’un moteur d’automobile transporte la chaleur indésirable des cylindres au radiateur extérieur qui la dissipera dans l’air.
    • L’eau primaire d’un réacteur nucléaire EPR transporte la chaleur utile créée par la fission dans les barres d’uranium, depuis le cœur jusqu’à l’échangeur où elle transmet sa chaleur à la vapeur d’eau secondaire.
    • L’eau d’un chauffage central, chauffée par la chaudière centrale, transporte sa chaleur utile vers les convecteurs des différents locaux.
  • Le rayonnement : Tout un corps porté à une température absolue T (degrés Kelvin) rayonne selon un spectre (gamme de longueurs d’onde) qui dépend de T. Ce rayonnement est faible et invisible jusque vers 800° K (527° C). Il augmente avec la température dans toutes les fréquences et particulièrement dans les fréquences élevées, atteignant le spectre visible du rouge au violet, et au-delà, dans l’ultraviolet. Le rayonnement est pratiquement instantané. Si la température est très élevée (filament de tungstène dans le vide d’une ampoule électrique traditionnelle), le rayonnement est prépondérant sur les autres transmissions. Il est directionnel : il ne chauffe que les surface qui l’absorbent. Le soleil chauffe la terre exclusivement par rayonnement, dans une large gamme du spectre incluant la lumière visible.
  • Cumul des modes : bien entendu, ces trois modes de transmission ne sont pas exclusifs l’un de l’autre. Ils sont souvent simultanés, dans des proportions très variables.
Les différents types de radiateurs électriques

L’effet Joule, très anciennement connu, a été utilisé pour le chauffage domestique dès la montée en puissance des réseaux électriques avant 1939, sous forme de convecteurs d’appoint mobiles fonctionnant par convection : l’air au contact des résistances s’échauffe, monte et circule dans la pièce. Dès les années 60, des chauffages principaux électriques ont apparu dans les logements. Dans les années 70, la baisse du prix de l’énergie électrique permise par la production électronucléaire, jointe à l’augmentation du prix du fioul domestique, les a généralisés à la majorité des logements construits depuis. Presque tous ces chauffages étaient de convecteurs muraux.

Le développement du chauffage électrique a néanmoins rencontré deux écueils :
  • L’audience accrue du mouvement écologiste dès les années 90 a amené, avec juste raison, une prise de conscience de l’opinion publique sur le risque climatique lié aux émissions de CO2 résultant de l’utilisation toujours croissante des combustibles fossiles. Sans  doute en raison de ses origines  antinucléaires et pacifistes, ce mouvement a paradoxalement inclut l’électronucléaire dans ses cibles, et a donc lutté contre le chauffage électrique, alors même que l’énergie électronucléaire n’émet pas de CO2, évite la consommation de combustibles fossiles et se trouve totalement déconnectée des armes atomiques.
  • La généralisation de convecteurs électriques dans des immeubles bon marché, pas ou très mal isolés, a débouché sur des consommations élevées qui ont amené l’image d’une énergie chère, ce que les chiffres ne montrent pas, mais qui est aussi induite par les normes de qualité énergétique des bâtiments, fortement biaisées, adoptées sous l’influence de ce même mouvement.
Ces écueils ont amené une défiance du public, et notamment des acquéreurs de logements neufs, comme des acquéreurs de radiateurs électriques en rénovation ou en appoint, vis à vis de ces convecteurs.

Ce sont des produits extrêmement simples, et très bon marché : une boîte plate en tôle, fixée au mur, ajourée en bas et en haut, comporte en bas une résistance électrique qui chauffe l’air, lequel circule naturellement de bas en haut comme dans une cheminée. Leur seule évolution a été le passage du thermostat électromécanique (bilame qui coupe le courant quand la température de de consigne est atteinte dans la pièce) au thermostat électronique qui assure la même fonction, mais beaucoup plus fréquemment et silencieusement, avec la perception d’une puissance réduite et continue améliorant le confort.


Image « Pages-Energie »

Les fabricants et les promoteurs de convecteurs ont cherché à segmenter leur gamme et à lui apporter de la valeur ajoutée. Faute de pouvoir jouer sur le rendement, qui est de toujours de 100% par nature, ils ont cherché à jouer sur la transmission de la chaleur, et ont fait la promotion des panneaux radiants. Ceux-ci se caractérisent par un panneau à une température plus élevée que les parois d’un convecteur, protégé par un grillage pour prévenir les brûlures, et de surface plus élevée, de manière à augmenter  le rayonnement par rapport à la convection, bien que les deux modes existent naturellement dans les deux types d’appareils.


Image « MaisonBrico »

Le rayonnement est absorbé par tout ce qu’il rencontre : murs et cloisons de la pièce, mobilier et personnes présente. La perception directe de la chaleur par les personnes permet d’assurer leur confort avec une température un peu plus basse dans la pièce, ce qui peut amener une petite économie. Selon le nombre d’appareils installés, le panneau radiant amène aussi une température un peu plus homogène.  Mais il faut bien comprendre que :
  • En l’absence de personnes présentes, un convecteur ou un panneau radiant de même puissance aboutiront exactement à la même température moyenne de la pièce.
  • Pour que le panneau radiant apporte un petit avantage de confort, les personnes doivent être placées face à lui, sans écran interposé (meuble, autre personne…), et assez près : si la distance double, le rayonnement reçu par la personne est divisé par quatre.

Vendus nettement plus cher, ils ont reconstitué les marges des fabricants et distributeurs qui en ont assuré la promotion, parlant à tort de « meilleur rendement » et dévalorisant abusivement les convecteurs qualifiés de « grille-pains ».

Sans nier le petit avantage des panneaux radiants pour le chauffage des personnes (et seulement d’elles) leur supplément de prix n’est pas toujours justifié. Pratiquement, ils sont à conseiller dans les salles de séjour, mais apportent peu dans une chambre  à coucher. 

Les radiateurs « sèche-serviettes » sont intermédiaires entre les précédents: leur grande surface améliore le rayonnement, mais ils sont à plus basse température que les panneaux radiants.  Leur structure très divisée est favorable à la convection.


Radiateur Bahia AirElec

Au-delà des panneaux radiants, les infrarouges muraux utilisés dans les salles de bains, beaucoup plus chauds, sans écran de protection fin, ce qui oblige à les placer en hauteur, rayonnent dans le rouge et l’infrarouge. Leur temps d’utilisation limité les rend économiquement intéressants : ils chauffent les personnes beaucoup plus que la pièce, et ce, juste pendant le temps nécessaire. Binaires (en marche ou arrêtés), leur confort est discutable.


Image Noirot

A l’inverse, les radiateurs d’appoint soufflants transfèrent la chaleur principalement par convection forcée. Ils sont directionnels et donc aptes à chauffer des personnes proches plutôt que la pièce, pendant le temps strictement nécessaire, et donc économiques, en concurrence directe avec les infrarouges. Mais ils ne sont pas silencieux, et pas à l’optimum du confort thermique.


Image Tecnolec publiée par Darty

Les arguments usuels contre le convecteur qui apporterait une chaleur trop sèche sont fondés, mais malheureusement partagés avec presque tous les autres types de chauffage : quand l’air froid extérieur, à 5°C par exemple, ayant une humidité relative de 50% (réputée agréable) est chauffé à 22°C sans apport d’eau, son humidité relative baisse de 50% à 15%, et il  peut être qualifié d’air trop sec. Ceci traduit le fait que l’air à 22° peut absorber environ 3 fois plus d’eau que l’air à 5°C, alors que le chauffage n’en n’a pas apporté. Ce problème est commun à tous les modes de chauffage, convecteurs, panneaux radiants et infrarouges électriques, chauffage central à eau chaude quelle que soit la nature du combustible… Il ne se pose pratiquement pas dans des cuisines ou salles d’eau où les apports en eau sont importants : douches, eau bouillante, etc. On peut aussi poser des saturateurs, récipients poreux remplis d’eau, sur les convecteurs, mais il faut penser à les remplir (image ci-dessous). Seules les climatisations avec régulation d’hygrométrie, très peu usuelles dans les logements, résolvent ce problème.


Image « notrefamille.com »

Les radiateurs à inertie solide ou fluide ne sont pas traités ici. Ils permettent de différer de quelques heures la dissipation de la chaleur par rapport à la consommation électrique, ce qui n’est pas sans intérêt, mais n’ont pas davantage pour effet d’améliorer le rendement, en dépit d’argumentaires qui vantent le fait qu’ils chauffent plus longtemps (mais moins !). Beaucoup plus chers, ils sont fortement promus par leurs fabricants et distributeurs, sans que ce soit toujours justifié. A n’acheter qu’après analyse fine du besoin et de la tarification électrique !

Conclusion

Comme on le voit, chaque mode de chauffage électrique a ses avantages et ses inconvénients. Le choix sera fonction de l’utilisation, par exemple :
Panneaux radiants dans le séjour et les pièces à vivre.
Sèche-serviettes, éventuellement complétés par des infrarouges, dans les salles de bains.
Convecteurs dans les chambres à coucher, la cuisine, l’entrée, les WC.
Radiateurs soufflants en demi-saison, pour utilisation brève.

Il faut se rappeler que, pour porter une pièce à une température déterminée, ils sont tous équivalents, car tous ont un rendement de 100%. Il reste que les convecteurs sont les moins chers, peu encombrants, et silencieux : Il n’y a donc pas lieu de mépriser leur simplicité !





lundi 28 mars 2016

Véhicule 2,3 l/100 km : 1 - Principes et architecture




Résumé

Six messages consécutifs montrent que les techniques actuellement disponibles, jointes à une architecture axée prioritairement sur l’économie, peuvent aboutir à une consommation moyenne de 2,3 litres d’essence aux 100 km, pour un véhicule conservant des performances normales en usage polyvalent de la ville à l’autoroute, avec une autonomie atteignant  les 1 000 km. Il s’agit bien de consommation réelle sur une longue distance aux vitesses et circonstances usuelles, loin des tests biaisés commencés batterie pleine et terminés batterie vide.

Sa trace carbone, investissement inclus, est largement inférieure à celle :
  • d’un véhicule tout électrique, 2 fois plus cher et d’autonomie 6 fois plus faible,
  • d’un véhicule à hydrogène, 3 fois plus cher et d’autonomie 3 fois plus faible,

même si l’énergie électrique de ces dernières est décarbonée comme dans l’exception française.

Les solutions préconisées dans le présent message visent à améliorer :
  • L’aérodynamisme : largeur et hauteur réduites, Cx optimisé
  • Les forces de roulement : véhicule léger sur roues de grand diamètre et pneumatique de faible section sous pression élevée
  • Les énergies cinétique et potentielle : véhicule léger et récupération au ralentissement et en descente

La motorisation est analysée dans le second message. Elle part du moteur 3 cylindres 1000 cm3 PSA récent, ramené à 666 cm3 par suppression d’un cylindre. Ce bicylindre de 34 KW et de bon rendement nécessitera un double volant amortisseur à l’entrée de la boîte de vitesses.

Dans le troisième message suivant, le choix des rapports de transmission est déterminé à partir des zones de rendement optimum du moteur dans les différentes circonstances d’utilisation. Cet optimum amenant des rapports très longs, l’agrément de conduite impose une boîte pilotée.

Le quatrième message détermine les paramètres de l’hybridation parallèle dans ses différentes utilisations : récupération d’énergie potentielle et cinétique, fonctionnement urbain en mode électrique, démarrage du moteur thermique, marche arrière, repositionnement du point de fonctionnement du moteur thermique… Il aboutit à une machine de 7 Kw permanents autorisant 15 Kw transitoires pendant 10 minutes.

Le cinquième message esquisse le principe d’une transmission complète à double embrayage, analogue aux boîtes VW SDG 6 ou 7, et calcule les prévisions de performance en vitesse et accélération.

Le sixième message analyse les atouts et faiblesses d’un tel véhicule au plan commercial et tente d’en évaluer les perspectives.


Architecture générale

Depuis une trentaine d’années, on observe une évolution paradoxale des véhicules particuliers :
D’une part, le rendement des moteurs a effectué des progrès spectaculaires, et le coefficient de traînée Cx (à section transversale constante) a été grandement amélioré, aboutissant à une réduction substantielle de la consommation, présentée sous la forme d’émissions de CO2 réduites, ce qui est exactement synonyme.

Mais dans le même temps, les véhicules sont devenus de plus en plus larges et hauts (S), et lourds (m), absorbant ainsi une partie du progrès des moteurs. Par surcroît, ces derniers sont devenus de plus en plus puissants, non seulement pour augmenter le confort de conduite, mais aussi pour flatter l’ego du conducteur par des performances inutilisables selon la réglementation routière, au détriment du rendement. Ce n’est que depuis quelques années que l’on assiste enfin à un « downsizing » des cylindrées, sans réduction de puissance grâce aux turbocompresseurs, et à un début de réduction de la masse.

Tout se passe comme si seuls les fabricants, contraints par les réglementations européennes, avaient changé, cependant que les consommateurs n’ont rien modifié de leur demande qui porte toujours sur des véhicules puissants et volumineux.

Le présent message ne comporte aucune invention géniale, et ne présuppose aucune amélioration  des technologies actuelles. Il se limite à montrer qu’il est possible de concevoir un véhicule thermique (hybride non rechargeable) permettant d’accueillir 3 adultes  avec leurs bagages, sans excéder une consommation réelle de 2,0 à 2,6 litres d’essence aux 100 km dans les diverses conditions d’utilisation courante, sans rien sacrifier d’essentiel. Ce message cherche à éveiller les consciences :

Oui, on peut avoir une voiture ayant une vitesse et une autonomie normales, à un prix normal, en consommant 2 fois moins, et en émettant moins de 50 g de CO2 par kilomètre.

Comment réduire les besoins énergétique ?

L’énergie mécanique requise pour faire avancer un véhicule est utilisée pour vaincre :
  • la force de roulement
  • la force aérodynamique
  • l’inertie par création d’énergie cinétique au cours des accélérations.
  • la gravité par création d’énergie potentielle dans les montées


L’énergie thermique consommée est égale à l’énergie mécanique utilisée divisée par le rendement η du moteur (inférieur à 100%). Le but du jeu est de réduire les 4 composantes de l’énergie mécanique requise et d’améliorer le rendement du moteur en l’utilisant exclusivement dans sa zone de rendement optimum.

Force de Roulement : Fr = m g Cr


Elle résulte principalement de la déformation des pneumatiques au contact de la chaussée, et est donc proportionnelle au poids m g du véhicule, c’est-à-dire, g étant pratiquement une constante, à sa masse m. Il y a donc lieu :
  • De concevoir un véhicule léger, réduisant m
  • D’utiliser des pneumatiques de grand diamètre et de faible section à pression élevée réduisant Cr (cas extrême : les vélos de course)


Force aérodynamique : Fa = ρ v² S Cx/2


Pour diminuer la force aérodynamique, il faut   :
  • réduire la surface S de la maîtresse section en réduisant largeur et hauteur, avec des formes arrondies, et des pneumatiques de faible largeur
  • réduire le coefficient de traînée Cx en utilisant des formes appropriées connues : longueur accrue, capot très incliné avec pare-brise dans la continuité,  glaces affleurant, roues arrière carénées, section horizontale avant très arrondie, etc…
  • supprimer les rétroviseurs extérieurs remplacés par un système caméra arrière et écran


Energie cinétique : E = m v²/2


Pour réduire l’énergie cinétique à produire pour atteindre une vitesse donnée, une seule voie : réduire la masse m. Mais l’approche la plus intéressante consiste à récupérer l’énergie cinétique au ralentissement et au freinage, grâce à une conception hybride permettant de la renvoyer à la batterie.  Cette récupération a toutefois deux limites :
  • son rendement qui ne dépasse pas celui de la batterie multiplié deux fois par celui de la machine électrique,
  • sa puissance maximum qui ne permettra jamais de récupérer l’énergie d’un freinage d’urgence à grande vitesse. Pratiquement, on ne récupèrera que l’énergie des décélérations jusqu’à 1,3 m/sec² dans les vitesses inférieures à 15 m/sec (54 km/h) correspondant à l’utilisation urbaine dans laquelle les ralentissements sont fréquents.


Energie potentielle (déclivité) : E = m g h
A nouveau, évidemment, la proportionnalité à la masse m, amène à réduire cette dernière.
Mais ici encore, la meilleure approche est la récupération de l’énergie potentielle dans les descentes. Rappelons que, sur la durée de vie d’un véhicule, la déclivité moyenne est nulle, les montées compensant exactement les descentes. Mais cette compensation n’est vraie que si, dans les descentes, on ne recourt pas au freinage qui la dissipe en chaleur. Ce sera généralement le cas sur des déclivités faibles, jusqu’à 2 ou 3%, mais le problème se posera très vite dès 4 à 5%.



Optimisation de l’architecture du véhicule

La force mécanique nécessaire au le véhicule est modélisée selon la formule :
F = m [ g (Cr + p)+ dv/dt ] + ρ v² S Cx/2
[(Roulement + Pente) + Accélération] + aérodynamique
La puissance requise est donc : P = F v  
Et l’énergie mécanique : E  = F d       (d= distance parcourue)
Plateforme et carrosserie

Les objectifs majeurs de faible maitresse section S, de faible traînée aérodynamique Cx et de faible masse m, imposent véhicule étroit, mais pouvant recevoir deux passagers côte à côte, de faible hauteur mais compatible avec des passagers jusqu’à 1,90 m, et léger. Nous avons adopté les valeurs suivantes
  • Largeur 1,48 m. C’est celle de la Citroën électrique C0, hors rétroviseurs ici supprimés et remplacés par un système écran + caméra arrière.
  • Hauteur 1,25 m, basse, mais pas extrême : C’est celle d’une Audi R8, 10 cm de moins qu’une Austin Mini, 13 cm de moins qu’une Saxo ou 108, mais 15 cm de plus qu’une Lotus Europe ou De Tomaso Pantera.

Compte tenu d’une section transversale assez arrondie, et d’une garde au sol de 20 cm, on peut tabler sur une maîtresse section de 1,35 m²,

La réduction du coefficient de roulement Cr peut être obtenue par des jantes de grand diamètre équipées de pneus étroits à taille plutôt basse. On imaginerait des pneumatiques 145/50 R 17 gonflés à une pression élevée, de 3 à 3,6 bars mais cette référence est à créer, et ceci reste une affaire de spécialistes. Une telle roue a un diamètre de 58 cm. (Code des pneumatiques : Largeur en mm ; Hauteur en % de la largeur ; Structure R = radial ; Diamètre de la jante en pouces)

A la fois pour améliorer le Cx et pour conserver une habitabilité acceptable en usage courant, le nombre de places est limité à 3, et la longueur est portée à 4,40 m, celle d’une berline  moyenne, compatible avec l’usage urbain sans en faire une citadine. Elle permet la présence à l’arrière d’un siège central pour un adulte, les bagages étant répartis de part et d’autre et derrière. Les enjoliveurs de roues sont plans et les roues arrière sont carénées (façon DS19).

En tablant sur Cx = 0,23, envisageable compte tenu de la priorité donnée à ce paramètre, et de la longueur relativement élevée, le S Cx pourrait être de 0,31 m², significativement plus bas que tous les véhicules de tourisme actuels. Exemple : la Toyota Prius, très profilée, avec un Cx de 0,24 selon son fabricant, mais plus large et beaucoup plus haute est donnée pour 0,54 m². Notre évaluation n’est nullement optimiste.

La réduction de la masse m est obtenue par les petites dimensions, la limitation à 3 passagers, l’architecture à deux portes et hayon, le petit moteur thermique à essence, les roues de faible section, l’absence de roue de secours, et le petit réservoir de 25  litres assurant 1 000 km d’autonomie. Mais elle sera obérée par l’hybridation avec une machine électrique (moteur ou génératrice selon les moments) de 15 KW en crête et une batterie de 10 KWh. L’objectif de 800 kg à vide nécessitera peut-être un recours limité à des éléments en aluminium ou en composites, notamment la plateforme, au prix d’une légère augmentation du coût.

En résumé :


Un tel véhicule ne requiert que 14 KW (19 CV) mécanique à 130 km/h sur chaussée horizontale