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2 avril 2013 2 02 /04 /avril /2013 21:12

Geneva MotorShow 2013 - Renault Zoe chargingDepuis quelques semaines, impossible sauf à vivre sur la planète mars de ne pas avoir vu au moins une publicité pour la nouvelle voiture électrique de Renault, la Zoé. Avec l'argument marketing massue : c'est une voiture électrique donc zéro émissions de CO2. Effectivement de prime abord, pas de combustible fossile donc pas d'émission de CO2, CQFD. Est-ce aussi simple ?

 

Je passe sur le fait que la fabrication d'une voiture émet en moyenne un peu plus de 4 tonnes de CO2, et un peu moins de 5 tonnes si on y ajoute la fabrication des pièces de rechange et le traitement de la voiture en fin de vie (d'après l'organisation internationale des constructeurs automobiles, l'ADEME donnant pour sa part 5,5 tonnes de CO2 par tonne de voiture, soit 7,2 tonnes de CO2 pour la Zoé), soit pour 200 000 km parcourus l'équivalent de 25g à 36g de CO2 par km (ce qui rappelle au passage qu'il vaut mieux mener les voitures jusqu'à leur fin de vie, d'un point de vue émissions de gaz à effet de serre, plutôt que d'en changer pour grappiller quelques grammes de CO2 par km). En terme de poids, la Zoé est une voiture "moyenne", le coût-carbone de sa fabrication doit donc se situer au voisinage de ce chiffre (si l'on suppose que la fabrication de la batterie ne conduit pas à des émissions déraisonnables, ce dont je n'ai pas la moindre idée mais est optimiste connaissant la durée de vie de la batterie). Mais la fabrication d'une voiture à moteur thermique émet tout autant, donc en jouant un peu sur les mots on pourrait effectivement à ce stade considérer que l'utilisation de la Zoé n'entraîne pas d'émissions de gaz à effet de serre. Là encore est-ce aussi simple ?

 

La réponse est évidemment... ça dépend !

 

J'avais écrit il y a 3 ans un petit article sur la structure de la production d'électricité en Europe, basé sur des chiffres de 2007. Si des changements ont eu lieu depuis, ils n'ont pas pu rebattre totalement les cartes entre les différents moyens de production, je vais donc considérer que les chiffres sont similaires, au moins pour les ordres de grandeur.



Belchatow power station 800px-20051029Supposons donc que j'habite en Pologne et que j'achète une Zoé. 91% de l'électricité polonaise est produite par... des centrales thermiques au charbon (à gauche la centrale de Belchatow), les 8% restant se partageant entre des centrales au fioul, des énergies renouvelables, des centrales au gaz, ... Hors, la production de 1 kWh d'électricité par une centrale thermique au charbon émet en moyenne... 1.2 kg de CO2 (chiffres de l'agence internationale de l'énergie). En ne tenant compte que des 91% d'électricité produite par des centrales au charbon (en supposant donc que le reste de la production n'émet absolument rien, ce qui est évidemment faux), 1 kWh polonais émet donc 1.1 kg de CO2. D'après les chiffres de Renault, la batterie de la Zoé a une capacité totale (neuve) de 22 kWh, ce qui lui permettrait 210 km d'autonomie, 100 à 150 km en cycle urbain d'après ce que j'ai pu lire ici et là dans des magazines automobiles, je vais donc considérer 150 km pour être optimiste. 1 km parcouru par une Zoé en Pologne émet donc... 161 g de CO2, soit très nettement plus qu'une voiture à moteur thermique de sa catégorie de taille (et ne comparons pas à une voiture hybride !). Mais ça évidemment le gentil automobiliste ne s'en rend pas compte, puisque ce n'est pas lui qui émet le CO2 mais la centrale thermique !

 

J'ai évidemment choisi ici un exemple caricatural, la Pologne étant le pays européen dont la production d'électricité dépend le plus des combustibles fossiles. (à noter que l'on arriverait à peu près aux mêmes valeurs d'émissions si l'on faisait le calcul pour la Chine).

 

Si je fais maintenant le même calcul pour "la moyenne de l'Europe", j'arrive à 67 g de CO2 par km (101 g en supposant une autonomie de 100 km au lieu de 150 km, ce qui est sans doute le cas avec la climatisation ou d'autres appareils gourmands en énergie). A titre de comparaison, les voitures en tête du palmarès 2012 de l'ADEME, tant pour les essence que pour les diesel, émettent environ 80g de CO2 par km et sont dans la même catégorie de taille.

 

Kernkraftwerk_Grafenrheinfeld_12.jpgFinalement, les seuls pays pour lesquels les émissions de CO2 de la Zoé sont significativement plus faibles que celles de voitures à moteurs thermiques sont les pays très nucléarisés, pour lesquels l'utilisation de combustibles fossiles dans la production d'électricité est faible (je passe sur les déchets générés par l'industrie nucléaire qui sortent du sujet de cet article). Ainsi d'après les chiffres 2012 de RTE, 1 kWh d'électricité produit en France émet à peine plus de 55 g de CO2 en moyenne (nettement plus l’hiver, lorsque les centrales thermiques tournent à plein régime). Le calcul conduit alors à un peu moins de 10g de CO2 par km pour la Zoé. Si l'on revient à la production européenne d'électricité, il n'y a guère qu'une poignée de pays pour lesquels les émissions de la Zoé sont effectivement inférieures à celle d'une voiture à moteur thermique de sa catégorie, dont effectivement la France. L'honneur est sauf, la publicité de Renault n'est donc pas "que" du greenwashing... du moins en France.

 

 

articles connexes :

 

* structure de la production européenne d'électricité

* place du charbon dans la production européenne d'électricité

* voiture électrique et production d'électricité

 

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5 janvier 2012 4 05 /01 /janvier /2012 21:01

enseigne lumineuseLe 16 décembre dernier, Nathalie Kosciusko-Morizet, l'actuelle ministre de l'écologie, a annoncé une série de mesure visant à réduire la consommation d'énergie et à améliorer l'efficacité énergétique. Parmi les mesures proposées, une a particulièrement retenu l'attention par son aspect symbolique, l'obligation pour les commerces d'éteindre leurs enseignes lumineuses entre 1h et 6h du matin, mesure qui entrera en vigueur le 1er juillet 2012. Au-delà de l'aspect symbolique (personne n'a jamais prouvé, et pour cause, qu'éclairer la nuit les enseignes lumineuses faisait vendre le lendemain, a fortiori entre 1h et 6h du matin), on peut s'interroger sur l'impact réel d'une telle mesure.

 

Selon le communiqué de presse du ministère de l'écologie, "le parc d’enseignes lumineuses représente une puissance installée de près de 750 MW, la moitié de celle d’un EPR (...) une économie d'électricité équivalente à la consommation annuelle de 260.000 ménages français"

 

Si l'on ne va pas plus loin que les mots, tout dans ce communiqué est vrai : 750 MW représente bien la moitié d'un réacteur EPR, et la consommation des enseignes lumineuses correspond bien à celle de 260 000 ménages. Tout est-il si simple ?

Tout le problème vient du fait que ce communiqué mélange allègrement puissance et énergie. En effet, si les ménages et les enseignes consomment la même énergie, cette consommation n'a pas lieu au même moment. Pour le comprendre, il suffit de s'intéresser au schéma suivant. Il s'agit des statistiques de RTE, l'entreprise publique chargée du réseau de distribution d'électricité en France, qui montre la consommation d'électricité un jour au hasard de décembre dernier (le mercredi 14, précisément) quart d'heure par quart d'heure, mais en terme de puissance électrique. Rappelons que l'on passe simplement de la puissance à l'énergie en multipliant la puissance par le temps durant lequel elle est consommée. (le mois de décembre ayant été particulièrement doux en France, la consommation est nettement moins élevée qu'à l'habitude, mais ça ne change rien à l'explication.)

 

consommation electricite 14-12-2011Ce que l'on constate sur cette figure, c'est que comme l'on pouvait s'en douter, la consommation d'électricité est très nettement plus élevée la journée que la nuit, avec un pic de consommation entre 18h et 20h quand les gens font tourner leur chauffage électrique à fond... Ainsi le 14 décembre dernier, le pic de consommation a été de 77 GW (plutôt faible par rapport à un mois de décembre "normal" où ce pic est généralement au dessus de 90 GW).

ça c'était pour le maximum de consommation. Regardons maintenant ce qui se passe entre 1h et 6h du matin, puisqu'il s'agit du créneau horaire concerné par la mesure. Sur ce créneau, la consommation d'électricité a été en permanence inférieure à 60 GW (là encore, elle aurait été plus élevée un mois de décembre "normal", mais serait restée très inférieure à celle observée la journée). Une chose est sûr, éteindre les enseignes lumineuses la nuit ne réduira pas la consommation la journée.

 

Puisque nous sommes dans les statistiques, le site de RTE donnent également la répartition de la production par filière, là encore quart d'heure par quart d'heure. Si l'on regarde ces statistiques, on s'aperçoit que la production "de nuit" est issue pour sa quasi totalité du nucléaire, et un peu de l'éolien (le vent souffle autant la nuit que le jour). à 19h, la production nucléaire n'est que légèrement supérieure (on n'arrête pas ou ne démarre pas une centrale nucléaire d'une heure à l'autre), toute la différence est due à l'hydraulique (on peut choisir quand on ouvre les vannes des barrages)...et aux centrales à charbon (2,7 GW), à gaz (2,2 GW) et au fioul (350 MW). En conséquence, les émissions de CO2 estimées sont environ deux fois plus élevées à 19h qu'à 3h du matin. (un jour de décembre "normal", la tendance est exactement la même, mais avec très nettement plus de gaz, de charbon et de fioul mis en oeuvre à 19h).

 

Maintenant que nous avons vu ces chiffres, réfléchissons un peu : que se passera-t-il si nous éteignons toutes les enseignes entre 1h et 6h du matin. Sur ce créneau horaire la production est principalement nucléaire, et un peu éolienne. Comme on ne va tout de même pas supprimer des éoliennes, nous pouvons donc supprimer un vieux réacteur nucléaire (750 MW c'est à peu près la puissance des plus vieux). Mais si nous arrêtons ce réacteur, il ne produira pas à 19h, heure où la demande n'aura pas changée. Comme la production hydroélectrique est à son maximum en France, à l'heure actuelle la seule possibilité de fournir ces 750 MW manquant est... des centrales thermiques à gaz, charbon ou fioul ! On arriverait donc à la situation paradoxale où diminuer la consommation d'électricité pourrait entraîner une hausse des émissions de gaz à effet de serre !!

 

Est-ce que cela signifie que cette mesure ne sert à rien et qu'il faut laisser les enseignes lumineuses éclairées ?

 

évidemment non ! Ce raisonnement simple (mais tout à fait rigoureux au demeurant) montre simplement que cette mesure seule est non seulement inutile mais potentiellement néfaste si elle n'est pas accompagnée ! Dès lors quelles sont les solutions ? Elles sont de plusieurs type. Le nucléaire est une énergie de "base", mais nous avons également besoin d'autres sources de production pour les "pointes". Le problème vient ici soit du fort décalage de consommation entre la base et les pointes, soit de la manière de produire l'électricité lors de ces pointes. On peut (et doit !) donc jouer sur plusieurs leviers.

  • le plus évident, mais qui est à long terme : développer de nouveau systèmes de stockages de l'électricité performants et à grande échelle, pour utiliser pendant les pointes de consommation l'électricité produite durant les creux (stockage chimique, ...).
  • développer des moyens production d'électricité plus propres que le gaz, le charbon et le fioul et pouvant répondre à la demande aux heures de pointes (biomasse, ...)
  • atténuer la différence d'amplitude creux-pointes ... notamment en arrêtant de promouvoir le chauffage électrique !
  • atténuer la différence d'amplitude creux-pointes... en consommant plus aux heures creuses ! Le raisonnement est principalement basé sur le fait que si nous éteignons les enseignes lumineuses nous pouvons produire moins la nuit... mais nous pouvons également utiliser cette production "libérée" pour des applications de type rechargement de batteries de véhicules électriques.

Les possibilités de sortir de ce paradoxe qui ferait qu'à une diminution de notre consommation d'électricité correspondrait une hausse des émissions de gaz à effet de serre ne manque pas. Mais il faut que nos gouvernants aient la volonté politique d'aller au-delà des mesures symboliques, qui ont l'avantage de la quasi-gratuité, pour proposer des mesures d'accompagnement plus ambitieuses.

 

 

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14 décembre 2011 3 14 /12 /décembre /2011 21:53

Contrairement à ce que ce titre pourrait laisser croire, ce premier article après pratiquement 6 mois de pause n'est pas destiné à dresser un inventaire des mécanismes déjà existants en France et visant à inciter les particuliers à réduire leur facture énergétique, et donc leurs émissions de gaz à effet de serre.

 

Simplement parce que la plupart des mécanismes qui existaient ont disparu, ont été fortement réduits ou ont été détricotés au cours des derniers mois. "La faute à la crise", même si cette crise n'était pas là lorsque la taxe carbone n'a pas vu le jour (alors qu'une taxe carbone, certes modérée, a vu le jour en Australie, pays qui ne faisait pourtant pas partie jusque là des bons élèves de la lutte contre le réchauffement climatique). On a donc vu, sous couvert de réduction des niches fiscales, disparaître ou diminuer fortement des crédits d'impôts pour le développement des énergies renouvelables ou l'amélioration de l'isolation des bâtiments. Diminuer les tarifs de rachat de l'électricité issue du solaire photovoltaïque. Fortement durcie les procédures d'autorisation de développement de l'éolien (érigé maintenant au titre "d'installations classées pour la protection de l'environnement", au même titre que des usines d'incinération ou des centrales thermiques ...)....

 

Et pendant ce temps, la conférence de Durban est un échec patent (même si la plupart des participants s'autocongratulent et parlent d'accord), ne faisant que repousser à plus tard toute discussion autour d'objectifs contraignants. Le Canada, grand pollueur devant l'éternel, se retire du protocole de Kyoto pour mieux continuer à exploiter ses schistes bitumineux (dont il "oublie" opportunément de comptabiliser les émissions de CO2 dans son inventaire total, alors qu'elles dépassent celles de tout son secteur automobile !). Et après une stagnation due à la crise, les émissions de gaz à effet de serre ont encore augmenté en 2010, conformément aux prévisions de l'agence internationale de l'énergie.

 

Dès lors, que faire ? Espérer que la question du climat et de l'environnent s'invite dans les débats politiques des pays pour lesquelles des élections ont lieu l'année prochaine (dont les USA et la France) et détrône La Crise ? Ou pourquoi pas chercher de nouvelles idées ? Je ne changerai sans doute pas le monde avec ce blog et sa vingtaine de visiteurs quotidiens, mais voici à tout hasard un début d'idée que je n'ai pas encore entendu dans la bouche d'un candidat à la présidence en France :

 

A force de l'entendre dire et répéter, tout le monde a sans doute intégrer maintenant que la hausse des coûts de l'énergie dans un proche avenir est inéluctable. Mais plutôt que de l'augmenter uniformément, comme on en prend par exemple le chemin pour le gaz dans les semaines qui arrivent, pourquoi ne pas le faire de manière intelligente pour inciter à la réduction de la consommation d'énergie ?

 

Pour l'électricité, le gaz et le fioul domestique, on pourrait imaginer un mécanisme ou le prix de l'énergie, ramenée en kWh pour chaque type (si l'on regarde une facture de gaz, par exemple, 1 m3 correspond à 11,2 kWh, et on peut faire la même conversion pour le fioul domestique) dépendrait de la consommation totale d'énergie.

Je m'explique : supposons, parce que les nombres ronds c'est pratique et parce que je n'ai aucune idée du chiffre réel, que la consommation d'énergie domestique (donc hors automobile, ce qui constitue tout de même une part importante des émissions de gaz à effet de serre) soit en France de 10 000 kWh par personne. On pourrait alors imaginer que par rapport au prix actuel, tous les kWh jusqu'à 5 000 kWh soit gratuits, que tous ceux entre 5 000 et 10 000 kWh coûtent le double du prix actuel, et que tous ceux au-delà de 10 000 kWh coûtent le triple. (évidemment il faudrait affiner ça en ne comptant pas par personne mais par foyer, ou par foyer mais en tenant compte de la composition du foyer, mais ce sont des détails de mise en pratique).

De cette manière, les personnes qui consomment moins que la moyenne y gagne, d'autant plus qu'elles consomment peu, celles qui consomment plus y perdent, d'autant plus qu'elles consomment beaucoup, ce qui incitent à faire baisser la moyenne via des économies d'énergie ou des travaux d'amélioration de l'habitat (et ça en plus c'est bon pour l'économie). Et tous les ans (ou un peu moins souvent si c'est trop compliqué), on change le 10 000 kWh pour la nouvelle moyenne...

 

Mais vous me répondrez, "et les locataires", ils n'y peuvent rien si leurs propriétaires se moquent éperdument de leur consommation d'énergie. Réponse simple : le mécanisme s'applique à eux jusqu'à 10 000 kWh (pour les inciter à économiser l'énergie), mais la forte hausse de prix au-delà de ces 10 000 kWh est payée par le propriétaire, ce qui l'incite à ne pas laisser son appartement ou sa maison dans le club des passoires thermiques.

 

Voilà une idée qui ne me semble pas forcément très compliquée à mettre en oeuvre, et qui a l'avantage de la pédagogie. Mais je n'ai pas prévu être candidat à la présidence de la république...

 

 

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5 octobre 2010 2 05 /10 /octobre /2010 20:59

TeslaRoadster-front

Depuis le début du Salon de l'automobile ce week-end, les média n'arrêtent pas de parler de voitures électriques, qui sembleraient être les vedettes du salon. On ne peut que se réjouir de voir enfin une alternative possible aux moteurs à combustion, fortement émetteurs de CO2 (n'oublions pas que les transports individuels représentent à peu près 1/6 des émissions mondiales de gaz à effet de serre), mise au centre du débat. Cependant, à trop présenter la voiture électrique comme LA solution miracle, qui serait disponible pour tous très rapidement, les journalistes risquent de créer un fort sentiment de déception si cette solution n'est pas au rendez-vous, ce qui est encore loin d'être certain à l'heure actuelle. Le but de cet article n'est pas de dénigrer cette technologie, dont on peut espérer qu'elle puisse contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique, mais de tempérer un peu l'enthousiasme pour éviter les désillusions.

 

 

photo : Tesla Roadster (fogcat5, CC-BY-SA 2.0)

 

Je ne parlerai pas des problèmes d'autonomie, qui finiront pas se régler d'eux-même (actuellement l'autonomie d'un véhicule automobile "de série" est de l'ordre de 50 à 100 km, suivant les accessoires utilisés, tandis que la distance moyenne parcourue en une semaine par un automobiliste est d'un peu moins de 40 km). Pour la vitesse maximum, ce n'en est déjà plus un, la Tesla Roadster de la photo a une vitesse de pointe de plus de 200 km/h. Le prix finira également par le plus être un problème du fait de l'augmentation certaine à moyen terme du prix du pétrole et donc des carburants. Mais il y a deux autres difficultés majeures à résoudre, donc le grand public est peut-être moins conscient :

 

 

  • La production d'électricité

voiture electrique rechargementCommençons par une lapalissade : une voiture électrique, ça roule à l'électricité. Le problème c'est que l'électricité on ne la ramasse pas sur le bord de la route, il faut la produire. Petit calcul simple d'ordre de grandeur au niveau français :

 

- une voiture "moyenne" a besoin d'environ 30 kWh pour parcourir 100 km (à condition de ne pas trop faire tourner climatisation et autres systèmes gourmands en énergie). Chaque automobiliste français parcours en moyenne autour de 13 000 km par an et aura donc besoin de 3,9 MWh.

 

- il y a en France environ 600 voitures pour 1000 habitants, soit autour de 36 millions.

 

→ l'énergie totale nécessaire sur un an pour faire rouler toute ces voitures serait de l'ordre de 140 000 GWh.

 

En supposant 15% de perte entre la recharge de la batterie et le réseau électrique, il va donc falloir produire 165 000 GWh d'électricité. Un réacteur nucléaire produit environ 8 000 GWh d'électricité par an, il va donc nous en falloir 20. Ou 40 grosses centrales à gaz ou charbon, ou quelques milliers d'éoliennes off-shore, ou quelques dizaines de km² de panneaux solaire. ça juste pour la France, pour passer à l'échelle de la planète, on peut à la louche multiplier tout ça par 25 à 30. Tout ça évidemment en supposant que la charge des batteries est bien répartie sur 24h.

 

Ce que je veux dire par ce petit calcul n'est pas que c'est impossible, mais qu'il est complètement déraisonnable de faire dès à présent la promotion des voitures électriques sans réfléchir très sérieusement à la manière de les alimenter. (ou de se servir un peu moins de véhicules individuels, mais c'est une autre histoire).

 

  • Les matériaux utilisés dans les batteries

LithiumA priori aujourd'hui, la technologie la plus souvent choisie pour les batteries des voitures électriques est la technologie lithium-ion. Une batterie lithium-ion a une durée de vie en cyclage (charges et décharges successives) d'environ 1 millier de cycles. Il faut donc pour l'instant compter sur 3 batteries sur la durée de vie de la voiture. Disons 2 batteries en espérant des progrès dans leur fiabilité. Il faudra donc à terme 2 fois plus de batteries que de voiture. En nous plaçant à l'échelle française, 72 millions de batteries dans les voitures, et 4 millions vendues par an.

 

Si l'on s'en tient à la batterie lithium-ion, une batterie pour une voiture électrique nécessite de l'ordre de 9kg de lithium (chiffres du département américain à l'énergie, donc pour une voiture américaine. On peut supposer que ce chiffre serait plus faible pour une voiture de taille européenne, mais c'est un ordre de grandeur. La production de 4 millions de batteries par an nécessiterait donc 36 000 tonnes de lithium, et les 72 millions de batteries utilisées dans les voitures représenteraient 648 000 tonnes de lithium. et tout ça uniquement pour la France (sinon on peut aussi multiplier par 25 pour avoir une idée pour le monde entier).

 

A l'heure actuelle, la production mondiale de lithum est de 15 000 tonnes par an. gloups. il va donc falloir augmenter sérieusement tout ça. Sachant que les réserves mondiales exploitables de lithium (il y a énormément de lithium sur terre, mais pas une faible part seulement est exploitable) sont estimées à 11 millions de tonne par l'US Geological Survey. Pour la France tout va bien, mais il en faudrait 16 millions pour faire toutes les voitures à l'électricité à l'échelle mondiale. Il va donc falloir une sérieuse diminution de la quantité de lithium par batterie (difficile à atteindre) et une bonne filière de recyclage. Ou une autre technologie.

 

J'ai pris ici l'exemple du lithium, mais ce n'est pas le seul élément nécessaire dont la production mondiale ou les ressources sont limitées. Là encore, mon objectif ici n'est pas de dénigrer cette technologie, mais de montrer que nous en sommes encore à un stade ou une activité de recherche intense et nécessaire, et pas vraiment à un développement grand public. Qui espérons le toutefois arrivera un jour.

 

 

articles liés :

 

Demain l'hydrogène ?

 

 

 

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11 mars 2010 4 11 /03 /mars /2010 21:16
Pour le premier anniversaire de ce blog, un article-photos.

J'ai parlé il y a quelques jours des nouveaux tarifs de rachat de l'électricité produite par des installations solaires photovoltaïques. Je n'étais pas entré dans les détails, mais ces tarifs vont dépendre du fait que les panneaux solaires seront ou non intégrés au bâti. La situation est la même pour les crédits d'impôts et les subventions, qui sont plus élevés en cas d'intégration au bâti.

panneau-solaire-Freiburg.jpgSouvent quand on pense à des panneaux solaires, on pense à ce que l'on peut voir sur la photo de droite, sur le toit du bâtiment (photo prise à Fribourg en Allemagne lors d'un déplacement professionnel, il s'agit d'une école).

Il s'agit de systèmes assez massifs, et peu esthétiques. Ils ont pour avantage d'être moins chers (pas besoin de trop se triturer l'esprit par rapport au design, seule la fonctionnalité et l'efficacité entre en ligne de compte), et d'offrir des rendements de conversion légèrement supérieurs à ceux des systèmes dits "intégrés", et ce pour deux raisons. D'une part ils recueillent une part un peu plus faible du rayonnement solaire du fait d'un angle d'incidence mieux choisi (les panneaux sont placés de manière à mieux "faire face" au soleil). D'autre part, le fait de ne pas être intégré au toit permet une meilleure évacuation de la chaleur l'été, sachant que le rendement diminue lorsque la température augmente.
Le problème de ces panneaux est qu'ils ne "peuvent pas" être utilisés dans des quartiers où l'architecture est protégée, sur des monuments historiques, ...

toit solaire
C'est là qu'entre en jeu la notion d'intégration au bâti. Le panneau solaire joue alors un rôle double. Il continue toujours à produire de l'électricité en convertissant une partie du rayonnement solaire, mais sa fonction "principale" est désormais de jouer le rôle... de toit ! La photo de gauche montre le résultat qui peut être obtenu.

La totalité du toit est constituée ici de panneaux solaires (on peut faire la même chose sans occuper la totalité du toit, évidemment). Vu de loin, difficile de faire la différence avec un toit normal d'un immeuble récent.

Par rapport au système "classique" présenté au-dessus, le coût n'est que modérément plus élevé, la seule différence venant de l'intégration à effectuer à l'immeuble.


Mais il est possible d'aller encore plus loin dans l'intégration, avec des systèmes utilisables également pour des monuments historiques. On peut alors utiliser des "tuiles photovoltaïques", sorte de mini-panneaux solaires en forme de tuile (voir les deux photos ci-dessous).

eglise solaire zoomeglise solaire

























Dans ce dernier cas par contre, l'efficacité est nettement plus faible que pour des panneaux classiques, parce que toute la surface de la tuile n'est pas active, et le coût augmente dans des proportions importantes du fait des multiples connexions électriques à réaliser entre toutes les tuiles.
La solution vers laquelle semble s'acheminer les industriels est d'utiliser des technologies de type film mince (le panneau est alors flexible, un peu comme un film plastique) pour épouser la forme de tuiles. Mais le rendement de conversion reste inférieur à celui des panneaux solaires au silicium, à cause des performances moindres des matériaux.


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15 décembre 2009 2 15 /12 /décembre /2009 21:14
BMW CleanEnergy car - VerkehrszentrumUn peu de science aujourd'hui suite à la lecture d'un article de chimie récent...

La plupart des patrons des grandes entreprises automobiles "vendent" régulièrement l'hydrogène comme le carburant du futur (ce qui me fait penser qu'il faudrait que j'écrive une série d'article sur ce sujet sur lequel je donne quand même un cours...).

L'un des problèmes majeurs qui fait que nous n'avons pas encore tous des voitures à hydrogène dans nos garages (il y en a d'autre) est constitué par la production de ce gaz. En effet l'hydrogène, ou plutôt le dihydrogène H2 pour être rigoureux, n'existe quasiment pas sur terre, et il doit être fabriqué, les deux sources possibles les plus abondantes étant les hydrocarbures et l'eau.

A l'heure actuelle, la majeure partie de la production mondiale d'hydrogène se fait à partir d'hydrocarbures, ce qui outre le fait de nécessité une quantité d'énergie importante, produit des quantités non moins importantes de CO2 ce qui limite fortement le potentiel de cette technologie dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre et le réchauffement climatique. Mais alors, pourquoi ne pas le produire à partir d'eau ? oui, pourquoi ?

Et bien la réponse est à la fois technologique et économique. Pour produire du dihydrogène à partir d'eau, il faut effectuer une électrolyse (pour les non-chimistes, il faut casser la molécule d'eau en la soumettant à une tension électrique). Mais cette électrolyse de l'eau a le mauvais goût de devoir être catalysée par le platine (grosso modo pour les non-chimistes, ça signifie que pas de platine = pas d'électrolyse, ou alors très très (mais alors très) lente). Et le platine a le mauvais goût à son tour d'être horriblement cher (1 200 € l'once de 28g à l'heure où j'écris cet article) et plutôt rare, avec une production mondiale de 150 à 200 tonnes pas an... Donc on oublie les voitures à hydrogène tant qu'une autre solution n'a pas été trouvée.

Et hop, voilà toute trouvée ma transition vers ce dont je voulais parler : dans un article récent paru dans Science (résumé), une équipe de chercheurs français du CEA et de l'Université de Grenoble annonce qu'ils ont mis au point un catalyseur à base de nickel (à la fois beaucoup plus abondant et moins cher que le platine) pour l'électrolyse de l'eau. Ce catalyseur, la nickel bidiphosphine, imite une enzyme naturelle. Une fois déposé sur des nanotubes de carbone, il permet d'obtenir une électrolyse de l'eau... sans platine. Certes le rendement annoncé par les auteurs est à peu près 100 fois plus faible que ce qui se fait habituellement avec du platine. Mais c'est la première fois qu'un catalyseur sans platine est mis au point et qui fonctionne dans des conditions réelles d'utilisation. A priori une avancée majeure dans le domaine, qui pourrait contribuer à lever l'un des verrous à l'avènement de cette technologie.


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2 novembre 2009 1 02 /11 /novembre /2009 21:29
J'avais prévu de ne faire que trois parties à la série d'articles sur le solaire thermique, une sur le contexte, une sur les systèmes individuels, et une sur les centrales solaires. Finalement il y aura un quatrième article. Je me suis rendu compte en relisant les premiers que tout y apparaissait très positif, comme si nous avions d'ors et déjà trouvé la solution parfaite et suffisante pour résoudre le problème du réchauffement climatique. Ce quatrième article va sans doute tempérer un peu cet optimisme, puisqu'il concerne les limitations de cette technologie.

Cette limitation ne concerne pas le coût. D'après plusieurs études indépendantes, le solaire thermique devrait être compétitif d'ici au plus une dizaine d'années et pourra se passer de subventions. Le problème n'est pas non plus les performances : l'énergie reçue annuellement sur terre par le rayonnement solaire équivaut à peu près à 7 000 fois notre consommation totale d'énergie. Avec des rendements de 20%, nous sommes donc tranquilles.

Le problème du solaire thermique, et de toute technologie basée sur l'énergie solaire, c'est l'intermittence. Je ne parle pas ici de l'intermittence jour / nuit, qui est un problème pour le photovoltaïque. Nous avons vu que dans le cas d'une centrale solaire nous savons parfaitement lisser la production pour "effacer" ce problème, et pour un système individuel, produire de l'eau chaude le jour pour l'utiliser la nuit ne pose aucun problème.

Il s'agit plutôt ici d'un problème d'intermittence saisonnière, illustré par la figure ci-dessous. Elle montre l'énergie électrique consommée en France en moyenne chaque semaine, suivant la période de l'année (la semaine 1 est celle du premier janvier, et ainsi de suite).




On s'aperçoit facilement (et on pouvait s'y attendre) que la consommation d'électricité est maximale en hivers, et que l'écart entre l'hivers et l'été est d'un facteur environ 1,5 (on consomme en moyenne 1,5 fois plus d'électricité en hivers qu'en été). A l'inverse, la production des centrales solaires ou des chauffe-eau solaires est évidemment maximale en été... Mais autant on sait lisser la production pour "effacer" l'alternance jour / nuit, autant à l'heure actuelle nous sommes incapables de compenser cette différence entre les saisons (l'électricité ne se stocke pas ou du moins difficilement, la chaleur si mais pas sur des périodes aussi longues).

Nous nous retrouvons donc dans une situation où la production est maximale en été, et la consommation maximale en hivers, sans aucun moyen de stockage pour compenser ce décalage...

Du coup supposons que la totalité de notre consommation estivale soit assurée par le solaire thermique (très optimiste mais pas complètement irréaliste). Il va nous falloir trouver un complément pour les mois plus froids. Un complément qui soit facilement pilotable et peu cher (on ne souhaite pas s'en servir en été, et on souhaite qu'il puisse être mis en route ou arrêter très rapidement pour accomoder les écarts de la production du solaire thermique). A l'heure actuelle, la "meilleure" technologie que nous possédions pour répondre à ces deux exigences est... les centrales thermiques au charbon... dont tout le monde conviendra que ce n'est pas le meilleur moyen de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre.

Malheureusement, pas de solution miracle à proposer à l'heure actuelle. Il semble donc que le solaire thermique peut jouer un rôle important dans la lutte contre le réchauffement climatique, s'il nous évite d'utiliser des centrales à gaz ou au charbon de manière continu toute l'année (ce qui est le cas dans tous les pays "non-nucléaires"). Si cette condition n'est pas remplie, son rôle devient plus ambigu. Et le restera, du moins tant que nous n'aurons pas mis au point des techniques nous permettant de stocker soit la chaleur soit l'électricité d'une saison à l'autre.


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26 octobre 2009 1 26 /10 /octobre /2009 10:09
Troisième volet de la série d'articles sur le solaire thermique. Après les systèmes individuels, aujourd'hui les centrales solaires.

Comme nous l'avons vu dans le premier article sur la place du solaire thermique dans le monde, une petite partie des installations solaires thermiques sont utilisées non seulement pour produire de la chaleur, mais également de l'électricité en convertissant une partie de cette chaleur (c'est le cas par exemple à la centrale Solar Two, dans le désert Mojave, photo à droite).
Globalement, la part du solaire thermique dans la production mondiale d'électricité est faible, mais il s'agit d'un domaine en plein essor avec de nombreux projets en cours de développement dans de nombreux pays (voir à titre d'illustration les paragraphes "en construction" et "annoncées").

Historiquement, la première "vraie" centrale solaire a été construite aux USA, dans le désert Mojave (Nevada), photo ci-dessus. Baptisée Solar One, il s'agissait d'un prototype du Département Américain de l'Energie destiné à prouver la viabilité du solaire thermique en production d'électricité. Nous allons nous servir de cette centrale comme "étude de cas" pour comprendre le fonctionnement des centrales solaires. Le principe de fonctionnement de la centrale est schématisé ci-dessous.

Les rayons du soleil se réfléchissent sur des miroirs (pour Solar One, 1818 miroirs de 40 m² chacun). Ces miroirs, ou héliostats, sont mobiles ce qui leur permet de suivre la course du soleil en permanence (photo de gauche). Ces miroirs permettent de concentrer tous les rayons lumineux sur une tour (photo de droite) recouverte d'un matériau absorbant.

Sous l'effet du rayonnement, le matériau absorbant va chauffer fortement, et la chaleur va être transmise à un fluide caloporteur à haute température de fonctionnement.




Ajouté en 1995 (la centrale s'appelle alors Solar Two), les deux réservoirs contiennent un mélange de nitrate de sodium et de nitrate de potassium, et vont permettre de stocker la chaleur sur quelques heures de manière à "lisser" la production (figure de droite) de manière à adapter production et consommation.

Pour produire l'électricité, la chaleur est utilisée pour chauffer de la vapeur d'eau qui circule dans des turbines, comme dans une centrale thermique "classique".

En fonctionnement, Solar Two permettait de produire 10 MW électriques.





D'autres géométries que les systèmes à tour et héliostats existent également, notamment des systèmes utilisant des miroirs cylindriques qui focalisent le rayonnement solaire sur un circuit dans lequel circule le fluide caloporteur (photo ci-dessous à droite, détail de la centrale de Kramers Juncion, Californie, photo de gauche), mais leur principe global de fonctionnement est sensiblement le même.





















Le rendement global de ces centrales solaires thermiques (puissance électrique fournie au réseau rapportée à la puissance reçue du soleil) est d'environ 15%. La surface utilisée au sol peut sembler très importante (voir photos), mais rapportée à la puissance électrique produite, elle est du même ordre de grandeur que celle d'une centrale thermique classique ou d'une centrale nucléaire. Evidemment, ces centrales sont destinées à être raccordées au réseau électrique au même titre que des centrales classiques.



Il existe également des collecteurs solaires avec des miroirs paraboliques (photo de gauche au dessus). Là encore il s'agit d'un miroir mobile qui va pouvoir suivre la course du soleil au cours de la journée. Mais contrairement aux centrales précédentes, il ne s'agit pas ici d'un nombre important de miroir qui vont envoyer les rayons du soleil en un même point : chaque miroir focalise le rayonnement sur un absorbeur différent. Celui-ci va chauffer, mais là pas question d'utiliser la chaleur pour autre chose que pour faire de l'électricité, contrairement là-encore aux autres centrales qui peuvent permettre de produire de l'eau chaude pour des utilisations collectives.

L'électricité est ici produite par l'intermédiaire d'un moteur de Stirling (dessin de droite). Dans un moteur de ce type, deux pistons sont reliés à un même jeu d'engrenages. Sous l'effet du rayonnement qui chauffe l'absorbeur, un gaz chauffe, et en se dilatant il entraîne un piston moteur qui fait tourner les engrenages (et produit de l'électricité, comme dans une turbine). En tournant, les engrenages entraînent un piston de déplacement, qui force le gaz à se déplacer vers la partie froide du système. Le gaz diminue de volume, ce qui entraîne un déplacement inverse du piston moteur, qui fait à nouveau tourner les engrenages. Le piston de déplacement se déplace de nouveau, forçant le gaz à se mouvoir vers la partie chaude où il peut à nouveau se dilater, et un nouveau cycle recommence.

Le rendement global d'un miroir parabolique couplé à un moteur de Stirling est de l'ordre de 18% (un peu supérieur à celui des centrales), mais pour un prix plus élevé. Leur principal avantage est qu'ils permettent de produire des puissances électriques plus faibles (de l'ordre de 10 à 25 kW contre des dizaines ou centaines de MW pour des centrales) ce qui les rend très intéressants pour des applications sans connexion au réseau, par exemple pour l'alimentation de hameaux isolés.

A l'heure actuelle, le coût du kilowattheure électrique produit par des centrales solaires est de l'ordre de 0,15 à 0,18 € (en prenant comme région type le sud de l'Espagne, pour l'ensoleillement). C'est un coût plus élevé que l'éolien, mais inférieur à celui du solaire photovoltaïque. Des expertises indépendantes ont été publiées qui montrent qu'avec une production de masse, le ce coût devrait être réduit à 0,05-0,07 €/kWh à l'horizon 2015-2020, soit un coût de revient relativement comparable à ceux des systèmes de production "classiques".

Des projets pour une puissance cumulée de plusieurs GW sont actuellement à l'étude ou en phases de début de construction, principalement en Espagne et aux USA.


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18 octobre 2009 7 18 /10 /octobre /2009 17:53
Suite de la série d'articles sur le solaire thermique. Après le contexte dans la partie 1, aujourd'hui les systèmes individuels. Ces derniers sont destinés à produire de l'eau chaude domestique (éventuellement à participer au chauffage de l'habitation) pour des particuliers ou en habitat collectif, et constitue la plus grande part de l'énergie produite par les systèmes de type solaire thermique. Les centrales solaires constituant la part restante, et elles seront l'objet de l'article suivant.

Le principe à la base d'un collecteur solaire thermique comme celui présenté sur la photo à droite est très simple. Tout le monde sait qu'une plaque métallique sombre laissée au soleil chauffe, parfois de manière assez importante. Elle chauffe parce qu'elle absorbe une partie importante du rayonnement solaire, avec une part réfléchie assez faible. A l'inverse un miroir laissé au soleil ne chauffe pratiquement pas parce qu'il réfléchit la plus grande partie du rayonnement solaire.



Le principe ici va être le même (schéma de gauche) : une surface absorbante est placée de manière à recevoir un maximum de rayonnement solaire. Comme cette surface absorbe le rayonnement, elle chauffe. Un fluide caloporteur (qui permet de transporter la chaleur), le plus souvent de l'eau avec un antigel (pour passer l'hivers sans entretien particulier) circule dans la surface chauffée, et chauffe également.


Ce fluide caloporteur, qui circule grâce à un système de pompage, est ensuite utilisé pour chauffer l'eau d'un ballon d'eau chaude sanitaire, ou éventuellement l'eau d'un système de chauffage central domestique.


Evidemment même si le principe en lui-même est très simple, la mise en oeuvre technologique l'est un peu moins, du moins si l'on souhaite optimiser les performances du système.

Le schéma de principe du collecteur solaire est représenté ci-dessous, avec le cheminement du rayonnement solaire.




Avant de s'intéresser au collecteur lui-même, suivons le trajet des rayons lumineux provenant du soleil (1). Les collecteurs solaires sont des systèmes destinés à être utilisés pendant des années. La surface absorbante doit donc être protégée des dégradations dues à son environnement (pluie, salissures, casse, ...) par un châssis transparent.
Une partie du rayonnement solaire n'atteint donc jamais la plaque absorbante et est directement réfléchie par la vitre de protection (2). seule une partie (3 = 1 - 2) atteint donc la plaque.
Une petite partie est réfléchie par la plaque. Et une autre petite partie est directement ré-émise par la plaque elle-même ! En effet, n'importe quel matériau chauffé va émettre un peu de rayonnement (on peut penser à un morceau de métal chauffé au rouge). Ici la température n'est pas suffisante pour que la plaque soit chauffée au rouge, mais elle émet tout de même un rayonnement, dans l'infrarouge (IR). Globalement, la plaque n'absorbe donc pas tout le rayonnement qui a franchit la vitre, une partie est réfléchie ou réémise (4).
Cette partie réémise ou réfléchie va de nouveau arriver sur la plaque de verre, et être encore séparée en une partie perdue définitivement (5) et une qui va revenir être réfléchie par la plaque de verre et revenir vers la surface absorbante (6) et lui permettre de chauffer (c'est le même principe que celui de l'effet de serre).
Enfin puisque la plaque chauffe, et que l'extérieur du châssis est à température normale, une partie de la chaleur va être perdue sous forme de pertes thermiques au travers du châssis (7).
Du rayonnement (1) issu du soleil, seul (1 - 2 - 5 -7) va être récupérable sous forme de chaleur, (2 + 5 + 7) sera perdu.

Pour optimiser l'efficacité du collecteur solaire, il va donc falloir :
  • que la vitre de protection réfléchisse le moins possible le rayonnement solaire (pour minimiser 2), mais qu'au contraire elle réfléchisse le plus possible le rayonnement infrarouge émis par la surface absorbante (pour minimiser 5)
  • que la surface absorbante réfléchisse le moins possible les rayonnements et en émette également le moins possible  (pour minimiser 4)
  • que tous les matériaux constituant le châssis soient les meilleurs isolants thermiques possibles (pour minimiser 7).
Evidemment, il va également falloir que les systèmes soient légers (ils sont situés sur le toit pour maximiser l'éclairement), durables (plus la durée de vie est longue, plus le système est rentable économiquement et énergétiquement) et avec un coût modéré.

Avec les systèmes actuels, les collecteurs solaires thermiques peuvent permettre d'économiser de l'ordre de 80% de l'énergie nécessaire pour produire l'eau chaude domestique, si l'on habite dans une région française ensoleillée.

Le graphique ci-dessous montre la croissance depuis 1990 de la surface de collecteurs solaires thermiques installée chaque année en Europe (ainsi que la puissance thermique correspondante (données issues du syndicat européen du solaire thermique). En 2006 (la suite en pointillés est une prévision), il y a donc eu 3,5 km² de systèmes qui ont été installés, pour une puissance thermique de 2,5 gigawatts !



Les deux pays leader en Europe pour la puissance installée totale sont l'Autriche et l'Allemagne, qui sont pourtant loin d'être les deux pays ayant le plus fort potentiel dans le domaine !
En effet jusqu'à présent, le développement du solaire thermique individuel dépend principalement de politiques incitatives, de type crédits d'impôts. Les surfaces installées augmentent maintenant rapidement également en France (du fait d'un crédit d'impôt sur le matériel) et en Espagne (tous les bâtiments publics nouveaux ont obligation d'utiliser des collecteurs solaires thermiques).

Même s'il ne s'agit pas des systèmes auxquels on pense le plus spontanément lorsque l'on parle d'énergies renouvelables, il ne faut pas oublier que chaque kilowattheure de chaleur produite par un système solaire thermique n'a pas à l'être par un système électrique ou en faisant brûler du gaz naturel.



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13 octobre 2009 2 13 /10 /octobre /2009 21:34
Début aujourd'hui d'une série d'articles sur le solaire thermique (une série parce qu'il y a beaucoup trop à écrire pour le faire en un seul article !).

Au fil de ces trois articles, je parlerai d'abord du contexte, avant de m'intéresser aux installations individuelles et aux installations à grande échelle de type "centrales solaires". Commençons donc d'abord par situer le contexte.

Généralement, lorsque l'on parle à quelqu'un d'énergie solaire, la première chose qui lui vient à l'esprit c'est un panneau solaire sur un toit pour produire de l'électricité. Pourtant à l'échelle mondiale, la place du solaire thermique est nettement plus importante que celle du photovoltaïque.

Tout comme le solaire photovoltaïque, le solaire thermique permet d'utiliser à notre profit une partie de l'énergie solaire reçue à la surface de la terre. Mais contrairement au premier (qui sera l'objet d'une deuxième série d'articles quand celle-ci sera terminée) pour lequel le rayonnement solaire est directement converti en électricité, dans le cas du solaire thermique l'énergie solaire va être convertie en chaleur (qui pourra ensuite éventuellement être convertie en électricité, quasi uniquement dans des centrales solaires).

Les données de la figure ci-dessous proviennent de la publication "Survey of energy ressources" du World Energy Council. Elles permettent de comparer la production globale d'énergie (chaleur et électricité) du solaire thermique à celles des autres sources d'énergies renouvelables.

Si l'on constate d'un côté qu'effectivement la production d'électricité est très faible (environ 100 fois plus faible que l'énergie éolienne, et équivalente à une seule centrale thermique de taille moyenne), elle n'est finalement "que" 3,5 fois plus faible que la production du photovoltaïque, pourtant beaucoup plus connue. Et si l'on intègre la production de chaleur (parce qu'après tout, de la chaleur issue de l'énergie solaire n'a pas besoin d'être produite d'une autre manière et "économise" donc des émissions de CO2 au même titre que les autres énergies renouvelables), on arrive à une production à peu près deux fois inférieure à celle de l'éolien, et surtout beaucoup, beaucoup plus élevée que celle des "panneaux solaires" !

Evidemment, puisque l'on parle ici d'énergie solaire, l'intérêt du solaire thermique va être d'autant plus grand que l'on se situe dans des régions du monde très ensoleillées. Cela dit, pas besoin d'habiter au fin fond du Sahara pour que l'énergie reçue du soleil soit suffisante pour des applications. La carte ci-dessous, issue du Centre de donnée des sciences de l'atmosphère de la NASA montre l'énergie moyenne annuelle reçue par m² et par jour en chaque zone du globe.

La moyenne mondiale des de 3.86 kilowattheures par jour et par m². Soit 1400 kWh sur l'année entière. Un système de 10 m² (pas si grand que ça) avec un rendement de 10% (très pessimiste) permet donc de générer 1400 kWh d'énergie par an (soit l'équivalent de 150€ d'électricité environ).

Si l'on considère que toutes les zones pour lesquelles l'énergie reçue du soleil est supérieure à la moyenne sont intéressantes, on s'aperçoit que nous avons l'embarras du choix : tout le sud de l'Europe, la totalité des USA, de l'Amérique du Sud et de l'Amérique Centrale, toute l'Afrique, l'Asie et l'Océanie... Il n'y a guère que le nord de l'Europe, la Russie et le Canada pour lesquels le potentiel est plus faible.


Ce potentiel important explique la croissance exponentielle de l'utilisation du solaire thermique ces dernières années, comme le montre le graphique ci-contre (attention, il ne s'agit pas de la puissance installée, mais bien des nouvelles installations : on assiste donc non seulement à une augmentation de la puissance installée, mais même à une accélération de cette augmentation).


Même si cette hausse est principalement tirée par le marché des particuliers (via les chauffe-eau solaires), nous verrons dans les prochains articles que les projets de centrales thermiques de grandes tailles se multiplient également.




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