mardi 29 novembre 2011

Rendements comparés des filières de production

Le rendement est, pour chaque filière, le rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie primaire utilisée. Sa comparaison entre technologies n’a que peu de sens, car leurs énergies primaires sont de natures et de coût très différents (voir 1.1 ci-dessus). (Attention à des utilisations fantaisistes du mot « rendement », notamment au sens de taux de taux de disponibilité de la puissance installée, qui n’a rien à voir avec un rendement).

Lorsque l’énergie primaire est gratuite ou peu chère, le rendement devient moins important, mais conserve quand même un impact sur :
·   l’investissement qui devra, pour une même puissance produite, être majoré si le  rendement est moins bon (éoliennes, photovoltaïque),
·        la quantité d’énergie primaire qui peut être gratuite, mais pas illimitée (hydraulique).

A l’exception du photovoltaïque, toutes les filières passent par l’énergie mécanique, qu’un alternateur convertit en énergie  électrique. Le rendement des alternateurs est de très bon (petites puissances) à excellent (pertes très inférieures à 0,1%) sur les grosse puissances. Ce rendement est un peu pénalisé dans les éoliennes dont la vitesse variable  et lente nécessite généralement un multiplicateur mécanique de vitesse à plusieurs étages, et un convertisseur de fréquence.

Les filières dont l’énergie primaire est mécanique on un rendement qui est :
·        moyen pour les éoliennes, de l’ordre 40% de l’énergie cinétique du vent dans le cercle balayé par l’hélice,
·        bon pour les centrales hydrauliques (autour de 90% selon les configurations),

Les filières électrothermiques partent d’une source de chaleur (à la température T1 la plus élevée possible), d’origine soit chimique (combustion de charbon ou d’hydrocarbures), soit nucléaire, et transforment cette chaleur en énergie mécanique grâce à :
·        un moteur à combustion interne (gaz ou hydrocarbure) en petites puissances
·        une turbine à combustion interne (turbine à gaz ou à fuel)
·        une turbine à combustion externe, le plus souvent à vapeur d’eau surchauffée :
o   soit dans une chaudière, par la combustion (centrales thermiques)
o   soit dans un échangeur lui-même alimenté par l’eau primaire (centrales nucléaires)

Toutes les filières à combustion externe nécessitent aussi une « source froide », à une température T2 aussi basse que possible : cours d’eau, mer ou tour de réfrigération atmosphérique qui refroidit la vapeur, éventuellement saturée en fin de cycle, afin d’améliorer le rendement



Dans les moteurs à combustion interne, la source froide est à la température T2 des gaz d’échappement, que l’on ne maîtrise pas.

Dans tous ces cas, le rendement est déterminé par le 2ème principe de la thermodynamique, dit de « Carnot-Clausius », selon lequel le rendement ne peut excéder un maximum théorique égal à 1  - T2/T1 (en degrés Kelvin, soit Celsius + 273). Toutes ces filières ont donc des rendements limités dont l’ordre de grandeur est :

·      40% pour les centrales thermiques à combustion interne (turbine à gaz ou moteurs) : T2 à l’échappement trop haut. Dans les centrales de cogénération, cette chaleur ramenée à la source « froide » est réutilisée, notamment pour du chauffage urbain.

·        40% pour les centrales thermiques à combustion externe (turbines à vapeur) : T1 en sortie de chaudière trop bas.

·      35% dans les centrales nucléaires, un peu inférieures aux précédentes en raison de la présence, entre l’eau primaire et l’eau secondaire, d’un échangeur qui réduit encore  T1.

·     Jusqu'à 58% pour les nouvelles centrales thermiques à cycles combinés, constituées d’une turbine à gaz suivie d’une turbine à vapeur, qui autorisent simultanément T1 haut et T2 bas.

La comparaison des rendements ci-dessus a peu de sens : le coût du combustible et l’émission de CO2 des centrales thermiques n’ont pas d’équivalent dans les centrales nucléaires dont le rendement n’est donc pas un paramètre primordial.

Le rendement du photovoltaïque est le rapport entre l’énergie lumineuse reçue du soleil et l’énergie électrique produite. Dans les meilleures conditions, un panneau reçoit 1342 w/m², et fournit 15 à 40 w/m² électriques, soit un rendement bas, de 5% (silicium amorphe) à 15% (silicium cristallin), mais qui n’a qu’une importance relative : les panneaux sont coûteux, mais le soleil est gratuit et illimité

lundi 28 novembre 2011

Appareil électro domestiques

Les réfrigérateurs et congélateurs sont les seuls appareils être en service en permanence, ce qui ne signifie pas qu’ils consomment en permanence : le groupe de froid ne se met en route que si la température intérieure a remonté.

Leur puissance est faible, de l’ordre de 200 watts, et n’est appelée qu’environ 20% du temps, soit une consommation quotidienne de l’ordre de 1 KWh, soit en moyenne 40 watts, l’équivalent d’une petite ampoule à incandescence (traditionnelle) qui fonctionnerait en permanence.

Il n’est pas inutile de préciser que, paradoxalement, un réfrigérateur ne refroidit pas la cuisine, mais au contraire la réchauffe. Si son groupe produit par exemple 1 000 joules de froid à l’intérieur en consommant 500 joules sur le réseau électrique, son radiateur situé au dos dissipera 1 500 joules dans la cuisine. Mais le flux thermique à travers l’isolation ou par ouverture de la porte finira par transférer 1 000 joules de la cuisine vers l’intérieur. Au final, il aura bien chauffé la cuisine à hauteur de 1500 – 1000 = 500 joules, soit l’énergie qu’il a reçue du réseau. 

Les réfrigérateurs et congélateurs affichent des consommations électriques de plus en plus basses qui sont obtenues uniquement grâce à l’amélioration de l’isolation, puisque les unités hermétiques (groupes de froid) n’ont guère évolué, sinon par un changement de fluide thermodynamique qui n’apporte rien à cet égard. Cette isolation est donc de plus en plus épaisse. En d’autres termes, pour un même volume extérieur, le volume intérieur s’est significativement réduit, ce qui est un inconvénient. Ils présentent néanmoins l’avantage d’une remontée en température plus lente en cas de coupure d’alimentation.

Les appareils de cuisson sont de très gros consommateurs, de l’ordre de 3 à 4 kw, voire jusqu’à 7 kw (soit 32 A)   pour un four électrique ou une plaque de cuisson, mais cette puissance n’est utilisée en continu que pendant la montée en température. L’énergie utilisée à cet effet sera entièrement perdue au refroidissement de celui-ci. La puissance se réduit après, soit par un variateur, soit par des intermittences. Leur temps d’utilisation est bas, de l’ordre de 2% à 5% du temps.

Solution assez peu utilisée quoique très intéressante, un délesteur, situé dans l’armoire électrique, permet de :
·        couper le chauffage pendant ces pointes de consommation
·        éviter un abonnement plus puissant, et donc plus coûteux,
·        réduire les pointes de consommations.

Ils ont été l’objet de gros progrès :
·       Un four a un rendement déplorable : la part d’énergie absorbée par le chauffage et la cuisson de l’aliment est un pourcentage dérisoire.
·       Un four à convection forcée ("chaleur tournante") réduit le temps de cuisson de 20% et donc la consommation (dans un moindre ratio, car la montée en température, identique, reste perdue).
·        Un mini four réduit plus significativement cette consommation, au prorata de sa taille.
·        Un four à micro-ondes a un très bon rendement, de l’ordre de 70%, mais n’est pas toujours  approprié.
·        Des plaques électriques conventionnelles à résistance nécessitent, comme les fours, une montée en température, qui nécessite une énergie finalement perdue. Leurs pertes en température stabilisée restent importantes.
·        Les plaques électriques à halogène suppriment la montée en température, et réduisent les pertes à température stabilisée.
·     Les plaques à induction arrivent à un très bon rendement : l’essentiel de l’énergie consommée sert effectivement à chauffer l’aliment et son récipient.

L’utilisateur éco-responsable s’équipera de plaques à induction, et utilisera le four à micro-ondes chaque fois que possible. Il évitera les excédents d’eau de cuisson finalement rejetée.

Les lave-linge et lave-vaisselle sont aussi de gros consommateurs, typiquement 2 kw pendant la durée du cycle. Circonstance aggravante, cette énergie est pour l’essentiel perdue sous forme d’eau chaude évacuée à l’égout, et donc ne contribue pas au chauffage. Ils ont néanmoins fait des progrès en réduisant l’énergie et l’eau consommée par cycle. L’utilisateur soucieux d’environnement utilise des cycles courts et moins chauds, souvent prévus par le fabricant comme « éco ». Aucune amélioration spectaculaire n’est à attendre.

Les sèche-linge sont aussi un gros consommateur, mais à la différence des précédents, leur énergie électrique est intégralement réutilisée en hiver comme participant au chauffage. Une variante intéressante consiste à étendre  le linge à sécher dans une pièce munie d’un déshumidificateur électrique, dont la consommation électrique est environ le 1/10ème d’un sèche linge, réglé sur une hygrométrie de 40%. Dans cet air sec, le linge sèche en quelques heures, silencieusement et sans s’user.

Eclairage
Les lampes à incandescence classiques sont de plus en plus  remplacées par des technologies plus économes , à plus longue durée de vie, mais aussi plus onéreuses, dans l’ordre :
·        Ampoules halogènes 230 V ou 24 V, toujours à incandescence, mais avec rendement amélioré
·        Tubes à décharge conventionnels, dont le rendement est 4 fois supérieur.
·        Tubes à décharge en U, en spirale… dits « ampoules basses consommation », équivalents aux précédents
·        LEDs, au rendement très supérieur (plus de 10 fois).

Ces nouvelles technologies ont aussi quelques inconvénients :
·        Démarrage lent pour la plupart des « ampoules basses consommation »
·        Encombrement souvent supérieur
·        Charge inductive (inductance ou transformateur, en dehors des halogènes 230 V) pas toujours bien supportée par les interrupteurs, notamment les « olives » montés sur les fils. Cette charge inductive  et génératrice de courant réactif qui ne transporte pas d’énergie, mais engendre des pertes en ligne,


et un avantage intéressant pas toujours compris :
·      l’échauffement réduit permet d’augmenter la puissance d’éclairage des lampes, lampadaires et autres appareils, généralement limitée uniquement par la dissipation thermique de l’ampoule.

Bien entendu, la dissipation thermique des appareils d’éclairage participe aussi au chauffage pendant sa période d’utilisation. Il s’en suit qu’en France, actuellement, la réduction des émissions de CO2 par la réduction des pertes n’est pas significative. Pour autant, elle participe aux « négawatts » et reste donc souhaitable, notamment après amélioration de l'efficacité énergétique du chauffage.

vendredi 25 novembre 2011

Vraies et fausses économies d'énergie électrique

La pensée "écologiquement correcte" nous abreuve par les médias de recommandations culpabilisantes, notamment relatives à l'énergie. Prenons le temps d'y réfléchir quelques minutes afin de distinguer celles qui sont pertinentes et les autres.


Dans la plupart de logements, la température est régulée par un thermostat central, ou par les thermostats des radiateurs, ou, au pire par la réaction de l’occupant qui règle le chauffage à sa convenance.

Tous les appareils électrodomestiques consomment de l’énergie électrique pour remplir leur office (chauffer ou refroidir des aliments, éclairer, aspirer, afficher, calculer, charger, mouvoir…), mais cette énergie est finalement presque entièrement restituée sous la forme dégradée de chaleur dans le logement. Les exceptions sont rares :
·        eau chaude évacuée à l’égout,
·        consommateurs situés hors du périmètre chauffé.


Il s’en suit que pendant la période de chauffage, les pertes des appareils électrodomestiques sont presque intégralement compensées par une moindre consommation de chauffage :
·        Si le chauffage est électrique cette compensation est stricte, dans la même énergie : les pertes sont strictement neutres. Les réduire ne change rien.
·        Si le chauffage est par combustion de gaz ou de fioul, deux cas sont possibles :
o   En période de pointe (~20 jours par an) : le supplément d’électricité dû aux pertes est produit par des centrales thermiques, avec un rendement typique de 35%, soit un coefficient 3. Ces pertes contribuent au chauffage à hauteur de leur puissance, soit 1. La perte est donc de 3 -1 = 2 au niveau de l’énergie primaire alimentant les centrales. Les émissions de CO2 augmentent.
o   En dehors de pointe (~300 jours par an) : les centrales thermiques sont arrêtées. Le supplément de consommation électrique se traduit par un accroissement de la production électronucléaire, sans émission de CO2. La réduction du chauffage due aux pertes réduit les émissions de CO2.

En dehors de la période de chauffage, c'est-à-dire en été où il n’y a pas de pointes, le supplément de consommation électrique dû aux pertes augmente la consommation électrique électronucléaire, sans effet sur le CO2.

Sur l’année complète :

En termes de CO2, l’amélioration des rendements des appareils électrodomestiques a un effet :
·        plutôt d'augmentation des émissions dans les logements chauffés au gaz, fuel ou charbon,
·        strictement neutre dans les logements à chauffage électrique.
Ce résultat paradoxal résulte du fait que les pertes constituent un chauffage électrique très peu émetteur de CO2.  Bien entendu, il vaut pour la France uniquement.

En termes économiques, cette réduction des puissances consommées est légèrement favorable grâce :
·        à la réduction des pertes électriques en été,
·        et au coût souvent inférieur de l’énergie calorifique de combustion par rapport à celui de l’électricité.
On reste très loin des analyses des fabricants ou des associations de consommateurs qui ont juste oublié que les « pertes » ne sont pas perdues : elles chauffent ! 


Il n'y a donc pas lieu de payer plus cher un appareil plus économe s'il doit être installé dans un logement à chauffage électrique. Ceci est vrai aussi en termes de CO2: un appareil plus cher a probablement une empreinte carbone plus élevée qu'un appareil bon marché: Il n'a d'intérêt écologique que s'il permet réellement de réduire les émissions d'utilisation, correction de chauffage incluse.


En considérant le long terme, l'analyse peut changer :
Le paradoxe ci-dessus résulte du fait que le chauffage est la dépense d'énergie prépondérante.
Si l'on met en oeuvre des solutions améliorant l'efficacité énergétiques, telles que l'isolation, les pompes à chaleur, etc. on arrivera à ce que les pertes considérées ci-dessus cesseront d'être compensées par la réduction du chauffage:
  • Avec une pompe à chaleur de coefficient 3, une perte de 100 watts n'entraîne qu'une réduction de chauffage de 33 watts
  • Avec une maison très bien isolée en demi-saison, les pertes peuvent excéder le besoin d'apport thermique
La réduction des pertes des appareils électro-domestiques reprend alors tout son sens.

La vraie conclusion est que les efforts doivent porter prioritairement sur l'amélioration de l'efficacité énergétique du chauffage, sans laquelle le reste n'apporte en général pas grand chose. Les produits industriels à rendement amélioré serviront ensuite.


Rien n'est simple! 

Chauffage et climatisation domestiques et tertiaires

L’énergie consacrée au chauffage et à l’eau chaude représente 36 MTEP, dont 20 les MTEP d’origine électrique représentent 54% de la consommation électrique nationale. C’est donc le poste majeur qui mérite tous les efforts de réduction. A cet effet, de nombreuses pistes existent:

Les chauffages « biénergie » mixtes thermique / électricité sont une solution simple et efficace. L’addition de quelques radiateurs ou convecteurs électriques sur tarif ERD Tempo à un chauffage central thermique (gaz ou fuel) est généralement simple et peu coûteuse, y compris dans les nombreux immeubles à chauffage central collectif dépourvu de comptage individuel, générateurs d’énormes gaspillages.
  • Le chauffage de base électrique fonctionne en priorité, mais n'est dimensionné que pour la moitié de la puissance de chauffage maximum requise, ce qui est suffisant jusqu’à des températures extérieures supérieures à 8°C. Ce sera le cas en période de chauffage pour tous les jours bleus, et peut-être nuit des blancs selon le prix relatif des deux énergies. 
  • Par temps froid (jours blancs), le chauffage central thermique à mi-puissance, donc insuffisant, fonctionne. Le chauffage électrique qui reste variable selon le choix de l'utilisateur, s'y ajoute.
  • Aux périodes de pointe (jours rouges), le chauffage thermique à pleine puissance se substitue entièrement au chauffage électrique arrêté.
Cette solution simple et éprouvée, qui ne nécessite que quelques radiateurs électriques de petite puissance supplémentaires dans des logements déjà équipés de radiateurs de chauffage central, a des avantages considérables :
  • Elle responsabilise l'utilisateur à sa propres consommation pendant 343 jours par an, soit 94% du temps. 
  • Elle réduit  les infrastructures de production et de transport électrique parce qu’elle ne participe pas aux pointes. 
  • Elle ne supprime pas les émissions de CO2 dues au chauffage thermique mais permet quand même de les diviser par 2 ou 3. 
  • Elle peut s'effectuer dans une large mesure sans augmentation du parc nucléaire existant, car elle n'augmente la consommation électrique qu'en dehors des pointes.
L’isolation thermique est une solution bien connue, mais insuffisamment mise en œuvre. Elle permet de réduire l’énergie nécessaire au chauffage domestique ou tertiaire. Si l’isolation des bâtiments modernes (murs, baies, toitures) est généralement correcte, beaucoup reste à faire dans le parc ancien, mais c’est difficilement chiffrable compte tenu de l’extrême diversité de ce parc. C’est un axe majeur pour créer des « négawatts » de chauffage, toutes énergies confondues.

Les VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée) à double flux comportent un échangeur de chaleur qui transfère à l’air froid entrant les calories récupérées dans l’air chaud sortant. Cette solution simple permet d’économiser de l’ordre de 5% du chauffage.

Les bâtiments HQE (Haute Qualité Environnementale) passifs permettent de se passer de chauffage, sous quelques conditions pas toujours réalisées :
·        être occupés en permanence (1 homme = 50 watts)
·        avoir des appareils ménagers et d’éclairage ayant des pertes thermiques significatives
·        ne pas ouvrir les fenêtres

Ce sont des bâtiments :
·        dépourvus de balcons (pour éviter les ponts thermiques dans leurs dalles),
·        munis de très petites ouvertures, sauf au midi où elles doivent être très grandes (récupération de la chaleur du soleil).
·        Ces dernières doivent être occultées la nuit et ouvertes le jour.
·        Ils doivent donc avoir une façade au midi, ce qui n’est pas toujours possible (urbanisme, topographie).
Il y a bien des solutions écologiques qui n’ont pas ces inconvénients, et qui sont donc à mettre en œuvre en priorité.

Les pompes à chaleur, souvent appelées à tort géothermiques ou aérothermiques, sont une excellente solution, peu connue en France, mais très usuelles en Suisse, en Finlande. Un cycle frigorifique fonctionnant « à l’envers » permet de chauffer un bâtiment en refroidissant le sol (géothermie) ou l’air (aérothermie).



La chaleur utile au chauffage atteint respectivement environ 2 à 3 fois (aérothermie) à 3 à 4 fois (géothermie), voire 5 fois (source froide dans la mer) l’énergie électrique dépensée, divisant d’autant la consommation électrique. L’investissement est assez élevé, mais peut toutefois être réduit en dimensionnant la pompe à chaleur en chauffage de base, soit environ 50% de la puissance maximum par grand froid, mais 90% de l’énergie consommée sur l’année, avec un complément par chauffage non électrique conventionnel, comme en biénergie.



 Ce cycle est régi par le principe de Carnot-Clausius : de la chaleur est prélevée sur la source froide (ici la moins froide possible, l’air ou le sol) et transportée par le fluide thermodynamique vers la source chaude (ici la moins chaude possible, le radiateur ou le sol chauffant). Son rendement est d'autant plus élevé que la différence de température entre les deux "sources" est faible. 

Pour situer l’intérêt de cette solution, remarquons que les applications de chauffage et eau chaude consomment actuellement chaque année:
·        20 MTEP d’énergie électrique,
·        16 MTEP d’énergie thermique  au gaz ou fuel,
·        soit au total 36 MTEP.
Si tout ce chauffage pouvait être remplacé par des pompes à chaleur divisant par 3 la consommation électrique, ce total serait réduit à 16 MTEP électrique, soit moins que l’actuelle consommation électrique. On économiserait ainsi au moins les 16 MTEP ci-dessus d’énergie primaire fossile, soit environ 50 MT de CO2. C’est une solution majeure.

Les panneaux solaires thermiques en toiture peuvent assurer une part significative de la production d’eau chaude sanitaire en été, et dans une moindre mesure par temps ensoleillé en hiver. Compte tenu du stockage de l’eau chaude dans un ballon, le caractère fatal de l'énergie solaire est moins critique : on peut utiliser la nuit l’eau chaude qui a été produite le jour, contrairement à ce qui se passerait pour des panneaux photovoltaïques.

Paradoxe de la climatisation
Elle est devenue le symbole de la société de gaspillage énergétique. Et pourtant, elle mérite quelques minutes de réflexion.

Notons d’abord que pour transformer une pompe à chaleur utilisée en hiver, en climatisation pour l’été, il suffit de très peu de chose : une vanne dite « 4 voies » sur le fluide thermodynamique, et la récupération de l’eau condensée, selon la technologie utilisée.

En France, pays tempéré, (contrairement aux pays chauds à niveau de vie élevé), les pointes de consommation électrique sont en hiver par temps froid. En été, par canicule, la consommation est faible : la production et la distribution sont assurées par la filière électronucléaire et un réseau de distribution qui sont très loin de leurs maximums : La consommation électrique des climatiseurs tombe donc à point nommé, très peu coûteuse, non émettrice de CO2. Dans des limites raisonnables, et notamment dans les régions méditerranéennes, il n’y a pas lieu de s’opposer à la climatisation, d’autant qu’elle constitue une forte motivation pour s’équiper de pompes à chaleur réversibles qui seront très bénéfiques en hiver.

"Négawatts": Efficacité énergétique et Economies d'énergie

Par opposition aux mégawatts, unité de puissance, cet astucieux néologisme désigne 

  • l'amélioration de l'efficacité énergétique, c'est à dire même résultat avec moins d'énergie
  • les économies d’énergie électrique, notamment par rapport aux consommations non indispensables  
Réduire la production électrique ?

Remarquons d’abord que l’énergie électrique est en concurrence avec d’autres énergies pour la majorité de ses applications, avec des parts de marché très variables : 

  • chauffage domestique et tertiaire : 47% 
  • transports ferroviaires : > 95% 
  • transports routiers : < 1% 
  • transports aériens et maritimes 0%
Un transfert de l’énergie concurrente vers l’électricité peut être souhaitable si celle-ci permet finalement d’obtenir la même efficacité avec moins d’inconvénients écologiques, ou inversement.

Remarquons  ensuite que l’objectif écologique est multiple :
·        réduire les infrastructures de production et de transport (investissements), et donc les pointes,
·        réduire les émissions totales de CO2,
·        le faire au moindre coût, dans un souci d’efficacité maximum.

Il n’est nullement antagoniste avec l’objectif économique bien compris à moyen et long terme :
·   Réserver les énergies fossiles, et notamment le gaz et le pétrole, aux applications pour lesquelles elles sont difficilement remplaçables, dans l’ordre : pétrochimie, transports aériens, transports maritimes et routiers.

Réduire les pointes de consommation électrique

La consommation électrique française varie au cours de l’année entre 6 et 100 Gw, soit un facteur 17. Pour éviter tout crash, les infrastructures de production et de transport doivent être dimensionnées au niveau maximum, et ce sans prendre en compte les énergies dites « fatales » dont on ne maîtrise pas la survenance (hydraulique au fil de l’eau, éolien, photo voltaïque).

A défaut de pouvoir stocker l’énergie électrique, il est essentiel de réduire ces pointes, ce qui peut se faire de différentes manières :

Dissuasion tarifaire : Le tarif « Tempo » pour le grand public fait varier le prix du KWh dans un facteur 10. Il a des équivalents pour les clients professionnels. Il est souvent mal compris du grand public, attaché à la fiction d’un coût fixe du KWh.

 

Reports de consommation, motivé par un tarif variable :
·        Production d’eau chaude sanitaire avec ballon
·        Chauffage électrique réduit, ou chauffage à accumulation arrêté
·        Utilisation de délesteurs coupant le chauffage quand la cuisson électrique est en cours.
·        Frigo-congélateur arrêté si la température de consigne n’est pas dépassée de plus de 2°C par exemple
·        Industries d’électrolyse (aluminium, traitement de surface…)
·        Charge de batteries
·        Eclairage publicitaire
·        Eclairage routier
·        Etc.

Evolution numérique

On pourrait imaginer d’aller encore plus loin : 

  • Il existe déjà le système Voltalis: cet organisme vend à l'opérateur du réseau électrique des "effacements diffus" qu'il réalise en procédant, grâce à des signaux transmis en CPL (Courant Porteur en Ligne, qui utilise les lignes 240 V pour transmettre des informations grâce à des tensions de 8 à 150 KHz superposées au 50 Hz), à la coupure temporaire de certaine sections de chauffage et d'eau chaude chez ses abonnés qui voient ainsi leur facture légèrement réduite, et leur confort légèrement affecté. 
  • Prix de l’électricité continûment variable selon les moyens mis en œuvre pour satisfaire la demande, et donc croissant avec celle-ci, sans que le prix moyen pondéré puisse excéder le prix contractuel ou réglementé. Le prix instantané pourrait être connu par Internet et WiFi, ou par des signaux codés émis périodiquement par ERDF (ou tout autre opérateur) sur ses lignes en CPPL. Chaque appareil consommateur domestique ou industriel serait muni d’une commande intelligente et paramétrable ou programmable, informée en permanence du prix de l’électricité, qui connecterait ou déconnecterait cet appareil, ou modulerait la puissance, selon le prix instantané et les circonstances. Bien des applications peuvent en effet être arrêtées ou réduites quelques heures pour passer la  pointe.
Réduire la consommation moyenne

Cet objectif s’entend ici sans retourner à l’âge de pierre, ni même réduire notre confort. Cette condition est un gage d’efficacité : les solutions indolores et pas trop coûteuses seront mises en œuvre beaucoup plus vite ! Deux axes sont à considérer :

L’énergie pour le chauffage et l’eau chaude (37 MTEP, dont 20 MTEP  électrique) peut être réduite dans de larges proportions par différentes manières détaillées dans la le message dédié :
·        Biénergie
·        Isolation thermique
·        Pompes à chaleur
·        Panneaux solaires thermiques
·        Paradoxe de la climatisation

L’énergie pour les applications électro-domestiques est beaucoup moins susceptible de réductions, parce que ces applications correspondent à des appareils dont la durée de vie est bien inférieure à celle d’un bâtiment : leur renouvellement leur a permis de suivre le progrès technique. Un message leur est consacré.

Les pertes des applications électrodomestiques viennent souvent en déduction du chauffage : cette interaction fait l’objet du message « Vraies et fausse économies »





jeudi 24 novembre 2011

Pollution et risques par filière

Ce message ne traite pas des émissions de CO2, qui font l’objet d’une fiche spécifique.

Les centrales électro-hydrauliques nécessitent presque toutes des barrages permettant de créer une réserve d’eau, et éventuellement de créer ou d’augmenter la hauteur de chute. Ces lacs de barrage modifient profondément l’écosystème des vallées noyées en amont, mais peuvent présenter un intérêt touristique : ci-dessous, les lac et barrage de Bort-les Orgues, en Corrèze. Bien que très rare, on ne peut exclure le risque de rupture d’un barrage comme celui de Malpasset sur le Var, près de Fréjus, qui fit 423 morts en 1959, mais qui, étant destiné à l’irrigation, ne produisait pas d’énergie, et se trouve donc hors sujet.



L’extraction du charbon est dangereuse, particulièrement en sous-sol : effondrements, explosions (« coups de grisou »), silicose, affaissements miniers… Ses victimes se comptent par dizaine de milliers. Sa combustion produit des cendres et des gaz indésirables.
L’extraction du pétrole est intrinsèquement moins dangereuse, mais son extrême rentabilité conduit souvent à des risques politiques majeurs pouvant conduire à des guerres. Son extraction en mer et son transport par pétrolier peuvent occasionner des « marées noires ». Il doit être distillé avant usage, les composantes « nobles » (essence, kérosène, gasoil, benzène, etc.) étant destinées aux transports et à la pétrochimie, et les plus lourdes aux utilisations industrielles et à la production d’énergie. Selon son traitement, sa combustion peut aussi amener des gaz indésirables, notamment NOx et SO2.
Le gaz naturel, principalement constitué de méthane (CH4), est le moins polluant et le moins dangereux des hydrocarbures, mais ne peut se transporter que par gazoduc ou par bateau dit « méthanier » après une liquéfaction coûteuse à -162°C. Contrairement à une idée tenace ayant son origine dans le « gaz à l’eau » (CO+H2) aujourd’hui abandonné, le gaz naturel n’est pas en lui-même un poison, et n’est nocif qu’après inhalation de quantités importantes. Toutefois : 

  • sa combustion avec insuffisance d’oxygène notamment dans une installation en mauvais état, peut produire du monoxyde de carbone CO, très toxique.
  • comme tous les combustibles, une fois mélangé à l’air, notamment en cas de fuite, il peut évidemment exploser.
Mais ces risques, qui sont communs à tous les combustibles carbonés (poussière de bois ou de charbon, fuel, GPL), bien réelles dans des installations de chauffage domestique à la maintenance incertaine,  ne concernent guère le gaz en tant qu’énergie primaire pour produire de l’électricité  dans une centrale industrielle de grande puissance.

L’éolien apporte une pollution optique et acoustique qu’il faut bien évaluer. Par exemple, pour créer en Bretagne les sources d’énergie électrique qui manquent à cette région, on pourrait, pour une même production annuelle:

  • Reprendre le projet (abandonné en 1981sous la pression de l'opinion publique) de centrale nucléaireà Plogoff (Sud Finistère), soit une tranche de 1 600 Mw peu visible au pied de sa falaise, et dépourvue de tours de réfrigération atmosphérique, ses condenseurs  pouvant être refroidis par les forts courants marins, 
  • ou installer 4 000 éoliennes de 1,6 Mw sur toute la côte bretonne de St Malo à La Baule, c’est à dire une tous les 150 mètres, tout en sachant qu’elles devraient quand même être doublées par une ou deux centrales thermiques en stand-by, capables de prendre le relais quand le vent tombe 

Manifestement, le choix de la solution écologique n’est pas aussi évident qu’on aurait pu le penser !


Le photovoltaïque conduit à installer des champs de panneaux solaires. Pour produire l’équivalent d’une tranche de centrale nucléaire ou thermique de 1 600 Mw qui tient dans 1 km², il faut environ 1 000 km² (l’équivalent de Paris et ses 3 départements limitrophes), ainsi perdues pour d’autres applications et notamment pour l’agriculture ou la biomasse. Elles doivent aussi être doublées par d’autres centrales à faible inertie, c'est-à-dire principalement thermiques, pour pallier à l’obscurité (aisément prévisible) et à la nébulosité (beaucoup moins prévisible).


En dehors de l’ex-URSS, le nucléaire civil n’utilise que réacteurs dits « à eau bouillante » ou « à eau pressurisée » avec enceinte de confinement. En France, ils sont tous de ce dernier type. Le transport de la matière première porte sur de faibles tonnages, sans risque de pollution. Le réacteur nucléaire est intrinsèquement très dangereux, mais donc très surveillé. L’expérience cumulée dans le monde, portant sur 500 réacteurs BWR ou PWR mis en service depuis 1970 n’a connu que deux  accidents majeurs :

  • Une fusion du cœur à Three Miles Island aux USA en 1979, ayant pour origine une erreur humaine de l’exploitant, qui n’a fait aucune victime et n’a entraîné qu’une faible pollution, l’enceinte de confinement ayant totalement joué son rôle.
  • Le récent accident majeur de Fukushima au Japon, portant sur la fusion partielle ou totale des cœurs de 3 réacteurs BWR sur les 6 installés, avec une pollution majeure, mais n’ayant, à ce jour, pas fait de victimes avérées. Cette centrale a parfaitement résisté à un séisme de magnitude exceptionnelle (8,4), ce qui est plutôt rassurant, mais le tsunami consécutif, qui a dépassé les prévisions les plus pessimistes, et qui a fait près de 20 000 morts par ailleurs, a détruit les systèmes de refroidissement et l'alimentation électrique extérieure, entraînant des échauffements incontrôlés du cœur  et des dégagements d’hydrogène à l’origine de deux explosions chimiques qui ont lourdement aggravé le problème. Deux des trois enceintes de confinement ont connu des fuites, ce qui ne signifie pas qu’elles aient été inutiles. Des pollutions majeures se sont produites, dont les conséquence sont encore difficiles à évaluer. La responsabilité semble être celle des concepteurs (GE et Toshiba), plus que celle de l’exploitant (Tepco). Ses suites sont évidemment à suivre de très près. Voir l’excellente information donnée à ce sujet par l’IRSN.
  • La catastrophe de Tchernobyl est relative à une filière totalement différente, en cours d’abandon, dite graphite eau pressurisée sans enceinte de confinement. La catastrophe a été provoquée par des erreurs humaines s’ajoutant à une culture de sécurité déficiente sur une centrale de conception déplorable. Elle a pris les proportions connues en raison de sa technologie, notamment la combustion du graphite à l’air libre pendant 12 jours. Concernant la filière française, elle n’apporte aucun enseignement, et se trouve totalement hors sujet.
La pollution thermique, commune aux centrales thermiques et nucléaires utilisant des turbines à vapeur, résulte de la nécessité de refroidir les condenseurs de la turbine pour améliorer son rendement thermodynamique.  Elle se traduit par un réchauffement significatif des rivières et/ou par l’émission de vapeur d’eau par les réfrigérants atmosphériques qui procèdent par évaporation partielle (autour de 5%) de l’eau à refroidir. Cette eau n’est pas l’eau de condensation qui circule en circuit fermé (eau secondaire dans le cas des EPR), mais l’eau de la rivière. Cette pollution thermique impose aussi d’implanter ces centrales près de cours d’eau ou au bord de la mer.



CO2 : Emissions sur investissement et exploitation par filière

Rappelons d’abord que le CO2 n’est pas à proprement parler une pollution : il est indispensable au cycle du carbone dans la photosynthèse qui est à l’origine des végétaux, et donc de la vie. Toutefois, l’augmentation, parfaitement certaine et mesurable, du taux de CO2 dans l’atmosphère depuis le début du dix-neuvième siècle, c'est à dire depuis le début de l'utilisation des énergies fossiles, est considérée par la plupart des climatologues comme contribuant à l’effet de serre qui entraînerait un réchauffement climatique aux conséquences préoccupantes. Il est donc essentiel d’en limiter les émissions.

Emissions dues à l’investissement



Méthodologie

Autant il est facile de calculer les émissions de CO2 résultant de l’exploitation des filières utilisant  des énergies primaires fossiles (charbon, hydrocarbures, voir ci-dessous), autant il est difficile de chiffrer les émissions résultant de l’investissement dans les différentes filières. Il est en effet presque impossible de chiffrer l’émission résultant des innombrables composants et sous-ensembles d’une centrale hydraulique, thermique, nucléaire ou éolienne, sans oublier leur mise en œuvre (main d’œuvre, fluides, énergie…), le tout en partant des ressources naturelles brutes dans leurs gisements respectifs: minerai de fer, bauxite (aluminium), pyrites (cuivre), charbon et pétrole (chaleur et transports), chaux (béton), carrières (agrégats), etc.. Par surcroît, l’émission liée à la fabrication d’un composant varie considérablement selon le lieu de fabrication : elle sera bien plus réduite si la fabrication est réalisée en France (nucléaire) ou en Suisse (hydraulique), qu’en Chine ou en Allemagne (charbon).

Pour autant, ne pas tenir compte du CO2 sur investissement conduirait à des erreurs d’appréciation significatives. Il faut donc se contenter de chiffres très approximatifs, « 100 » pouvant signifier « entre 50 et 200 », qui préservent quand même les ordres de grandeur, plutôt que de l’oublier.

A ce niveau de précision, une méthode simple et fiable sinon précise, consiste à considérer que l’émission de CO2 est en gros proportionnelle au coût. La matière première naturelle in situ étant par nature gratuite, les coûts successifs des matières premières, demi-produits, composants, sous-ensembles, produits finis ne sont que l’addition des valeurs ajoutées diversifiées (process, main d’œuvre, transport) aux différents stades de l’élaboration de la centrale électrique finale. Ces coûts dépendent aussi des marges réalisées par les différents intervenants, mais celles-ci sont la rémunération de l’investissement de l’intervenant, et traduisent à nouveau largement des coûts. Les filières hyper-compétitives, notamment l’extraction pétrolière, et la sous-traitance dans des pays « low cost » faussent un peu la donne, mais rien n’indique que leur impact sur les investissements soit  très différent d’une filière à une autre. Faute de mieux nous utiliserons ci-dessous cette méthode.

Nous adopterons un ratio de 1 tonne de CO2 par 1000 € d’investissement, ordre de grandeur souvent admis par de nombreuses études recherchant l’empreinte carbone de produits industriels.

Sur cette base, on aboutit aux émissions d’investissement suivantes :

  • Pour les centrale thermiques, beaucoup plus faibles que les suivantes selon leur utilisation, et de toutes façons négligeables devant leurs émissions élevées d’exploitation. Remarquons que les centrales à gaz à cycle combiné, significativement  plus chères par Mw installé, le compensent et au delà grâce à une utilisation préférentielle due à leurs meilleurs rendements et moindres émissions.
  • Très faibles à moyennes pour l’hydraulique de haute chute, de basse chute, au fil de l’eau, marémotrice (dans l’ordre) dont la durée de vie, notamment en génie civil, est presque illimitée, ce qui amortit sur une très longue période l’importante émission de leur création. Elles peuvent être évidemment très variables selon la configuration du site naturel. Les sites les plus favorables ayant été équipés en priorité, elles iront en augmentant.
  • Pour une centrale nucléaire, très élevées à sa fabrication, mais qui s’amortira sur 40 ans ou plus, à un taux d’utilisation élevé, de l’ordre de 80%, donc faible par rapport à l’énergie produite.
  • Les technologies coûteuses et sophistiquées, et faible durée de vie, du solaire et photovoltaïque aboutissent évidemment à des émissions très élevées par Mw installé, lourdement aggravées en ce qui concerne le Mwh produit en raison d’un taux de disponibilité très faible, bien que peu de chiffres précis soient disponibles à ce sujet.

Emissions de CO2 liées à l’exploitation




Elles sont très différenciées, et aisées à calculer. Rappelons les masses molaires :

  • Hydrogène                                   H2                 2              
  • Carbone                                        C                 12
  • Oxygène                                       O2               32
  • Eau                                               H2O            18
  • Dioxyde de carbone                     CO2            44
Elles ermettent de calculer tès simplement les émissions de CO2 par mole ou par kg, dont le pouvoir calorifique est connu par ailleurs. Les résultats en découlent :

  • Le charbon, principalement composé de carbone dont la combustion produit 44 g de CO2  par 12 g de carbone, bat les records d’émission, avec 920 kg/Mwh.
  • Les hydrocarbures se situent un peu mieux en raison de leur molécules du type Cn H2n+2 comportant aussi de l’hydrogène dont la combustion donne de la vapeur d’eau, et ce d’autant mieux que n est faible (gaz naturel principalement constitué de méthane CH4 pour lequel n=1). On arrive ainsi à 560 kg/Mwh pour le fuel, et à 500 kg/Mwh pour le gaz naturel.
Mais la composition chimique de l’énergie primaire n’est pas le seul facteur. L’amélioration du rendement thermodynamique de la turbine (à gaz ou à vapeur) ou du moteur vient évidemment réduire la consommation d’énergie primaire, et donc les émissions de CO2. La moindre émission est obtenue par les centrales à gaz à cycle combiné qui cumulent l’utilisation du gaz avec un rendement thermodynamique exceptionnel jusqu’à 58%, qui permet de limiter l’émission à envron 340 kg /Mwh.

·        Les autres filières ont une émission de CO2 en exploitation nulle :
o   Nucléaire
o   Hydraulique
o   Eolien
o   Photovoltaïque

·        La biomasse est un cas particulier : la combustion des bois et débris végétaux principalement constitués de cellulose, et donc finalement de carbone, émet autant de CO2 que le charbon. Mais contrairement à ce dernier, elle est renouvelable, en ce sens que la croissance des plantes qui remplaceront les plantes brûlées viendra absorber, selon le cycle naturel du carbone (photosynthèse), l’équivalent du carbone émis par la combustion. Sous réserve que cette condition soit effectivement réalisée, elle n’émet donc pas de CO2. Bien entendu, ceci ne vaut pas pour la combustion de biomasse provenant de la déforestation.



Synthèse sur les émissions de CO2





·      
















Ce  Cette synthèse additionnant investissement et exploitation montre clairement que :

  •       Le nucléaire et l’hydraulique sont pratiquement exempts de CO2, malgré des investissements très lourds, mais amortis sur de très longues durées de vie, et, pour le nucléaire, grâce à un taux de disponibilité élevé.
  •       Les filières éolienne et photovoltaïque apparaissent  significativement plus émettrices que les précédentes, notamment pour la seconde qui est pénalisée par une production moyenne faible, de l’ordre de 10% de la puissance installée, un coût élevé et une durée de vie limitée.Pour toutes des filières thermiques, l’émission d’investissement, même pénalisée par un taux d’utilisation volontairement réduit, reste négligeable devant celle due à l’exploitation. 
  •       Les centrales thermiques au charbon sont de loin les plus émettrices, mais conservent l’avantage économique d’une énergie bon marché et pérenne. 
  •        Les centrales à gaz à cycle combiné sont beaucoup moins émettrices, à la fois en raison de la présence d’hydrogène dans le gaz, et de leur bon rendement, et constituent la moins mauvaise solution pour autant que le prix croissant du gaz permettra d’y recourir.