Introduction sur l’énergie. Généralités Perspectives françaises et mondiales J. Seigneurbieux 2010 2DA 2 Plan du cours : Différentes formes d’énergie Réserve d’énergie dans le monde Consommation d’énergie dans le monde Consommation en Europe et en France Modes de production de l’énergie électrique 3 L’énergie, plusieurs aspects : Scientifiques Sources, stockage, transport, conversion, … Economiques Prix, taxes, projection dans le futur, … Politiques Indépendance énergétique, acceptation du public, … Environnementaux Pollution locales, globale, gestion des déchets, … 4 Ordres de grandeur, unités, exemples Chaleur : Il faut 1000 calories soit 4180 joules pour chauffer de 1°C un kg d’eau Mécanique : Il faut 4000 J pour élever de 4 m un poids de 1000 newtons (soit une masse d’environ 100 kg dans le champ de pesanteur terrestre à 10 m/s²) Rayonnement : En plein soleil, une surface noire de 1 m² capte, en une seconde, 1000 J L’unité du Système International est le JOULE 1 kWh = 3600 000 J W = F.d 1000 N 4 m W = c.M.ΔT 4180 J/kg/°C pour l’eau 1 °C 1 kg Symbole de l’énergie 5 Puissance et énergie La puissance, c’est le débit d’énergie : Exemples : - pour échauffer 1 kg d’eau, de 1°C, en 1 seconde : il faut 4180 watts (4,18 kW) - pour lever 1000 N (environ 100 kg), à 4 mètres, en 1 seconde : il faut 4 kW t W P = P en watts (W) et W en joules (J) t en secondes 6 Puissance et énergie Réaliser des travaux énergétiques plus rapidement nécessite une puissance plus élevée t W P = Exemple CHAUFFE EAU Pour réchauffer, de 50°C, 300 litres d’eau (soit 63 MJ) en en une nuit de 8 heures (28 800 secondes): il faut 2,18 kW Pour réaliser cette opération en 2 heures, il faudrait 4 fois plus de puissance : 8,8 kW !
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Introduction sur l’énergie.
GénéralitésPerspectives françaises et mondiales
J. Seigneurbieux2010 2DA
2
Plan du cours :Différentes formes d’énergie
Réserve d’énergie dans le monde
Consommation d’énergie dans le monde
Consommation en Europe et en France
Modes de production de l’énergie électrique
3
L’énergie, plusieurs aspects :Scientifiques
Sources, stockage, transport, conversion, …
EconomiquesPrix, taxes, projection dans le futur, …
PolitiquesIndépendance énergétique, acceptation du public, …
EnvironnementauxPollution locales, globale, gestion des déchets, …
4
Ordres de grandeur, unités, exemples
Chaleur : Il faut 1000 calories soit 4180 joules pour chauffer de 1°C un kg d’eau
Mécanique : Il faut 4000 J pour élever de 4 m un poids de 1000 newtons(soit une masse d’environ 100 kg dans le champ de pesanteur terrestre à 10 m/s²)
Rayonnement : En plein soleil, une surface noire de 1 m²capte, en une seconde, 1000 J
L’unité du Système International est le JOULE1 kWh = 3600 000 J
W = F.d1000 N 4 m
W = c.M.ΔT4180 J/kg/°C
pour l’eau1 °C1 kg
Symbole de l’énergie
5
Puissance et énergie
La puissance, c’est le débit d’énergie :
Exemples :- pour échauffer 1 kg d’eau, de 1°C, en 1 seconde :
il faut 4180 watts (4,18 kW)
- pour lever 1000 N (environ 100 kg), à 4 mètres, en 1 seconde :il faut 4 kW
tWP =
P en watts (W) et W en joules (J)t en secondes
6
Puissance et énergie
Réaliser des travaux énergétiques plus rapidementnécessite une puissance plus élevée
tWP =
Exemple CHAUFFE EAU
Pour réchauffer, de 50°C, 300 litres d’eau (soit 63 MJ) en
en une nuit de 8 heures (28 800 secondes): il faut 2,18 kW
Pour réaliser cette opération en 2 heures, il faudrait 4 fois plus de puissance : 8,8 kW !
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Différentes formes d’énergie dans le monde
Définition : énergie primaire
Constituée de toutes les sources énergétiques non transformées disponibles dans la nature,
Elles se subdivisent en énergies épuisables et énergies renouvelables
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LE FEU à partir du bois ou d’huile : il a servi à presque tout.
LA FORCE ANIMALE (bœufs, chevaux, chiens...)
L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...)
LE VENT (pompes, moulins...)
Les sources primitives d’énergie
Toutes des énergies renouvelables !
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COMBUSTIBLES FOSSILEScharbon, pétrole, gaz naturel
Les sources « modernes » du 20ème siecleet les vecteurs
HydrauliqueEoliennebois et déchet de boisBiomassebiogazdéchets urbainsGéothermieSolaire thermiquePhotovoltaïque
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Définition : énergie secondaireC’est l’énergie après transformation de l’énergie primaire
Stade des conversions et du transport de l’énergie, éventuellement de son stockage
la production d’électricité est prépondérante à ce niveau
mais aussi le raffinage du pétrole, la production de vapeur industrielle et la production d’hydrogène, (appelé à devenir un vecteur énergétique majeur)
Le rapport de l’une sur l’autre est le rendement de la transformation
Age : 4,55 milliards d’années (reste à peu près autant)
Énergie libérée : 0,2 mW/kg soit 10 000 fois moins que le métabolisme humain
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Le charbonLe charbon s’est formé à partir du carbonifère (-350 millions d’année) à partir de végétaux engloutis sous les mers. Le plus riche : anthracite, puis houille, lignite, tourbe, …
1 000 ans avant J.C. les chinois utilisaient le charbon pour cuire la porcelaine
Au 12ème siècle, le bois est cher mais le charbon est peu utilisé: il est sale, sent le souffre, attaque les poumons, le rois d’Angleterre l’interdit, la Sorbonne est contre …
Au 17ème, on lève les interdits car le bois se fait rare
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Le pétroleLe pétrole s’est formé à partir du plancton qui, lorsqu’il meurt se dépose au fond de la mer. On le trouve dans des roches poreuses
Connu dans l’antiquité : « huile de pierre »
1859 : premier puit de pétrole (Drake)
Le pétrole représente 38% de la consommation totale (260 Mtep) énergétique en France (principalement les transports)
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Le gazEssentiellement constitué de CH4
Une des énergies les plus intéressante pour produire de l’électricité : avec les centrales à cycle combiné(turbine à combustion + turbine à vapeur) rendement de + de 50%
Le gaz est le combustible qui dégage le moins de C02
par KWh produit (2 fois moins que le charbon)
Entre 1960 et 1997, la consommation française a étémultipliée par 13
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Réserves et production de combustibles fossiles dans le monde
réserves prouvéesfin 1999
(ultimes estimées…)
Production1999
Durée de viestatique
Pétrole 140 Gtep(500 Gtep) 3,2 Gtep 41 ans
Gaz 146 Tm3 = 125 Gtep(500 Gtep) 2 Gtep 62 ans
Charbon, lignite
498 Gtep(3 400 Gtep) 2,1 Gtep 230 ans
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réserves Durée de vie
Pétrole 140 Gtep 41 ans
Gaz 146 Tm3125 Gtep 62 ans
Charbon, lignite 498 Gtep 230 ans
Uranium (réacteur à eau) 80 Gtep
Uranium (en surgénérateur) 8 400 Gtep
Tous les combustibles fossiles
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réserves
Hydrate de méthane + de 1 000 Gtep
Thorium(cycle identique à celui de l’uranium) Considérables …
Hydrogène (fusion) Infinies …
Autres combustibles fossilesnon utilisables aujourd’hui
Réserves et production de combustiblesfossiles dans le monde (rappel)
réserves prouvéesfin 1999
Production1999
Durée de viestatique
Pétrole 140 Gtep 3,2 Gtep 41 ans
Gaz 146 Tm3 = 125 Gtep 2 Gtep 62 ans
Charbon, lignite 498 Gtep 2,1 Gtep 230 ans
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100
200
300
400
01900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060
biomasse
charbonpétrole
10 kW.h12
gaz naturel
hydrauliquenucléaire
éolienne
SOURCES
biomasse cultivée
solaire
géothermie océans
La croissance de la consommation et les sources envisagées…
vue par un pétrolier (Shell) !
reno
uvel
able
sno
n re
nouv
elab
les
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Consommation mondiale d'énergie
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Plan du cours :Différentes formes d’énergie
Réserve d’énergie dans le monde
Consommation d’énergie dans le monde
Consommation en Europe et en France
Modes de production de l’énergie électrique
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L’énergie en France
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Production française d’énergie primaire
En Mtep
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Production d’énergie primaire en Europe
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Répartition de production d’énergie primaire en Europe
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Consommation française d’énergie primairecorrigée du climat (Mtep)
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Structure de la consommation d’énergie primaire en Europe
Total > à 100% en France en raison des exportation d’électricité
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Consommation française d’énergie primairepar secteur (Mtep)
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La production d’électricité en France
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Production d’électricité en Europe
58
Production d’électricité nucléaire dans l’OCDE
59
Les emplois dans le secteur de l’énergie
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Investissements, secteur de l’énergie
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Production brute d’électricité
62
Production thermique par type de combustible
63
Sites nucléaires au 01/012001
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Echange d’électricité avec l’étranger (TWh)
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Rappel de quelques ordres de grandeur
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Le cours de l’uranium :également instable
Les cours des matières premières énergétiques fluctuent et affectent économie et stabilité politique…
Et le prix du gaz naturel est indexésur celui du pétrole…
Le baril de pétrole brut : la référence67 $ fin août 2005
Annonce de l’entrée de la Chine et de l’Inde dans les consommateurs d’uranium… + 50% en 2004
Coût de référence EPR
Sept 2006Prix au comptant de 50 $
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Plan du cours :Différentes formes d’énergie
Réserve d’énergie dans le monde
Consommation d’énergie dans le monde
Consommation en Europe et en France
Modes de production de l’énergie électrique
Les différents types de centrales
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Consommation d’énergie primaire pour la production d’électricité
nucléaire 17%
hydraulique 19%
géothermie éolienne et autres 2%
thermique "fossile" 62%
Autre avantage de l’hydroélectricité : stockage aisé de l’énergie
Situation mondiale
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Plan du cours :Différentes formes d’énergie
Réserve d’énergie dans le monde
Consommation d’énergie dans le monde
Consommation en Europe et en France
Modes de production de l’énergie électrique
Les différents types de centrales
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LES CENTRALES THERMIQUES
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à suivre …Rejets gazeux dus à la combustion des produits carbonés
Pour produire 1 kWh électriquesoit 20 litres d’eau chaude (+40°C)
- charbon classique : 1 kg de CO2- gaz cycle combiné : 0,3 kg de CO2
Pour parcourir 10 km en voiture : 2 kg de CO2
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Les « nouvelles »sources renouvelables d’électricité
Remarque : annuellement en Europe1 MW éolien donnent environ 2,4 GWh1 MW solaire environ 1,2 GWh1 MW nucléaire environ 7 GWh
Eoliennes : déjà plus de 50 000 MWcroissance de 30 % par an0,6% de la production mondiale d’électricité
140 000 MW prévus en 2010(2,5% de la production mondiale d’électricité) offshore
Photovoltaïque : environ 4000 MW installéscroissance de 30 à 40% par an
Encore marginal (0,02%)mais très prometteur au-delà de 2050
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Directive européenne sur la part des énergies renouvelables
au niveau primaire : de 6 à 12%en électricité finale : de 14 à 22%
(1990 à 2010)
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LES CENTRALES NUCLEAIRES
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HISTORIQUEen 1951 aux Etats-Unis un petit réacteur expérimentalproduit de l'électricitéannées 60, premières centrales commerciales (Royaume-Uni, Union Soviétique, Etats-Unis, France)centrales nucléaires dans 32 pays , 17% de l'électricité produite dans le monde : Lituanie (85,8%), France (77%), Belgique (54,8%), Suède (50%), Bulgarie (47,5%), Slovaquie (54%), Ukraine (44%), Suisse (43%), Hongrie (41%)Au total, dans 18 pays, l'énergie nucléaire couvrait
plus du quart des besoins en électricité.
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Etat des lieux en Franceen 1973 premier choc pétolierla facture pétrolière passe de 14,4 milliards de francs à plus de 134 milliards de francs58 réacteurs à eau pressurisée (REP ou PWR) :
- 34 tranches de 900 MW- 20 tranches de 1 300 MW- 4 tranches de 1 450 MW + EPR +EPR
aujourd’hui, couvre plus des trois-quarts de besoins en électricité
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Le combustibleL'uranium, à l'état naturel ou légèrement enrichi par son isotope 235Le plutonium (fission transformations de l'uranium), peut être défini comme un combustible nucléaire)exploitation minière « complexe» car poussières et radon (gaz radioactif)réserves françaises importantes (Forez, Vendée, Limousin, Hérault)la Cogéma est parfois l'opérateur de certaines mines d'uranium à l'étranger (Canada, Gabon, Niger)
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Le traitement du mineraiLa teneur en uranium des minerais est faible (1 à 5 kg par tonne)Opérations physiques et chimiques pour obtenir un concentré, poudre jaune appelée "yellow cake" dont la teneur en uranium est d'environ 75 %différentes opérations chimiques pour avoir un oxyde d'uranium pur, puis réaction à l'acide fluorhydrique de manière à obtenir du tétrafluorure d'uranium (UF4). Préparation de l'uranium métal (réacteurs des filières à uranium naturel) ou de l'hexafluorure d'uranium (UF6) destiné à l'enrichissement
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L'enrichissement de l'uraniumDans l'uranium naturel, deux isotopes :
l'uranium 238 (99,3% ) et l'uranium 235 (0,7% )Seul l'uranium 235 est fissileLa plupart réacteurs nucléaires fonctionne avec une proportion d'uranium 235 de 3 % à 4 % Enrichissement par :
- diffusion gazeuse de UF6 à travers de fines membranes, la molécule d'uranium 235 est plus légère et plus rapide- ultracentrifugation
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La fabrication des combustiblesTransformation de l'hexafluorure d'uranium en oxyde d'uranium, conditionné en pastilles cylindriquesEmpilage des pastilles dans des tubes métalliques appelés crayons à leur tour réunis et maintenus àl'aide de grilles pour former des assemblagesDans un réacteur de 900 MW : 157 assemblages de 264 crayons, 80 tonnes d’uranium, 11 millions de pastilles chacune équivalente à 2,5 tonnes de charbon).Dans les réacteurs à eau ordinaire, autre type de combustibles "MOX" (mélange oxyde) formés d'un mélange d'uranium appauvri et de plutonium.
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réaction en chaîneSous l'impact d'un neutron, la fission d'un noyau d'uranium dégage de l'énergie et produit 2 ou 3 autres neutronsCertains d'entre eux seront perdus ou absorbés dans la matière ; d'autres pourront rencontrer des noyaux d'uranium et causer à leur tour de nouvelles fissionsDes neutrons seront encore produits et ainsi de suite. Cette réaction en chaîne a lieu dans le cœur du réacteurElle y est entretenue et stabilisée grâce à un réglage fin du nombre de neutrons absorbés
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La fission
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réaction en chaîne
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fonctionnement d une centrale nucléaire
Réaction en chaîne controlée en descendant ou en remontant dans le réacteur des barres de capables d'absorber les neutrons en excès dans le réacteurDans le circuit primaire , l'eau s'échauffe dans la cuve au contact des assemblages de combustibleCette eau chauffe l'eau du circuit secondaire qui est transformée en vapeur Cette vapeur sous pression fait tourner la turbine qui entraîne l'alternateur produisant l'électricitéRefroidissement dans le condenseur de l'eau du circuit secondaire (rivière, mer, tours de réfrigération)
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Principe de fonctionnement
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Quelques chiffres, centrale 1450 MW Cuve du réacteur : cylindre en acier, épaisseur 23 cm, hauteur 14 m, diamètre 5 m, plus de 400 tonnes 4 pompes pour le circuit de refroidissement primaire, chacune hauteur 8,5 m, 116 tonnes, 24 500 m3/heure (la seine 110 000 m3/heure …), 10 MW330°C en sortie de réacteur, 290 en entrée,155 barspressuriseur : épaisseur 13 cm, hauteur 14 m, 120 t4 générateurs de vapeur, hauteur 22 m, diamètre 5 m, 420 tonnes Bâtiment en béton double enceinte du réacteur : hauteur 63 m, diamètre 51 m, épaisseur 55 cm pour l’externe, 120 cm pour l’interne
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centrale 1450 MW, suite Turbine, longueur 51 m, largeur 13 m, 2800 tonnessécheur-surchauffeur (fois 2), longueur 25 m,
diamètre 5 m, 370 tonnes, 190°C , 10 barsCondenseur :
longueur 37 m, largeur 22 m, hauteur 16 m, 1900 tonnes à vide,eau de refroidissement 48 m3/s alternateur :
longueur 18 m, diamètre rotor 2 m,stator 4 m, masse rotor 230 tonnes , stator 500 tonnes , tension 20 kV , courant 50 kA , 1500 tr/min alternateur transformateur : longueur 11 m, largeur 6 m, hauteur 9 m , 840 tonnes
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centrale 1450 MW, autres …Piscine du bâtiment combustible, longueur 13 m, largeur 8 m, hauteur 14 m
Salle de commande
Bâtiment du groupe électrogène 7,5 MW
Bâtiment de traitement des effluents, de stockage …
Tours de réfrigération ,diamètre 136 m, hauteur 172 m