Cours Energies Renouvelables Auteur : Daghboudj Samir
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CHAPITRE 1 LES ENERGIES RENOUVELABLES APPLICATIONS & PERSPECTIVES 1.1 GENERALITES SUR LES ENERGIES RENOUVELABLES Les sources d’énergies renouvelables (soleil, vent, courant d’eau, biomasse ou chaleur naturelle) permettent d’obtenir, après transformation, de l’énergie mécanique, de l’électricité, de la chaleur ou un combustible. Elles permettent de réduire la consommation de combustibles d’origine fossile ou fissile, et par conséquent de réduire les impacts environnemental et socio-économique de nos besoins en énergie. Du côté de la ressource, le potentiel des énergies renouvelables pourrait dépasser largement nos besoins, mais leur contribution dans le bilan énergétique dépend des surfaces mises à disposition, des investissements pour leur équipement. Les systèmes transformant une source renouvelable en une forme utile (travail, électricité, chaleur, froid, combustible ou carburant) sont appelés «énergies renouvelables». La source est renouvelable pour autant que sa valorisation actuelle n’en limite pas la disponibilité future, ou en d'autres termes dont la capacité de renouvellement est supérieure à son niveau d'exploitation. Fournies par le soleil, le vent, la chaleur de la terre, la force de l’eau et les végétaux, les énergies renouvelables sont inépuisables. On les qualifie d’énergies “de flux” par rapport aux énergies “de stock”, constituées de gisements limités de combustibles fossiles : pétrole, charbon, gaz. ’exploitation des énergies renouvelables n’engendre pas ou peu de déchets, ni d’émissions polluantes.
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2.1 L'ENERGIE EOLIENNE 2.1.1 Introduction Eole = dieu du vent de la Grèce antique Une hélice entraînée en rotation par la force du vent permet la production d'énergie mécanique ou électrique en tout lieu suffisamment venté.
Les applications de l'énergie éolienne sont variées mais la plus importante consiste à fournir de l'électricité à l’échelle d’une région, d’un pays. Ce sont des parcs d'aérogénérateurs ou "fermes" éoliennes. Ils mettent en œuvre des machines de moyenne et grande puissance (200 à 2000 kW).Des systèmes autonomes, de 500 W à quelques dizaines de kW, sont intéressants pour électrifier des sites isolés du réseau électrique (îles, villages...). Il existe deux grandes catégories d'éoliennes : les aérogénérateurs domestiques de faible puissance qui fournissent en électricité des sites isolés, pour des besoins individuels ou de petits réseaux collectifs ; 3
et les éoliennes de grandes puissances raccordées aux réseaux nationaux, dont les plus grandes ont une puissance aujourd'hui de 2 500 kW. 2.1.2 La production d'électricité L'énergie du vent captée sur les pales entraîne le rotor couplé à la génératrice qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Cette énergie est distribuée sur réseau via un transformateur.
2.1.3 Energie éolienne et environnement Elle ne contribue pas : Au renforcement de l'effet de serre (pas de rejet de CO2 et méthane). Aux pluies acides (pas de rejet de soufre ou azote). A la production de déchets toxiques ou radioactifs. L'un des défauts majeurs : le bruit 50 db à 150 mètres (bruit dans un bureau). Inaudible à 400 mètres Suite aux résolutions adoptées lors de la conférence de Kyoto pour le contrôle des émissions de gaz à effet de serre de nombreux projets nationaux de construction de centrales éoliennes fleurissent par tout dans le monde.
3.1 L’ENERGIE SOLAIRE 3.1.1 Le solaire thermique Simple à mettre en œuvre et sans aucun impact sur l’environnement, est très utilisé dans plusieurs pays
d’Europe (Grèce, Allemagne notamment) pour produire de l’eau chaude sanitaire, via des capteurs. Le parc solaire thermique européen avoisine 28,5 millions de m² en 2008. Il bénéficie dans de nombreux pays d’Europe d’importantes incitations fiscales et réglementaires.
3.1.2 Les capteurs solaires thermiques
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La chaleur est récupérée grâce à un fluide (eau + antigel ou air) caloporteur, qui s’échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un vitrage. Celui-ci Celui ci laisse pénétrer la lumière solaire et minimise les pertes par rayonnement de l’absorbeur l’absorbe en utilisant l’effet de serre.
3.1.3 Le chauffe-eau solaire Le chauffe-eau eau solaire est composé de trois principaux éléments :
des capteurs thermiques vitrés qui reçoivent le rayonnement solaire, un ballon de stockage de l’eau sanitaire, un ensemble de régulation.
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3.1.4 Le solaire photovoltaïque La lumière du soleil peut directement être transformée en électricité par des panneaux photovoltaïques, sans pièces tournantes et sans bruit. L’électricité produite peut être soit stockée dans des batteries, soit convertie par un onduleur pour être distribuée aux normes sur le réseau. Par sa souplesse et sa facilité d’installation et de maintenance, l’énergie photovoltaïque est incontestablement une solution technique et économique adaptée pour les sites isolés. Elle représente aussi un enjeu sociologique car, en apportant l’électricité dans ces mêmes zones, elle contribue à limiter le phénomène d’exode rural.
Ces systèmes sont très bien adaptés aux «petits» besoins d’électricité lorsque le réseau public est inaccessible, les coûts de raccordements étant élevés. Ils couvrent en outre un large domaine d’applications : télécommunications, signalisation terrestre (routière), maritime (phares et balises) et aérienne, pompage, électrification ication rurale, mobilier urbain (horodateurs, abris bus...) et utilisation grand public (montres, calculatrices).
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Première forme d’utilisation du solaire photovoltaïque
Deuxième forme d’utilisation du solaire photovoltaïque
Troisième forme d’utilisation du solaire photovoltaïque
4.1 LES CENTRALES HYDRAULIQUES 4.1.1 Principe En "haute chute", l'eau d'une source ou d'un ruisseau est captée par une prise d'eau sommaire. Elle est ensuite dirigée à travers une conduite vers une turbine située plus bas. L'écoulement de l'eau fait tourner la turbine qui entraîne un générateur électrique. L'électricité produite peut soit être utilisée directement, soit stockée dans des accumulateurs. Enfin, l'eau est restituée à la rivière.
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4.1.2 Energie hydroélectrique et environnement Une énergie non polluante : aucun rejet gazeux ou déchet solide Un fonctionnement silencieux . Préservation de la qualité de l'eau: le débit de l'eau turbinée conserve ses propriétés physicochimiques.
5.1 LA BIOMASSE Ce terme générique désigne, en fait, toute matière d'origine organique. Dès lors, les utilisations énergétiques de la biomasse recouvrent un grand nombre de techniques. Globalement, on peut utiliser la biomasse de trois façons différentes : en la brûlant, en la faisant pourrir ou en la transformant chimiquement. On entend par biomasse : bois (chauffage 8% de la production mondiale d'énergie soit le double que le nucléaire), les cultures énergétiques (canne à sucre, betterave, colza) destinées au biocarburant, déchets urbains (papier, paille, (chauffage ou production d'électricité). 8
Avec la découverte du charbon, du pétrole et du gaz naturel, le bois a progressivement été relégué à une fonction de chauffage. Dans certains pays la production de bois énergie reste néanmoins importante. Exemple : en France, 4 à 5% de la consommation énergétique totale et 33% de la production des énergies renouvelables, derrière l'hydraulique. 5.1.1 Les avantages du Bois-Energie Les émissions de CO2 suite à la combustion sont neutres vis à vis de l'effet de serre. La gestion du Bois-Energie permet d'améliorer la gestion du patrimoine forestier. II.4.3
6.1 LA GEOTHERMIE Le principe de la géothermie consiste à extraire l’énergie contenue dans le sol pour l’utiliser sous forme de chauffage ou d’électricité. Partout, la température croît depuis la surface vers l’intérieur de la Terre. Selon les régions l’augmentation de la température avec la profondeur est plus ou moins forte, et varie de 3 °C par 100 m.La géothermie utilise la chaleur du soussol contenue dans des nappes d’eau souterraines sous pression (entre 30 et 150 °C). L’eau des couches profondes est pompée et transmet sa chaleur à un réseau de chaleur pour assurer l’intégralité ou le complément thermique nécessaire aux installations collectives, aux logements ou aux exploitations agricoles (serres, pisciculture). 9
6.1.1. La géothermie de haute énergie et de moyenne énergie
La géothermie de haute énergie (> 180 °C) et de moyenne énergie (température comprise entre 100 °C et 180°C) valorisent les ressources géothermales sous forme d’électricité.
6.2.1 La géothermie basse énergie
La géothermie basse énergie (températures comprises entre 30 °C et 100 °C) permet de couvrir une large gamme d’usages : chauffage urbain, chauffage de serres, utilisation de chaleur dans les processus industriels, thermalisme....Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent), C’est donc une énergie fiable et stable dans le temps.Si les installations géothermiques sont technologiquement au point et que l’énergie qu’elles prélèvent est gratuite, leur coût demeure, dans certains cas, très élevé.
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7.1 LES ENERGIES DU DEVELOPPEMENT DURABLE Se développer aujourd’hui sans compromettre demain, comment se développer sans épuiser les ressources, sans favoriser la flambée de leurs prix, sans saturer l’atmosphère de gaz à effet de serre dangereux pour l’équilibre climatique. C’est tout l’enjeu du développement durable. Parmi les solutions, le recours aux énergies renouvelables figure en bonne place. Les industriels et
les
responsables de collectivités et d’établissements publics en ont pris conscience. La plupart des États, à Rio puis à Kyoto, ont pris des engagements pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre. En Europe, de plus en plus de décideurs choisissent les énergies renouvelables et de nouveaux dispositifs réglementaires accompagnent et favorisent ce changement. Recourir aux énergies renouvelables, c’est : épargner les énergies fossiles, dont les gisements ne sont pas inépuisables ; ne plus dépendre de leurs prix fluctuants, de leurs provenances, contribuer à la préservation de l’environnement et de l’équilibre climatique.
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CHAPITRE 2 LE SOLAIRE THERMIQUE LES CAPTEURS SOLAIRES 2.1 Introduction Les capteurs solaires thermiques La chaleur est récupérée grâce à un fluide (eau + antigel ou air) caloporteur, qui s'échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un vitrage. Celui-ci Celui ci laisse pénétrer la lumière solaire et minimise les pertes par rayonnement infrarouge de l'absorbeur en utilisant l'effet de serre. Ce vitrage permet en outre de limiter les échanges de chaleur avec l'atmosphère. Le capteur solaire sera d'autant plus performant que le revêtement de l'absorbeur aura un coefficient d'absorption élevé et un coefficient d'émission faible.
3-2 Définitions Capteurs solaires Un capteur solaire thermique est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie énergie provenant du soleil et la transmettre à un fluide caloporteur. caloporteur •
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Les capteurs à circulation de liquide utilisent les rayons solaires afin de chauffer un liquide qui circule à travers un «circuit solaire». Le fluide à l’intérieur l’i du circuit solaire peut être de l’eau, un mélange d’antigel, un fluide thermique, etc. Le circuit solaire transfère l’énergie thermique provenant des capteurs à un réservoir de stockage thermique. Le type de capteurs dont vous avez besoin dépend de la température de l’eau chaude que vous désirez, ainsi que du climat local. Un capteur solaire est un dispositif destiné à absorber le rayonnement solaire et à transmettre la chaleur ainsi produite à un fluide caloporteur.
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Un capteur plan est un capteur capteur sans concentration dans lequel la surface de l'absorbeur est sensiblement plane.
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Un capteur à circulation de liquide est un capteur dans lequel le fluide caloporteur est un liquide.
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Un capteur à air est un capteur dans lequel le fluide caloporteur est l'air. 12
3-3 Catégories Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau qui utilisent un liquide (eau, antigel) comme fluide caloporteur, et ceux à air qui utilisent l'air comme caloporteur 3-4 Applications Les panneaux solaires thermiques sont employés sous toutes les latitudes pour plusieurs utilisations : chauffage des piscines, chauffage de l'eau sanitaire, chauffage des locaux, climatisation solaire... •
Eau chaude solaire
Le chauffe-eau solaire est la principale utilisation des panneaux solaires thermiques du fait de sa rentabilité et des besoins d'eau chaude, souvent aussi important en été qu'en hiver. Les économies procurées permettent d'amortir l'installation bien avant sa fin de vie. Dans les régions chaudes, les capteurs solaires utilisés sont souvent rudimentaires : un réservoir peint de couleur sombre, un long tuyau déroulé sur un toit... •
Chauffage solaire
En combinant une isolation et une ventilation performante, une conception bioclimatique permettant de capter et redistribuer les apports solaire passivement, il est possible de couvrir près de 80% des besoins de chauffage et 60% des besoins thermiques d'eau chaude sanitaire, gratuitement. •
Chauffage solaire par air
Le choix d'un chauffage solaire par air nécessite une adaptation de l'architecture. Un système de chauffage solaire passif peut ne comporter qu'une grande verrière que l'on occulte par un rideau extérieur lorsque le besoin de chauffage ne se fait pas sentir ou en l'absence de rayonnement solaire pendant la période froide. Le système de captage peut être une grande surface vitrée placée devant un mur sombre qui emmagasinera la chaleur ou encore un panneau dans lequel circule de l'air. •
Plancher solaire direct
Un plancher solaire est constitué d'une dalle chauffée par un réseau de tuyaux noyés dans le sol. La forte épaisseur de cette dalle lui donne une grande inertie thermique permettant de stocker les calories captées par les panneaux solaires placés à l'extérieur du local et orientés plein sud, dans l'hémisphère nord. L'énergie solaire est transportée par un fluide caloporteur antigel qui circule dans les panneaux et dans le plancher. Le plancher solaire direct (PSD) est une solution dont la rentabilité est sans doute inférieure à celle d'un chauffe-eau solaire mais qui permet de réaliser des économies de chauffage importantes. Attention toutefois à ne pas dépasser des températures de l'ordre de cinquante à cinquante cinq degrés Celsius. Au-dessus de cette température des troubles de santé peuvent apparaître au niveau de la circulation sanguine, principalement au niveau des jambes. Ce système doit
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être de préférence utilisé avec un système de régulation qui permet de limiter la température émise dans le plancher. •
Climatisation solaire
La chaleur captée par les panneaux solaires est dirigée vers une machine à absorption. Cette solution est efficace et silencieuse, elle est plus écologique qu'une climatisation classique (réduction des émissions de CO2). La technique reste marginale principalement en raison de son coût actuel, elle se trouve en phase de développement. 3-5 Généralités sur les capteurs Le principe des capteurs solaires thermiques est simple : - une surface plane, le capteur lui-même, pour récupérer la chaleur solaire ; - un système de circulation, pour transporter la chaleur vers un lieu de stockage ou d’utilisation ; - un système de régulation, pour maintenir la température souhaitée. Les capteurs solaires à circulation de liquide les plus répandus sont : 3-5-1 Les capteurs non vitrés : •
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Ce sont de longs tubes noirs (la couleur qui piège le mieux la chaleur) en plastique ou en métal, dans lesquels circule de l’eau. Ils ne sont pas isolés, ce qui fait que l’élévation de température obtenue est faible : + 20° C par rapport à la température de l’air. Ces capteurs sont bien adaptés pour le chauffage des piscines. Actuellement, en Amérique du Nord, les capteurs plans sans vitrage représentent la plus grande surface installée par année de tous les capteurs solaires. Parce qu’ils ne sont pas isothermes, ces capteurs conviennent mieux à des applications à basse température, où la température désirée est inférieure à 30 °C. Le marché principal est, de loin, le chauffage des piscines extérieures, mais il existe d’autres marchés, notamment le chauffage saisonnier des piscines intérieures, le préchauffage de l’eau pour les lave-autos ainsi que le chauffage de l’eau utilisée dans les opérations d’élevage piscicole. Les capteurs plans sans vitrage sont habituellement fabriqués en un plastique noir qui a été stabilisé afin de résister aux rayons ultraviolets. Comme ces capteurs ne possèdent pas de vitrage, une grande partie de l’énergie solaire est absorbée. Cependant, parce qu’ils ne sont pas isothermes, une grande partie de la chaleur absorbée est perdue lorsqu’il y a du vent et que la température extérieure n’est pas assez chaude.
Capteurs solaires plans sans vitrage
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3-5-2 Les capteurs plans de types vitrés: •
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ils comprennent un caisson isolant au-dessus duquel est fixée une vitre en verre ou en plastique. A l’intérieur, une feuille métallique noire absorbe la chaleur du soleil, qui est emprisonnée dans le caisson. Cette chaleur est transmise à de l’air, de l’eau, ou un autre fluide caloporteur qui ne gèle pas en hiver. Le fluide caloporteur circule librement dans des tuyaux vers le point d’utilisation. L’élévation de température par rapport à la température de l’air ambiant peut atteindre + 70° C. C’est l’idéal pour produire de l’eau chaude pour la maison ou pour le chauffage de tous les types de bâtiments. Dans ce type de capteur, un absorbeur plan transforme, de façon efficace, les rayons solaires en chaleur. Afin de réduire au minimum la perte de chaleur, la plaque est située entre un vitrage (vitre plane ou matériau transparent) et un panneau isolant. Le vitrage est choisi de telle sorte qu’une quantité maximale de rayons solaires le traversent et atteignent l’absorbeur. Les capteurs plans de types vitrés sont très répandus et ils existent sous forme de capteurs à circulation de liquide et sous forme de capteurs à air. Ces capteurs conviennent mieux à des applications à température modérée où la température désirée se situe entre 30 et 70 °C, et/ou à des applications qui nécessitent de la chaleur au cours des mois d’hiver. Les capteurs à circulation de liquide sont plus communément utilisés pour le chauffage de l’eau chaude des résidences et des commerces, pour le chauffage des bâtiments, ainsi que celui des piscines intérieures. Les capteurs à air sont utilisés pour le chauffage des bâtiments, de l’air de ventilation et pour le séchage des récoltes.
Capteur plan de type vitré
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3-5-3 Les capteurs sous vide : •
Les capteurs sous vide (ou «caloduc») sont parmi les plus efficaces et parmi les types les plus coûteux de capteurs solaires. Ces capteurs conviennent mieux à des applications à températures modérées où la température en demande atteint 50 à 95 ºC et/ou à des applications où le climat est très froid, comme dans le grand Nord du Canada. Tout comme pour les capteurs solaires de types vitrés, les applications des capteurs sous vide comprennent le chauffage de l’eau des résidences des bâtiments commerciaux, le chauffage des bâtiments, ainsi que celui des piscines intérieures. Comme ces systèmes sont capables de fournir des températures élevées avec efficacité, une autre application possible est le refroidissement des bâtiments en régénérant les cycles de réfrigération.
Capteurs sous vide
Les capteurs sous vide possèdent un absorbeur sélectif afin de récupérer les rayons du soleil qui se situe dans le tube sous vide. Ils perdent peu de chaleur, même dans les régions froides. •
Ils se présentent sous la forme d’un panneau où sont alignés une série de tubes de verre transparent. Dans ces tubes, on a fait le vide, qui est un des meilleurs isolants thermiques existants. Dans chaque tube, un absorbeur capte la chaleur solaire et un système d’échangeur de chaleur la transmet à un fluide caloporteur. Comme pour les autres capteurs, le fluide caloporteur circule vers les points d’utilisation. Avec ce système, les déperditions de chaleur sont très faibles. La température peut s’élever jusqu’à 100-140° C Ces capteurs sont adaptés aux applications industrielles qui nécessitent de hautes températures.
3-5-4 Les capteurs à concentration •
Cuisinières solaires
Bien qu’il existe de nombreuses sortes de cuisinières solaires, elles possèdent toutes plusieurs composantes de base : • •
un concentrateur ou une lentille afin d’augmenter l’énergie solaire disponible un isolant afin de réduire les pertes de chaleur.
Il y a souvent une cavité, de type four, afin d’y placer la nourriture en vue de la cuire. On peut également préparer des hot-dog, lesquels ne nécessitent pas de 'four'. Les cuisinières solaires peuvent généralement produire des températures de cuisson de 90 à 150 °C (200 à 300 °F), et certaines d’entre elles peuvent même produire des températures allant jusqu’à 230 °C (450 °F)! Grâce à de telles températures, il est possible de cuire pratiquement n’importe quel aliment, tant que le temps est ensoleillé. 16
Fabriquer et utiliser des cuisinières solaires peuvent représenter un projet scolaire amusant et éducatif •
Systèmes à réflecteur parabolique
Un capteur à réflecteur parabolique ressemble à un grand réflecteur satellite, mais il possède un miroir et des réflecteurs du type miroir et un absorbeur en son foyer. Un système à réflecteur parabolique utilise un ordinateur afin de suivre les mouvements du soleil et afin de concentrer les rayons du soleil sur un récepteur situé au foyer sur le devant du réflecteur. Dans certains systèmes, un moteur thermique, tel qu’un moteur Stirling, est relié au récepteur afin de produire de l’électricité. Les systèmes à réflecteur parabolique peuvent atteindre 1 000 °C sur le récepteur, et parvenir à des rendements optimaux de conversion de l’énergie solaire en électricité en utilisant une faible quantité d’énergie.
Un capteur à réflecteur parabolique avec un miroir et des réflecteurs du type miroir et un absorbeur en son foyer
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Système de centrale à tour
Un héliostat utilise un ensemble de pointeurs solaires qui dirigent l’énergie du soleil vers un grand absorbeur situé dans une tour. A ce jour, la seule application du capteur héliostat est la production d’énergie dans un système dénommé «centrale à tour». Une centrale à tour possède un ensemble de grands miroirs qui suit le mouvement du soleil. Les miroirs concentrent les rayons du soleil sur le récepteur en haut de la grande tour. Un ordinateur garde les miroirs alignés afin que les rayons du soleil, qui sont réfléchis, visent toujours le récepteur, où la température peut dépasser 1000 ºC. De la vapeur à haute pression est générée afin de produire de l’électricité.
Système de centrale à tour
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CHAPITRE 3 LE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE 3.1 INTRODUCTION 1. Chaque jour, la terre reçoit sous forme d’énergie solaire l’équivalent de la consommation électrique de 5.9 milliards de personnes pendant 27 ans. La technologie photovoltaïque permet de transformer cette énergie en électricité. Cette transformation s’effectue sans bruit, sans émission de gaz : elle est donc par nature totalement propre. Par ailleurs, l’absence de mise en mouvement de pièces mécaniques lui confère un niveau de fiabilité inégalable (durée de vie moyenne d’un module estimée à plus de 30 ans.) 2. Le solaire photovoltaïque : La lumière du soleil peut directement être transformée en électricité par des panneaux photovoltaïques, sans pièces tournantes et sans bruit. L'électricité produite peut être soit stockée dans des batteries, soit convertie par un onduleur pour être distribuée aux normes sur le réseau.
3.2 PRINCIPE L’effet photovoltaïque, transformation de l’énergie solaire (« photon ») en électricité (« Volt ») a été découvert en 1839, par le physicien français A. BECQUEREL. Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant continu. Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs généralement à base de silicium (Si). Ce semiconducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre. Les photopiles sont constituées de matériaux semi-conducteurs (généralement silicium) qui transforme directement la lumière du rayonnement solaire en énergie électrique. Les particules de lumière (photons) viennent heurter les électrons sur le silicium et lui communiquent leur énergie. Le silicium est traité (dopé) de manière à jouer le rôle de (diode) d'électricité et ainsi à diriger tous les électrons dans le même sens. Une tension apparaît donc en présence de lumière aux bornes de la photopile. Si l'on ferme le circuit à l'aide d'une lampe, d'un moteur, etc., le courant peut circuler. •
•
La première photopile a été développée aux États-Unis en 1954 par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photosensibilité du silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés". C'est une technique appelée le "dopage" qui est utilisée pour tous les semi-conducteurs. Ce n'est que lors de la course vers l'espace que les cellules ont quitté les laboratoires. En effet, les photopiles représentent la solution idéale pour satisfaire les besoins en électricité à bord des satellites, ainsi que dans tout site isolé. Mais aussi pour produire un courant électrique sans pollution pour alimenter les réseaux de distribution. C'est le résultat de l'interaction de la lumière avec les atomes de cristal. Un photon qui heurte un atome de silicium peut arracher un électron et lui communiquer une certaine vitesse. L'électron ayant acquis suffisamment d'énergie peut se déplacer vers la jonction PN, où la présence du champ électrique a pour conséquence la collecte de l'électron vers la région N. Une tension électrique apparaît entre les deux zones N et P. Le dispositif devient générateur électrique sous l'effet de la lumière.
3. 3 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Il s’agit de transformer l’énergie contenue dans la lumière du soleil en énergie électrique en utilisant un effet physique de certains matériaux : l’effet photovoltaïque. La cellule photovoltaïque : Les photopiles ou cellules photovoltaïques sont des composants électroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants. Le matériau de base est dans la plupart des cas le silicium. Selon le procédé de fabrication, on obtiendra des photopiles plus ou moins 18
performantes, sous forme amorphe, polycristalline, ou monocristalline. D’autres matériaux sont utilisables : Arséniure de Gallium (AsGa), Tellurure de Cadmium (CdTe). Le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques acquises par le silicium quand des atomes étrangers en petit nombre (des "impuretés") sont substitués à des atomes de silicium dans un réseau cristallin : c’est ce que l’on appelle le dopage. Si l'atome d'impureté contient plus d'électrons que le silicium, le matériau contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type "N" (ex : dopage au phosphore). Si l'atome d'impureté contient moins d'électrons que le Silicium, le matériau sera déficitaire en électrons : il sera dit de type "P" (ex : dopage au bore). Une cellule solaire sera obtenue en constituant une jonction de deux zones de type opposées (jonction PN). Au voisinage de la jonction, un champ électrique apparaît provoqué par le déséquilibre de charges. Il va contribuer à drainer les électrons qui auront été détachés par l’énergie des photons (« grains de lumière ») incidents.
3.4 STRUCTURE D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
Il peut être illustré par l'exemple suivant, qui présente le cas d'une cellule au silicium : •
La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le Phosphore (P). Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type N.
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La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons inférieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type P.
Lorsqu'on met ces deux semi-conducteurs en contact (de manière à ce qu'il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, dans le cas d'une cellule photovoltaïque il faut qu’il y ait un apport d'énergie, sous forme d'un photon de lumière, pour qu'un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l'édifice. Deux électrodes sont placées, l'une au niveau de la couche supérieure et l'autre au niveau de la couche inférieure : une différence de potentiel électrique et un courant électrique sont créés. 19
3.5 TECHNIQUE DE FABRICATION
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel. Divers traitements du sable permettent de purifier le silicium qui est alors chauffé et réduit dans un four. Le produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique qui se présente sous forme liquide. Par la suite, ce silicium pur va être enrichi en éléments dopant (P/ B) lors de l'étape de dopage, afin de pouvoir le transformer en semi-conducteur de type P ou N. 3.6 LES MODULES
Le module est un assemblage de cellule élémentaire. 3.6.1 CELLULE EN SILICIUM AMORPHE
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est grise très foncée. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires". •
avantage :
fonctionnent avec un éclairement faible (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment), moins chères que les autres. moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou poly cristallines •
inconvénients :
rendement faible en plein soleil, de 60Wc/m² performances qui diminuent sensiblement avec le temps.
3.6.2 CELLULE EN SILICIUM MONOCRISTALLIN
Module Cristallin : Un module de 12Volts nominal est composé par la mise en série de 36 cellules cristallines. Ces cellules sont protégées par une enveloppe supérieure et inférieure. Il existe différents types d’encapsulation : verre / verre (ou bi-verre) verre / matériau composite (tedlar / milar) L’ensemble cellule + encapsulant forme un laminat .Le rajout d’un cadre métallique (aluminium) procure au laminat sa rigidité et permet sa fixation.
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Mode de fabrication : Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront ront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme. • •
avantage : très bon rendement, rendement de 150 Wc/m² ou plus (2007). inconvénients : coût élevé, rendement faible sous un faible éclairement.
Une cellule photovoltaïque monocristalline
3.6.3 CELLULE EN SILICIUM POLYCRISTALLIN
Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. •
avantages : 21
•
bon rendement, de 100Wc/m², mais cependant moins bon que pour le monocristallin, moins cher que le monocristallin.
inconvénient : rendement faible sous un faible éclairement.
Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualitéprix).
Une cellule photovoltaïque poly cristalline
3.6.4 MODULE COUCHE MINCE
Dans le cas de la technologie couche mince, le module est constitué d’un assemblage de 4 cellules élémentaires, chacune délivrant une tension nominale de 12V. En fonction du câblage série ou parallèle de ces 4 sous-ensembles, on obtient des modules couche mince en 12 et 48 Volts nominal.
3.7 LES RENDEMENTS
Le rendement des modules en fonctions des différentes technologies fait apparaître des
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3.8 . LES APPLICATIONS DE GENERATEURS PHOTOVOLTAÏQUES 3.8.1 Alimentations électriques faibles : telles que les calculettes ou les chargeurs de piles. Des modules PV fournissent du courant continu pour n'importe quel appareil alimenté par des piles.
3.8.2 Installations autonomes : comme les balises en mer, les lampadaires urbains ou les maisons en sites isolés, elles nécessitent le plus souvent un stockage de l'électricité à l'aide d'accumulateurs. S'il faut du courant alternatif, il faut ajouter et un onduleur.
Un onduleur : est un dispositif électronique et statique servant à convertir le courant électrique continu (CC) en courant alternatif (CA) avec la fréquence souhaitée. La puissance "apparente" de l'onduleur s'exprime en volt-ampères (VA).
3.8.3 Installations ou centrales photovoltaïques connectées au réseau : Un générateur photovoltaïque connecté au réseau n'a pas besoin de stockage d'énergie et élimine donc le maillon le plus problématique (et le plus cher) d'une installation autonome. C'est en fait le réseau dans son ensemble qui sert de réservoir d'énergie.
3.9 INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES 3.9.1 INSTALLATIONS AUTONOMES
Si l'énergie solaire doit assurer la totalité des besoins en électricité d'un site, il est nécessaire de la stocker pour les périodes non ensoleillées. Ce stockage est généralement assuré par des batteries. Applications : Ces systèmes sont très bien adaptés aux "petits" besoins d'électricité lorsque le réseau public est inaccessible, les coûts de raccordements étant élevés.Ils couvrent en outre un 23
large domaine d'applications : télécommunications, signalisation terrestre (routière), maritime (phares et balises) et aérienne, pompage, électrification rurale, mobilier urbain et utilisation grand public (montres, calculatrices)...
3.9.2 INSTALLATIONS RACCORDEES AU RESEAU
Depuis 1992, des programmes européens (Phébus), mis en œuvre par l'association Hespul (anciennement Phébus), ont permis d'installer en France plus de 200 centrales photovoltaïques raccordées au réseau. L'avantage du raccordement est de se dispenser du coûteux stockage d'électricité dans des batteries. Un onduleur permet d'injecter directement l'électricité produite dans le réseau électrique de la maison. Dans le cas des programmes Phébus, si la consommation locale est supérieure à la production de la centrale, l'appoint est fourni par le réseau. Dans le cas contraire, l'énergie est fournie au réseau public et sert à alimenter les consommateurs voisins.
Sources : Hespul
3.10 CENTRALES PHOTOVOLTAÏQUES : Les centrales photovoltaïques utilisent des vastes champs de capteurs pour fournir de l'électricité au réseau de distribution. Début 2007, il existe plus de 130 centrales avec une puissance supérieure à 1 24
MWc dans le monde, dont 90% sont en Europe (surtout en Allemagne et en Espagne). Un nouveau record sera battu en 2007 avec l'ouverture de la centrale solaire photovoltaïque à Moura au Sud du Portugal. BP Solar assurera la maîtrise technique du projet composé de 350 000 panneaux solaires installés sur 114 hectares et une capacité de production de 62 MWc.
Les panneaux photovoltaïques sont montés sur des axes mobiles horizontaux et utilisent le système d'orientation "PowerTracker" afin d'améliorer les performances suivant les saisons.
Centrale de 1,18 MWc à Tudela en Navarre, Espagne Cette installation, réalisée par l'entreprise espagnole EHN est composée de 400 héliostats qui suivent le soleil afin d'optimiser les performances, elle est bâtie sur un terrain en pente de 6 hectares. Une grande partie de la centrale est composé de panneaux PV fabriqués par Isofoton mais le restant est expérimental avec 11 types de panneaux différents.
Le toit solaire de la Floriade dans le Haarlemmermeer polder est une centrale solaire de 2,3 MWc raccordée au réseau. Les 19.000 panneaux photovoltaïques de Siemens couvrent un espace d'exposition de près de 3 hectares.
25
CHAPITRE 4 LE RAYONNEMENT SOLAIRE BILAN ENERGETIQUE 3.1 Introduction Tous les processus naturels à l’intérieur du système terre-sol-atmosphère (variations des températures, vents, précipitations, croissance des arbres, courants océaniques, vies aquatiques…) requièrent de l’énergie. Cette énergie (99, 97%) provient du soleil comme rayonnement solaire.
3.2 Principales caractéristiques du soleil Le soleil est une étoile jaune avec les caractéristiques suivantes :
Diamètre moyen : 1 391 000 km (109 fois le diamètre de la Terre) Masse : 2,10 x 1030 kg (332 000 fois plus que la Terre) Masse volumique : 1400 kg/m3. Perte de masse : 4,2 x 109 kg/s Température superficielle : 6000°K environ Durée d'une rotation du soleil à son équateur : 24,9 j Distance Terre-Soleil : 149 600 000 km
3.3 Structure du soleil Le soleil est comme un énorme réacteur nucléaire, à l’intérieur du soleil se produit une conversion de H en He, les pressions et températures) sont très élevées (15x 106 oC) –
Fusion thermonucléaire
–
Conversion de masse en énergie (E=mc2)
–
Condition qui a déjà durée ∼ 5 milliards d’années
–
Réserve pour une autre 5 milliards d’années
En allant du centre du soleil vers l'extérieur on rencontre : 1. 2. 3. 4. 5. 6.
le noyau : 14 millions de °K, pression de 150x109 atmosphères au centre. C'est là que se développent les réactions thermonucléaires. la zone radiative : 7 à 2 millions de °K la zone convective : 2 millions de °K à 6000°K La photosphère, surface visible du Soleil où apparaissent les granules et taches solaires. La chromosphère, couche de gaz fortement ionisée (plasma) d'une épaisseur de 15000 km environ. La couronne : s'étend de 15000 à 1 ou 2 millions de km. Sa température atteint 1 million de °K.
26
Fig. 1. Structure du soleil
3.3.1. Photosphère La photosphère est la couche de gaz qui constitue la surface visible du soleil. Elle a une épaisseur de quelques centaines de kilomètres et une température de l'ordre de 6000 °C en surface. Elle présente un aspect irrégulier causé par la juxtaposition de granules (grains de riz) et se retrouve parsemée de taches solaires d'autant plus nombreuses que l'on est proche d'un maximum du cycle solaire de 11 ans. Les ''facules'' sont des petites zones brillantes entourant les taches solaires lorsque celles-ci se trouvent très près du bord du disque solaire. Entre la photosphère et le cœur du Soleil, la température et la pression augmente au fur et à mesure que la distance au centre du Soleil diminue.
3.3.2 Chromosphère Couche de gaz d'un rose transparent (pour la lumière visible) entourant la photosphère. Son épaisseur est de l'ordre de quinze milliers de km. Elle n'est visible que lors d'une éclipse totale ou à l'aide d'instruments adaptés. Contrairement à la photosphère, la température augmente au fur et à mesure que l'on s'éloigne du Soleil, en même temps que la pression diminue. C'est dans la chromosphère que jaillissent les spicules (filets de gaz s'échappant à très haute vitesse), les protubérances et que se développent les éruptions solaires, jets de gaz et de matière de plusieurs centaines de milliers de km de hauteur. Les protubérances peuvent être éruptives lorsqu'elles éjectent de la matière dans l'espace. Elles ressemblent souvent à des ponts aux arches de plusieurs centaines de milliers de kilomètres de portée. Le plasma qui constitue la chromosphère est très peu dense puisque la densité électronique Ne ne dépasse pas 1018 électrons par m3.
3.3.3 Couronne solaire Elle est située au delà de la chromosphère et s'étend à des millions de km en se diluant dans l'espace, provoquant le vent solaire. On ne peut l'observer que pendant les éclipses totales de soleil ou à l'aide d'un coronographe de Lyot car son éclat est infiniment plus faible que celle de la photosphère. La radioastronomie a permis l'étude de la couronne en écoutant les ondes radio émises par le Soleil. La température de la couronne est extrêmement élevée : de 20000°K à la frontière de la chromosphère, elle atteint le million de degrés dans sa partie la plus éloignée du soleil. La couronne est constituée de gaz fortement ionisés (plasma) d'une densité extrêmement faible.
3.3.4 Vent solaire On donne le nom de vent solaire au flux de particules chargées, (ions, électrons...) éjectées par le Soleil dans toutes les directions à des vitesses pouvant aller jusqu'à 800 km/sec. L'intensité du flux peut varier dans de grandes proportions, par exemple pendant les éruptions solaires et protubérances actives, et provoquer sur Terre des aurores polaires et des orages magnétiques. 27
A l'approche de la Terre, la densité électronique du flux solaire est de l'ordre de 35000/m3 tandis que sa vitesse atteint les 400km/sec. Le parcours Soleil-Terre est effectué en quelques dizaines d'heures. Au contact des lignes de champ magnétique terrestre, les particules électrisées sont déviées. Certaines de ces particules participent à la formation des ceintures de radiations de Van Allen tandis que d'autres atteignent les plus hautes couches de l'atmosphère et en ionisent le gaz, contribuant ainsi à la constitution de l'ionosphère. La magnétosphère s'oppose au vent solaire comme le fait une culée de pont vis à vis du courant de la rivière.
3.4 Nature du rayonnement solaire Les rayons solaire se propage à une vitesse de 3 x 105 km s-1 , la distance moyenne entre la terre et le soleil 150x106 km, donc les rayons solaires prend 8.33 minutes pour arriver à la terre (150x106/3x105). La terre n’intercepte que deux milliardième (2x10-9) de toute l’énergie émise par le soleil
3.5 Le spectre électromagnétique solaire Le rayonnement émis par le soleil constitue un spectre continu allant de l’ultra-violet à l'infrarouge en passant par le visible où il émet le maximum d'énergie. En traversant l'atmosphère, les gaz et les molécules absorbent certaines bandes de l'ultra-violet et de l'infrarouge. Ainsi à la surface de la terre, le rayonnement solaire comprend : 5% d'UV, 40% de lumière visible et 55% d'IR, porteurs essentiels de l'énergie thermique.
Fig 2 Spectre – solaire
28
Chaque surface dont la température excède 0oK (-273oC) est capable de radier de l’énergie comme rayonnement électromagnétique .Le rayonnement solaire se propage comme les ondes électromagnétiques La partie du spectre électromagnétique solaire comprise entre 2x10-3 um et 3x103 um couvre les principales longueurs d’onde qui influencent le climat de la terre • •
Courtes longueurs d’onde (<0,7um) Longues longueurs d’onde (>0,7 um)
29
Fig. 3. Longueurs d’ondes électromagnétiques
3.6 Longueur d’onde la fréquence d’oscillation (v) pourrait être reliée à la longueur d’onde (λ) par l’équation standard des ondes : C = λ .ν
Où :
λ=
C
ν
C :la vitesse de la lumière (3 x 108 m sec-1) λ : la longueur d’onde (m ou µm)
v : la fréquence d’oscillation s-1 (cycles par seconde: Cps) -
Si v est grande (vibrations rapides) : λ est petite (courtes longueurs d’onde)
-
Si v est petite ( vibrations moins rapides) : λ est grande (longues longueurs d’onde)
3.7 Caractéristiques du rayonnement thermique Émission : Un corps porté à une certaine température convertit son énergie interne (énergie microscopique) en rayonnement thermique. Une unité de surface d'un corps émet durant une unité de temps une quantité d'énergie appelée flux d'émission. On le note Femi. Absorption : Il s'agit de l'opération inverse. Quand une surface reçoit un flux d'énergie, la fraction transformée en énergie interne est appelée flux absorbé (noté Fabs) Réflexion et diffusion : Au lieu d'être absorbé, le rayonnement incident sur une paroi peut être directement renvoyé par la paroi. Dans ces conditions on distingue 2 cas : Le renvoi obéit aux lois de l'optique géométrique (un angle d'incidence, un angle de réflexion). Il s'agit alors de réflexion. 30
Le renvoi se fait dans toutes les directions (même si l'on a une seule direction incidente). On parle alors de diffusion. On note que l'onde diffusée ou émise a la même fréquence que l'onde incidente. La somme de ces deux flux est notée Fref. Transparence et opacité : Un milieu peut transmettre intégralement l'onde incidente, il est alors appelé milieu transparent. Le vide est un exemple de milieu transparent. En première approximation, le verre est aussi un milieu transparent pour des longueurs d'ondes dans le domaine du visible. Inversement, un corps ne transmettant aucune partie du rayonnement incident est dit corps opaque.
Fig. 4.Les différents flux au niveau de la surface d'un corps opaque
3.8 Lois de transferts radiatifs 1. Loi de Planck La loi de Planck constate qu’il existe une relation entre l’intensité d’énergie rayonnante monochromatique émise par un corps (E λ) et sa température (T) et la fréquence (λ). Ceci s’exprime comme suit :
E λ (T ) =
C
1
C2
λ.(e λ .T −1)
ou : C1 et C2 sont des constantes 2. Loi de Stephan Boltzmann Cette loi constate que l’intensité de l’énergie rayonnante émise (E) par un corps est une fonction de sa température absolue (T°K) et son émissivité (ε). Elle s’exprime comme suit : 31
E = ερT4
Où :
ε : l’émissivité du corps rayonnant ρ : la constante de Stephan Boltzmann (5.67 X 10-8 W m-2 K-4) T : la température du corps rayonnant (K4) Exemples de calculs : 1. SOLEIL ES = εs. ρ.TS4 = = = = =
1.0 x 5.67 x 10-8 x (6000)4 1.0 x 5.67 x 10-8 x (60 x 102)4 1.0 x 5.67 x 10-8 x (60)4 x 108 1.0 x 5.67 x 1.29 x 107 7.3 x 107 W m-2
2. TERRE = εT. ρ. Tt4 ET = = = =
W m-2
W m-2
1.0 x 5.67 x 10-8 x (300)4 1.0 x 5.67 x 10-8 x (3 x 102)4 1.0 x 5.67 x 10-8 x (3)4 x 108 459.3 W m-2
3. Loi de Wien Cette loi constate que la longueur d’onde principale de l’énergie rayonnante émise par un corps est inversement proportionnelle à sa température absolue (T°K). Elle s’exprime comme suit :
λ
max
=
2897 T
λ max = µm Exemples de calculs : 1. SOLEIL
λ
max
=
2897 6000
= 0.5 µm
2. TERRE
λ
max
=
2897 = 9.66 µm 300
32
Fig. 5 .Les Spectres – solaire et terre
3.9 La géométrie d’insolation Constante solaire Elle exprime l'énergie solaire que recevrait un m² de la surface terrestre exposée directement aux rayons du Soleil calme et en l'absence d'atmosphère. Elle est égale à 1,35 kW/m²
Constante solaire (Io) • Valeur 1382 W m-2 (1354 à 1396 W m-2) Io : intensité d’énergie solaire qui tombe sur une surface qui est perpendiculaire aux rayons solaires, cette surface se trouvant à la limite de l’atmosphère et à une distance moyenne de 150 x 106 km (distance moyenne terre – soleil)
33
Calcul de la constante solaire Io= ∈ ρ Ts4 x 4 π(rs)2 = F 4 π (rts)2 A
=W m2
∈= émissivité de la surface du soleil (≈ 1,0) ρ= constante de Stephan-Boltzmann (5,68 x 10-8 W m-2 K-4) Ts= température de la surface du soleil (5 800 oK) rs= rayon du soleil (696 x 106 m) rts= distance moyenne entre la terre et le soleil (1.5 x 1011 m) Io=1.0 x (5,67 x 10-8) (5800)4 x 4 x 3,1416 (696 x 106)2 = W m-2 x m2 = W m2 m2 4 x 3,1416 (1,5 x 1011)2 =
3,9068 x 1026 4 x 3,1416 x (1,5)2 x 1022
W m2
=
3,9068 x 104 28,26
W m2
=
1382,4
W m-2
L’intensité du rayonnement solaire à la limite de l’atmosphère variera en fonction de : 1. La latitude : angle d’incidence 2. Distance terre/soleil : excentricité
Notion de rayon vecteur L’intensité du rayonnement solaire reçu au sommet de l’atmosphère varie selon la distance entre la terre et le soleil. En raison de la forme de l’orbite de la terre soit celle d’ellipse, la distance entre la terre et le soleil varie continuellement pendant l’année alors que la terre tourne autour du soleil, alors à la périhélie cette distance est de ± 147 x 106 km et à aphélie elle est de ± 152 x 106 km
34
Périhélie :
Distance terre/soleil la plus rapprochée (147.25 x 106 km) Présentement le 3 janvier Io > 1382 W m-2 (~ 1,5%) Température globale plus élevée
Aphélie :
Distance terre/soleil la plus éloignée (152.1 x 106 km) Présentement le 4 juillet Io < 1382 W m-2 (~ 5%) Température globale moins élevée (~ 4 oC)
Influence de l’angle d’incidence 1. La surface captant le rayonnement est plus petite, l’énergie est plus intense par unité de surface (100 W.m-2). 2. La surface captant le rayonnement est plus grande, l’énergie est moins intense par unité de surface (50 W.m-2).
35
APPLICATION Problématique : "La Terre reçoit l'énergie solaire sous forme de radiations de courtes longueurs d'onde (U.V., visible et proche infrarouge). En retour, la Terre perd de l'énergie sous forme d'un rayonnement infrarouge émis vers l'espace. Ces flux d'énergie sont-ils en équilibre en tout point du globe ? Pour répondre à cette question, il faut mesurer les différents flux énergétiques mis en jeu. Les satellites météorologiques équipés de capteurs (radiomètres) sensibles aux radiations solaires et aux radiations émises par la Terre permettent de "cartographier" ces flux d'énergie à l'échelle globale."
1) Mesure du rayonnement solaire incident, reçu à la surface de l'atmosphère Placés au-dessus de l'atmosphère, les satellites peuvent mesurer le rayonnement solaire incident, c'est-à-dire reçu à la surface de l'atmosphère. Pour cela, ils sont équipés de capteurs sensibles aux rayonnements solaires, dont les longueurs d'ondes sont comprises entre 0,2 et 4 micromètres. Les capteurs sont dirigés vers le Soleil. L'image suivante est une synthèse des mesures effectuées au cours du mois de mars 2001. L'énergie radiative reçue du Soleil est mesurée en W/m2.
a) On sait que la quantité moyenne d'énergie reçue par la Terre est de 342 W/m2. A partir de l'analyse des données fournies par cette image, montrer que cette énergie est inégalement répartie. b) A l'aide d'un schéma, expliquer l'origine de la répartition inégale de l'énergie incidente . c) Relever la valeur de l'énergie radiative incidente au-dessus de la France. 2) Mesure du rayonnement réfléchi ou albédo Cependant, toute l'énergie incidente n'est pas absorbée par la Terre car une partie du rayonnement solaire est réfléchie par la surface terrestre, comme la lumière est réfléchie sur un miroir. Ainsi, l'atmosphère, les nuages, la surface des océans, la surface des continents, etc. sont autant de "miroirs" qui réfléchissent plus ou moins les radiations solaires. Cette énergie est donc perdue pour la Terre. Ce rayonnement renvoyé vers l'espace peut être mesuré par des satellites munis de capteurs sensibles aux rayons solaires (ondes courtes), mais, cette fois, les capteurs sont dirigés vers la Terre. 36
On calcule ainsi l'albédo : c'est la proportion (en %) d'énergie solaire réfléchie vers l'espace. En moyenne l'albédo terrestre est de 30%, soit de 102 W/m2. Cependant, les mesures satellitaires permettent de calculer les variations de l'albédo tout autour de la planète. L'image suivante représente le résultat de ce calcul pour le mois de Mars 1987.
a) D'après cette image, quelles sont les régions du globe où l'albédo est le plus fort ? Le plus faible ? b) Relever la valeur de l'albédo au-dessus de la France. c) A partir des mesures du rayonnement incident et de l'albédo, on peut faire les hypothèses suivantes : (compléter les phrases ) Les régions du globe qui absorbent la plus grande quantité d'énergie solaire sont les régions qui reçoivent l'énergie incidente la plus ……………………….et qui ont un albédo le plus ………………………….. Ces régions sont ………………………………. Les régions du globe qui absorbent la plus petite quantité d'énergie solaire sont les régions qui reçoivent l'énergie incidente la plus ……………………….et qui ont un albédo le plus ………………………….. Ces régions sont ………………………………. 3) Le rayonnement solaire absorbé Le rayonnement solaire qui n'est pas réfléchi (70 %, soit en moyenne 240 W/m2) est absorbé par les gaz de l'atmosphère, par les nuages, par les océans et par la surface des continents. L'absorption de rayonnement se traduit par une élévation de la température de ces différents milieux. Le rayonnement solaire absorbé en chaque point du globe est calculé à partir des mesures du rayonnement incident (gain d'énergie) tout en tenant compte de l'albédo (perte). Les images suivantes fournissent les résultats exprimés en W/m2. 37
a) Quelles sont les régions qui absorbent la plus forte quantité d'énergie ? b) Quelles sont les régions qui absorbent la plus faible quantité d'énergie ? c) Les hypothèses formulées en 2) sont-elles vérifiées ? d) Relever la valeur de l'énergie radiative absorbée au-dessus de la France. 4) Le rayonnement émis par la Terre L'atmosphère, les océans et la surface des continents absorbent les radiations solaires (courtes longueurs d'onde : 0,2 à 4 micromètres). Ceci a pour effet d'augmenter leur température. Or tout corps porté à une certaine température émet à son tour des radiations. La longueur d'onde de ces radiations dépend de la température de la surface émettrice. Ainsi, la Terre (surface et atmosphère) émet un rayonnement infrarouge (entre 5 et 100 micromètres). Ce rayonnement est émis vers l'espace ; il représente donc une perte d'énergie pour la Terre. Le rayonnement infrarouge de la Terre peut être mesuré par des satellites équipés de capteurs sensibles à ce rayonnement et dirigés vers la Terre. L'image suivante représente une moyenne des mesures effectuées durant le mois de mars 2001.
a) Quelle est la région du globe qui émet (et donc "perd") le plus d'énergie ? b) Quelles sont les régions qui émettent le moins d'énergie ? 38
c) Relever la valeur de l'énergie radiative émise au-dessus de la France. d) Quelle particularité présentent les continents au niveau de l'équateur ? Quelle hypothèse peut-on proposer pour expliquer cette ? Analyse
1) Mesure du rayonnement solaire incident, reçu à la surface de l'atmosphère L'image proposée représente des résultats de mesures de rayonnement solaire incident, audessus de l'atmosphère (mars 2001). On observe que l'énergie incidente est inégalement répartie à la surface du globe, en fonction de la latitude. Par exemple, le flux d'énergie solaire est supérieur à 400 W/m2 dans la zone intertropicale, alors que ce flux est inférieur à 100 W/m2 dans les régions polaires. Au-dessus de la France, cette valeur est environ de 300 W/m2. Explication : La parfaite distribution des flux en fonction de la latitude montre que le flux solaire incident ne dépend que d'un facteur, l'inclinaison des rayons par rapport à la surface. Au mois de mars, les rayons solaires sont perpendiculaires à la surface à l'équateur (équinoxe le 21 mars). En revanche, au niveau des pôles, le rayonnement incident est oblique par rapport à la surface. Un même rayon solaire se répartit donc sur une surface plus grande ; la quantité d'énergie reçue par unité de surface est alors moins grande. 2) Mesure du rayonnement réfléchi ou albédo L'image proposée cartographie les mesures de l'albédo, c'est-à-dire la proportion de l'énergie incidente qui est réfléchie par la Terre (atmosphère et surface) vers l'espace (mars 1987). L'albédo est exprimé en pourcentage. On observe que l'albédo est maximal au niveau des pôles (ceci est dû à la présence de glaces, au fort pouvoir réflecteur). L'albédo peut également être fort dans les régions où la couverture nuageuse est importante. En revanche, les océans tropicaux (où la couverture nuageuse est faible) ont le plus faible albédo. Au-dessus de la France, l'albédo est d'environ 40 %. L'énergie solaire qui n'est pas réfléchie vers l'espace est absorbée par l'atmosphère et la surface de la Terre (continent et océan). On peut donc faire l'hypothèse suivante : Les régions du globe qui absorbent la plus grande quantité d'énergie solaire sont les régions qui reçoivent l'énergie incidente la plus forte et qui ont l'albédo le plus faible. Ce sont les océans tropicaux. Inversement, les régions du globe qui absorbent la plus petite quantité d'énergie solaire sont les régions qui reçoivent l'énergie incidente la plus faible et qui ont l'albédo le plus fort. Ce sont les régions polaires. 3) Le rayonnement solaire absorbé L'image proposée fournit la répartition du flux d'énergie solaire absorbée par la Terre (mars 2001). Les régions qui absorbent la plus forte quantité d'énergie solaire sont les océans tropicaux (plus de 350 W/m2), alors que les régions qui en absorbent le moins sont les pôles (moins de 50 W/m2). Ceci confirme l'hypothèse précédente. Au niveau de la France, le flux d'énergie solaire absorbé est d'environ 180 W/m2. 4) Le rayonnement émis par la Terre L'image proposée représente la moyenne des mesures du rayonnement infrarouge émis par la Terre durant le mois de mars 2001. Sur cette carte, la région qui émet le plus d'énergie est l'Afrique du Nord, c'est-à-dire la région désertique du Sahara (plus de 300 W/m2). Les régions qui émettent le moins d'énergie sont les régions froides (pôles et montagnes) (avec moins de 100 W/m2) et les régions humides, où la masse nuageuse est importante (régions équatoriales, sur les continents, au-dessus des forêts denses) (avec moins de 180 W/m2). L'énergie radiative émise au-dessus de la France est d'environ 200 W/m2).
39
5) Conclusion : Le bilan radiatif de la Terre L'image proposée représente le bilan radiatif (différence entre le flux radiatif absorbé et le flux radiatif émis) de la Terre en moyenne annuelle. Pour la France, le bilan radiatif est négatif, il est environ de -20 W/m2. De façon générale, le bilan radiatif est négatif au niveau des latitudes supérieures à 40° et il est positif pour les latitudes inférieures à 40°. Ce phénomène est essentiellement lié à la répartition inégale du rayonnement incident. Cependant, les régions désertiques (Sahara, Moyen-Orient, Australie) constituent une exception puisqu'elles sont situées à une latitude inférieure à 40° et ont pourtant un bilan radiatif négatif. Cela s'explique car ces régions présentent un fort albédo et émettent un flux important de radiations infrarouges. La température devrait augmenter dans les régions où le bilan radiatif est positif ; la température devrait diminuer dans les régions où le bilan radiatif est négatif. Pourtant, un équilibre thermique est maintenu au cours du temps. Ceci est dû aux mouvements de l'atmosphère et des océans, qui assurent un transfert de chaleur de l'équateur vers les pôles.
40
CHAPITRE 5 ENERGIE EOLIENNE 5-1 Généralités • •
• • • • •
•
•
Le mot « éolienne » vient du grec (Éole), le dieu des vents. Depuis l'Antiquité, les moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé pour moudre du grain). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour irriguer des zones sèches, assécher des zones humides. En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité., avec un stockage par batterie d'accumulateurs. La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est développée par le Danois Poul La Cour en 1890. Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à 1963 en France. Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier, pour que le Danemark reprenne les développements d'éoliennes. Depuis les années 90, l'amélioration de la technologie des éoliennes a permis de construire des aérogénérateurs de plus de 1 MW. Ces unités se sont vulgarisées et on en retrouve aujourd'hui dans plusieurs pays. Ces éoliennes servent aujourd'hui à produire du courant alternatif pour les réseaux électriques, au même titre qu'un réacteur nucléaire, un barrage hydro-électrique ou une centrale thermique fossile. Cependant, les puissances générées et les impacts sur l'environnement ne sont pas les mêmes. L'énergie éolienne provient à l'origine du soleil, comme toutes les énergies renouvelables (excepté les énergies géothermique et marémotrice). 1 à 2 % de cette énergie provenant du soleil est convertie en vent, soit 50 à 100 fois plus que l'énergie convertie en biomasse par la photosynthèse. Une éolienne de 2 MW alimente en électricité environ 4 000 personnes, soit une production annuelle de 4 à 5 millions de kWh.
L'énergie éolienne n'est pas neuve. Moulins dans la région de La Mancha, Espagne.
41
5-2 Principe de fonctionnement •
• • •
Une éolienne est constituée d’une partie tournante, le rotor, qui transforme l’énergie cinétique en énergie mécanique en utilisant des profils aérodynamiques. Le flux d’air crée autour du profil une poussée qui entraîne le rotor. rotor La puissance mécanique est ensuite transformée soit en puissance hydraulique avec une pompe, soit en puissance électrique avec une génératrice. Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent.. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur). Toutes les éoliennes commerciales utilisent aujourd’hui ce principe de fonctionnement elles sont appelées éoliennes à axe horizontal car l’axe de rotation du rotor est horizontal, parallèle à la direction du vent. Plus le diamètre du rotor sera grand, plus la puissance puissance récupérable sera importante dans un vent donné. La gamme des éoliennes disponible est très large, large de 50 Watt (diamètre de 90 cm) à 2500 kW et plus (+ de 80 m de diamètre).
Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur.
Une éolienne permet de transformer trans l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants : •
•
•
Un mât qui permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât mâ abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.). Un rotor,, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu. Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine. 42
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Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite par ce mat électromagnétique.
Schéma des pales d'une petite éolienne
5-3 Types d’éolien L'énergie éolienne est exploitée à plusieurs échelles. On peut distinguer le grand éolien ou éolien industriel qui est financé par des collectivités et des grandes entreprises, raccordé à un réseau électrique. Il y a aussi le petit éolien, qui est mis en œuvre par un individu ou une ferme agricole, en site isolé ou raccordé au réseau. Chaque année, les nouveaux modèles deviennent plus grands et plus puissants. Le dernier prototype de REpower avec une capacité de 5 MW, a été installé en 2006, à 25 km de la côte écossaise, avec un diamètre de 126 mètres et un poids de 700 tonnes.
5-3-1 Electricité sur un site non raccordé au réseau Pour une fourniture d’électricité sur un site non équipé en électricité (sites isolés) l’éolienne électrique de petite puissance, de 50 W à 10 kW, est suffisante dans la plupart des cas. L’éolienne produit du courant qui est régulé et stocké dans des batteries qui assurent l’autonomie pendant les jours de vent nul ou faible. On utilise ensuite soit directement du courant continu venant des batteries, soit du courant alternatif produit par un onduleur alimenté par les batteries. 43
5-3-2 Fourniture d’électricité sur un site raccordé au réseau électrique Il s’agit ici d’utiliser l’énergie éolienne pour alimenter une usine, une ferme par exemple déjà alimentée par le réseau électrique. Dans ce cas, l’énergie produite par l’éolienne viendra diminuer la facture d’électricité sur le site. L’éolienne est raccordée sur le réseau interne de l’utilisateur : quand elle produit, l’énergie éolienne sera utilisée en priorité par celui-ci. Si la production est trop faible, le réseau électrique fournira le complément.
5-3-3 Production d’énergie éolienne vendue sur le réseau Ce type d’usage correspond en fait à l’installation d’une centrale électrique, toute l’énergie produite est achetée par le réseau comme s’il s’agissait d’une centrale hydroélectrique ou fossile. Un tarif d’achat est prévu . La stratégie actuelle conduit à regrouper plusieurs machines sur un même site afin de constituer une « Centrale Eolienne » ou « Wind Farm ». Ces installations atteignent plusieurs MW de puissance totale. Les recherches se tournent, à présent, vers des centrales installées en mer (offshore), pouvant représenter une capacité de production de plus de 50 MW.
Ferme éolienne
5-3-4 L'éolien offshore L'installation de fermes éoliennes offshore est l'une des voies de développement de l'éolien, car elle s'affranchit en grande partie du problème des nuisances esthétiques et de voisinage, d'autre part le vent est beaucoup plus fort et constant qu'à terre. Cette solution permet le développement technique progressif d'éoliennes de très grande puissance. Les projets des futures éoliennes offshores, visent une puissance de 10 MW unitaire, avec un diamètre de pales de 160 mètres.
Construction de l'éolienne REpower 5 MW dans la Mer du Nord 44
5-4 L'avenir de l'énergie éolienne La montée du prix des énergies fossiles a rendu les recherches dans le domaine de l’éolien plus attirantes pour les investisseurs. La technologie actuellement la plus utilisée pour capter l’énergie éolienne consiste à placer au bout d’un axe horizontal des pales formant une hélice
5-5 Inconvénients de l’emploi de l'énergie éolienne La technologie à axe horizontal présente certains inconvénients : •
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L'encombrement spatial est important, il correspond à une sphère d’un diamètre égal à celui de l’hélice, reposant sur un cylindre de même diamètre. Un mât de hauteur importante est nécessaire pour capter un vent le plus fort possible. Le vent doit être le plus régulier possible, et donc interdit des implantations en milieu urbain ou dans un relief très accidenté. Une pale de 40 mètres qui décrirait une rotation par seconde verrait son extrémité avancer à une vitesse de 250 m/s, soit environ 900 km/h. C'est la raison qui explique le bruit aérodynamique des pâles et une des raisons de la mise en arrêt des éoliennes par vent fort. En pratique, les pales des grandes éoliennes ne dépassent jamais une vitesse de l'ordre de 100 m/s à leur extrémité. La production énergétique dépend directement de la force du vent, indépendamment des besoins, il faut donc prendre en compte l'évolution journalière ou saisonnière de la courbe de charge, voire le stockage de l’énergie produite.
5-6 Aspect environnemental de l'énergie éolienne L'énergie éolienne est une énergie renouvelable dont le gisement n'est pas épuisable à l'échelle de temps des civilisations humaines. Elle est considérée comme une énergie propre qui ne produit directement ni dioxyde de carbone, ni dioxyde de soufre, ni mercure, ni fines particules, ou n'importe quel autre type de pollution de l'air ou de l'eau. Elle ne produit pas de déchets radioactifs à vie longue.
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CHAPITRE 6 LA GEOTHERMIE 6-1 Généralités La géothermie, du grec Géo (la terre) et thermie (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par extension, la géothermie désigne aussi l'énergie géothermique issue de la terre qui est convertie en chaleur et/ou en électricité. L’énergie géothermique est exploitée dans des réseaux de chauffage et d'eau chaude depuis des milliers d'années en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin méditerranéen.L'augmentation des prix de l'énergie et le besoin d'émettre moins de gaz à effet de serre la rendent plus attrayante. Quand on creuse profondément sous terre, par exemple une mine ou un forage, on s’aperçoit que la température augmente peu à peu, en moyenne de 3° C par 100 mètres. C’est ce qu’on appelle le gradient géothermique. L’eau contenue dans les roches réservoir du sous-sol est donc de l’eau chaude. Et elle est d’autant plus chaude que le réservoir est plus profond. Le principe de la géothermie est d’utiliser ces réservoirs d’eau chaude pour produire de l’énergie.
6-2 Classification de l’énergie géothermique Suivant la température de l’eau, on distingue 3 types d’énergie géothermique :
6-2-1 La géothermie basse énergie : La température de l’eau comprise entre 30 et 100° C. La profondeur des réservoirs atteint 1000 à 2500 m. Elle est utilisée pour le chauffage. Ce type de géothermie est présent dans tous les grands bassins sédimentaires du monde. De nombreuses régions sont concernées : bassins du Mississipi, de l’Amazone de l’Australie, en Chine, en Asie centrale, en Hongrie, en France.
Géothermie basse énergie
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6-2-2 La géothermie moyenne énergie : La température de l’eau comprise entre 100 et 180° C. On l’utilise pour produire de l’électricité. On la rencontre dans les zones volcaniques, dans des réservoirs à moins de 1 000 m de profondeur ett aussi dans les bassins sédimentaires, mais dans des réservoirs à plus grande profondeur que ceux de la géothermie basse énergie (2 500 à 4 000 m). 6-2-3 La géothermie haute énergie : La température de l’eau comprise entre entr 180 et 350° C. L’eau est utilisée sous forme de vapeur pour produire de l’électricité. On la trouve dans les zones volcaniques et à la frontière des plaques tectoniques en collision ou en formation (tous les archipels volcaniques bordant le Pacifique – la ceinture de feu – l’Islande…).
Géothermie haute énergie
Zones propices au développement de la géothermie haute énergie (Régions tectoniques et volcaniques actives émergées) Zones favorables à la géothermie basse énergie (bassins sédimentaires) Zones de socle cristallin réservées pour la très basse énergie
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6-3 La production d’électricité On dénombre aujourd’hui un peu plus de 350 installations géothermiques hautes et moyennes énergie dans le monde. La puissance mondiale de ces centrales électriques est d’environ 9,7 GW en 2007(contre 8 en 2000), ce qui ne représente que 0,3% de la puissance mondiale électrique installée sur la planète, la géothermie reste cependant, avec la biomasse et l'éolien, l'une des trois autres sources principales d'électricité par énergie renouvelable dans le monde. L'utilisation actuelle de cette ressource n'est pas équilibrée sur la planète. La disparité géographique de la production découle en partie de celle des ressources. Les principaux pays producteurs se situent sur la périphérie du Pacifique : six dans les Amériques pour 3 921 MW, cinq en Asie pour 3 291 MW, deux en Océanie pour 441 MW. L’Europe compte six pays producteurs, pour une puissance de 1 123 MW, et deux seulement en Afrique pour 134 MW. La géothermie couvre 0,3% des besoins mondiaux en électricité. Toutefois, dans certains pays sa contribution aux besoins nationaux peut être bien plus élevée et atteindre plusieurs pourcents.
Turbine de la centrale géothermique de Bouillante
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Principaux pays producteurs d'électricité géothermique
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6.4 Le chauffage géothermie par captage Le chauffage géothermique par captage connaît un essor important et compte déjà plusieurs milliers d'installations. Sa source de chaleurs est constituée par la masse terrestre, qui est un réservoir d'énergie inépuisable. La température du sous-sol varie en fonction des saisons, mais d'une façon très lente, ce qui permet au procédé géothermique par captage de fonctionner dans des conditions de rendements très élevés. On peut imaginer le principe de la manière suivante pour le rendre compréhensible par tous : Il s'agit de prendre un flacon d'éther et d'en verser quelques gouttes sur le dos de la main, on constate alors une sensation instantanée de refroidissement de la peau provoquée par l'évaporation de l'éther qui extrait de la chaleur du corps. C'est ce même phénomène qui est mis en œuvre dans le fonctionnement d'un réfrigérateur, le fluide frigorifique extrait la chaleur de l'enceinte de l'appareil pour le rejeter à l'extérieur à travers le serpentin placé derrière l'appareil. Le captage de la chaleur dans le cas de la géothermie se fait généralement par des tubes gainés de polyéthylène dans lesquels circule un fluide caloporteur. 6.4.1
Principe géothermie par captage
Le chauffage par géothermie consiste à capter les calories présentes dans le sol pour les restituer dans la maison. Cette technique connaît un développement important, en construction neuve comme en rénovation, en raison de son intérêt économique et écologique. 6.4.2
Différents procédés de la géothermie par captage
Sur le terrain, le principe du chauffage par géothermie se traduit par trois solutions de captage qui lui permettent de s’adapter à toutes les configurations de terrain. La solution traditionnelle de captage par géothermie horizontal nécessite, selon les conditions climatiques, une surface extérieure comprise entre 100% et 150% de la surface à chauffer. Lorsque le terrain est trop exigu ou accidenté, le captage par géothermie se fait à la verticale, au moyen d’une sonde géothermie qui va capter l’énergie en profondeur, entre 50 et 100 mètres. Autre alternative, le captage d’eau sur nappe permet de profiter des nappes présentes dans le sol, souvent à une profondeur de 10 à 20 mètres, dont la température est constante tout au long de l’année. 6.4.3
Le captage Horizontal par géothermie
Selon les conditions climatiques, le captage horizontal par géothermie nécessite une surface extérieure comprise entre 100 % et 150 % de la surface à chauffer. Le réseau de capteurs est alors enterré à environ 60 cm de profondeur. Cette solution est la plus répandue en France car son installation est la plus simple et assure le meilleur rendement.
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Le captage Horizontal par géothermie
6.4.4
Le captage vertical par géothermie
Une sonde géothermie remplie d’eau glycolée circule en circuit fermé et capte l’énergie en profondeur (entre 50 et 150 mètres). Le captage vertical proposé par Sofath connaît un réel engouement et devient ainsi une solution technique d’avenir.
Le captage vertical par géothermie
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6.4.5
Le captage Le captage d’eau sur nappe phréatique par géothermie
Le captage d’eau par géothermie sur nappe connaît une forte demande auprès des clients qui possèdent des terrains exigus ou accidentés. L’eau prélevée provient des nappes présentes dans le sol, souvent à une profondeur de 10 ou 20 mètres et dont la température est constante tout au long de l’année (entre 10 et 12°C), assurant ainsi un rendement élevé de la pompe à chaleur.
6.4.6 Avantages de la géothermie par captage • • • • •
Très économique : le moins cher à l'utilisation de tous les systèmes de chauffage toutes énergies confondues. Très confortable : émission de chaleur agréable du plancher chauffant basse température, sans aucun risque de bouchage des tubes. Evolutif : possibilité de refroidir l'habitation l'été ( -2 à 3°c en moins que la température intérieur de la maison), également chauffer une piscine. Pratique : fonctionnant à l'électricité, il ne nécessite aucun entretien, d'où la longévité (comparable à celle d'un réfrigérateur). Facilité : simple en mettre en œuvre, il n'a pas besoin de local technique, ni stockage, ni de conduit de fumée ; une simple alimentation électrique suffit.
En conclusion, le système de chauffage géothermique par captage peut être considéré actuellement comme une des solutions les plus performantes sur le marché.
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