Les Energies renouvelables Part 1 le soleil et

Les Energies renouvelables Part 1: le soleil et l’air

Présentation générale ► Les En. R : énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource. Elles proviennent : § Du soleil, § Du vent, § Du cycle de l'eau, § De l’océan : courants, vagues, différences de température, eau douce/salée, § De la terre § Du système terre-lune ► L’agence de l'énergie renouvelable (IRENA), créée en 2009, compte 148 états (dont 70 ont déjà ratifié ses statuts).

Des gains de moitié à deux tiers sur les usages de l’énergie escomptés par Négawatt

Evolution des consommations d’énergie, de sobriété, d’efficacité, et de la part d’énergies fissile et fossile et d’En. R par grand usage dans Négawatt

Répartition de la consommation totale d’énergie finale en 2008

Sources d’énergie électrique à La Réunion 2009 2010

Évolution de la ressource énergétique pour la production d’électricité Réunionnaise

Evolution des énergies renouvelables (En. R) à La Réunion

Evolution de la consommation énergétique à La Réunion Jusqu’en 1981, les centrales hydrauliques suffisaient à répondre à la demande en électricité: 100% hydraulique = 100% En. R. ► les En. R représentent: ► § § 36, 2% de la production électrique totale en 2006. 35, 0% de la production électrique totale en 2007. 34, 2% de la production électrique totale en 2008. 32, 5% de la production électrique totale en 2009. La part de production d’électricité par les En. R a perdu 3, 7 pts en 3 années, ► De 1980 à 2000, en 20 ans, la consommation a quadruplé. ► En 2009, la dépendance énergétique de l’île est à son plus haut niveau depuis 2005, avec 87, 1% des ressources d’énergie primaire importées. ►

Les énergies photovoltaïques

Un peu de chimie… Le silicium est un élément de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14. ► Elément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène, soit 25, 7 % de sa masse. ► Il n'existe pas à l'état libre, mais sous forme de composés : sous forme de dioxyde de silicium (Si. O 2), la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, etc. ), ou d'autres silicates (dans les feldspaths, la kaolinite. . . ). ► Utilisé depuis très longtemps sous forme d'oxyde de silicium amorphe comme composant essentiel du verre. ► Depuis le milieu du XXe siècle nouveaux usages en électronique (transistors), pour la production de matériaux tels que les silicones ou, pour fabriquer des panneaux solaires photovoltaïques. ►

Monocristal de silicium

Barreau de silicium polycristallin

Principes et techniques ► Énergie électrique de flux, renouvelable, à partir du rayonnement solaire ► Utilise l’effet photoélectrique ► Différentes techniques: § les modules solaires monocristallins § les modules solaires polycristallins § les modules solaires amorphes

Les différents cellules photovoltaïques (I) ► Cellule en silicium amorphe ► Cellule en silicium monocristallin ► Cellule en silicium multicristallin

Les différentes cellules photovoltaïques (II) ► Cellule tandem ► Cellule organique ► Cellule multi-jonction ► Cellule CIGS

Rayonnement solaire moyen de 1991 à 1993

Carte de la radiation solaire en France métropolitaine

Bateau solaire

Modules solaires à Grand Bassin

Production de silicium dans le monde ► En 2006, 1500 MW installés ► Totalité des installations mondiales à 6 700 MW. § § § Le Japon (1 750 MW), l'Allemagne (3 063 MW), Les États-Unis (610 MW) représentent ensemble 81 % du marché mondial. ► Les installations connectées majoritaires ► Cinq firmes = 60% du marché mondial ► Le Japon = la moitié des cellules PV du monde, mais panneaux assemblés surtout en Chine. ► Allemagne premier consommateur, Japon deuxième.

Producteurs de cellules photovoltaïques ► Q-Cells, Allemagne. 1 er producteur mondial avec 389 MW en 2007 ► Sharp, Japon. 3 e producteur mondial avec 370 MW en 2007 ► mais aussi : Suntech Power, Schott, Isofoton, Bosch Solar Energy, Del. Solar, MPO Energy, Photowatt, Photovoltec, Sunways, Topray Solar, Nanjing PV-tech, REC, KIS Co, Solland, Solartec Sro, etc.

Producteurs de panneaux solaires photovoltaïques ► Suntech Power (Chine) : 1 er mondial avec 1 GW en 2009 ► First Solar (États-Unis) ► Sharp (Japon) : 1 er producteur mondial avec 710 MW en 2007 (produit le silicium, les cellules et les panneaux) ► VHF-Technologies SA (Suisse) : l'une des seules entreprises européennes à produire des cellules souples ► Centrosolar (Allemagne) ► Solarworld (Allemagne)

Prix du k. Wh solaire ► Installation domestique ► Centrale solaire d'Amareleja (Portugal) ► Centrale photovoltaïque à concentration de Mildura, en Australie (échéance 2013)

Eléments de rentabilité d’une installation ► Flux liés à l’investissement ► Flux liés à l’installation ► Flux liés aux financements

Prix hors taxe des équipements ► Le rendement est de 8 à 16%, soit 100 à 200 Wc/m 2. ► En référence à l'année 2010 : § § § § Modules polycristallins (fabrication) Modules polycristallins (du grossiste au détaillant) Système d'intégration Onduleur pour injection réseau Coffrets électriques CC et CA Câbles électriques Main d'œuvre ► Installation photovoltaïque clé en main : de 4 €/ Wc à 6 €/Wc, en baisse constante (cible à 1 €/Wc compétitive avec les ressources fossiles).

Prix de l’électricité photovoltaïque et prix d’autres sources d’énergie ► k. Wh photovoltaïque = de loin le plus cher ► IGF (08/10) ► Projection 07/2010 (Association NC WARN) ► Solaire thermodynamique moins cher ► 3, 3 fois plus que hydroélectricité, 2, 85 fois plus que l’éolien terrestre. Seule la pile électrique est plus chère… ► Mais grandes potentialités de réduction de coût!

Puissance photovoltaïque installée (MW) Pays À fin 2007 Installé en 2007 Allemagne 3862 1135 Japon 1919 210 Etats-Unis 831 207 Espagne 655 512 France 75 31 7840 2257 Total Monde

Recherche et développement sur le photovoltaïque ► Très active dans le domaine du solaire photovoltaïque. ► Les prix diminuent, les rendements progressent. ► L'essentiel des progrès se fait au niveau des cellules. ► Autres innovations qui peuvent réduire le coût global ou améliorer les fonctionnalités : § § Amélioration des onduleurs, des héliostats, Intégration dans des éléments standards de toitures, Mécanismes anti-poussières automatiques, Panneaux solaires laissant mieux passer l'énergie. . .

Parcs au sol et concurrence d’usage ► Entre les productions électrique et agricole. ► Néanmoins avantages: § Valorisation des sols artificialisés ou pollués § Économies d'échelle ► 5 recommandations pour tout parc au sol: § Politique de territoire § Études sur usage des sols et leur artificialisation § Considération particulière sur la biodiversité § Favoriser la multifonctionnalité § Recher la réversibilité.

Projet réunionnais : EDF relayé par des sociétés commerciales comme Réunion Conseil PV ► Réunion Conseil Photovoltaïque pour particuliers: § Tarif clés en mains : 10000 à 30000 € selon la surface § Cellules monocristallines (rendement 17, 5%, 250 Wc/p de 1, 50 m x 1 m) § Fabriquées par Schneider (Allemagne) § EDF limite à 1800 heures la quantité à racheter (Saint. Denis : environ 2500 heures d’ensoleillement annuel), le reste = délestage § Contrat/20 a, retour/investissement 10 a, garantie 25 a § Fin 2011 rachat de 40, 63 cts du k. Wh (11 cts à la vente) § Indexage automatique de la différence achat/vente § Couplage avec éolienne de 600 W à 1 k. W, plus système de stockage de classe C (à l’intérieur) Hypothétique remboursement partiel par la Région. § Défiscalisation de 7200 €, dépend de la surface initiale.

Projet réunionnais : Région ► Millener (mille installations de gestion énergétique) § Doter 500 familles de production d’électricité alternative, fondé sur la capacité des ménages consommateurs à devenir leur propre producteur. § 250 familles réunionnaises seront équipées en PV + boîtier intelligent (gestion de leur consommation et capacité d’intervention sur le stockage de l’énergie en régulateur) § 250 autres familles se verront attribuer ce seul compteur intelligent afin de mesurer leur consommation et d’intervenir notamment aux heures de pointe. § 15 millions d’investissements dont 1, 5 millions de la Région § Ambition d’économie = 500 MWh/an

L’énergie éolienne

Parc éolien off-shore en Belgique Eolienne à Nogentle-Roi

Choix d’un site éolien

Éolienne de San Sebastian

L’éolien dans le monde Pays Puissance en GW (début 2009) Etats-Unis 25, 3 Allemagne 23, 9 Espagne 16, 7 Chine 12, 2 Inde 9, 7 … Italie 3, 7 France 3, 4 MONDE 121

Capacité mondiale installée

L’éolien dans le monde par habitant Pays Puissance installée (en W/hbt) Danemark 600 Espagne 425 Allemagne 292 Irlande 284 Portugal 283 Pays-Bas 140 Autriche 123 Nouvelle-Zélande 117 Suède 114 Etats-Unis (12è) 89 France (18è) 56 Belgique (20è) 38 Chine (33è) 9, 5

Principes de fonctionnement La puissance du vent est : § Pcinétique = 0, 5 r. SV 3 ► r est la masse volumique de l’air, S la section, V la vitesse du vent. ► Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage. ► La puissance récupérable par une éolienne est donc : § Pcinétique = 0, 5 r. SV 3 Cp, avec Cp coefficient de performance ►

Production comparée ► En 2009, l'éolien représente § 1, 3% de la production mondiale d'électricité § 1, 5 % de la production totale d'électricité en France § 1, 7% en 2010. ► Intermittence des vents et incapacités de stockage de l’électricité ► Ainsi, au Danemark…

Les fabricants ► En 2011, les parts de marché mondiales des principaux fabricants d'éoliennes selon Make Consulting étaient les suivantes : ► le Danois Vestas avec 12 % ; ► le Chinois Sinovel avec 11 % ; ► l'Américain GE Wind avec 10 %. ► le Chinois Goldwind avec 10 % ; ► l'Allemand Enercon avec 7 % ; ► l'Espagnol Gamesa avec 7 %

Avantages de l’éolien ► Énergie durable et propre ► Aucun carburant ► Pas de gaz à effet de serre ► Chaque MWh éolien réduit de 0, 9 t les émissions de CO 2 ► Pas de concurrence d’usage avec l’agriculture ► Foncier : loyer de 1500 à 2000 euros par MW. La propriété particulière ou la municipalité profite de la protection de l’environnement. ► Taxe professionnelle jusqu’à 10000 euros par MW produit (pour faire revivre les petites communes) ► Pas de déchet toxique, en grande partie recyclable (acier, béton)

Inconvénients de l’éolien ► Santé : nuisances sonores ► Émissions induites de CO 2 ► Influence des éoliennes sur le climat ► Energie d’appoint ► Nuisance visuelle ► Dépréciation de l’immobilier ► Bruit ► Environnement : QS ► Radars, télévision ► Subventions et spéculation

Recherche et développement ► Condensation de la vapeur d’eau ► Méthanation ► Stockage = hydro-éoliennes § 2010 : pour stocker les productions excédentaires des éoliennes, on les couple à du pompageturbinage au sein de centrales mixtes.

El Hierro (l’île de Fer) ► La plus occidentale et méridionale des Canaries ► 287 km 2, 10500 hbts

Centrale hydro-éolienne d’El Hierro ► Initiée en Espagne en 2003, prévue pour être opérationnelle fin 2011 - début 2012. ► La centrale assurera l'autonomie énergétique de l'île et de ses 10 500 habitants permanents. ► Fin de la centrale thermique à fuel!

Conclusion sur les éoliennes ► Pour Hubert Reeves, « chaque éolienne est garante d'un peu moins de gaz carbonique dans l'atmosphère ou d'un peu moins de déchets nucléaires à gérer par les générations à venir » . ► selon EDF 29 : « l'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple. » ► Un élément évident du smart grid énergétique. La Réunion a toutes les cartes en mains pour en profiter, avec la constance des alizés.

Le solaire thermodynamique

Centrale solaire THEMIS (66)

Types de centrales ► centrale à tour (comme Themis : 670 k. Wc, pente 8 à 18°, ensoleillement maximal à 1650 m d’altitude, 8 OO MWh, 500 foyers alimentés) ► centrale solaire à miroirs cylindroparaboliques ► centrale Dish Stirling parabolique ► centrale solaire à miroirs de Fresnel

Capteurs cylindro-paraboliques de la Centrale Nevada Solar One

Centrale Dish-Stirling à Font-Romeu

Centrale solaire à miroirs de Fresnel, Almeria, Andalousie

Capacités et perspectives ► 2008 en France : 431 MW. ► Dans le monde : 25 GW de plus par an. ► Perspectives : § 5% de la production en 2050, soit 630 GW § Greenpeace envisage 1500 GW à ce terme § Marché mondial de 50 à 100 Mds d’euros/an § AIE : 2020, 148 GW.

Centrales en activité et en projet ► Luz Solar Energy, Californie, 354 MW (1985) ► Kramer Junction, Californie, 150 MW (1996) : peut fonctionner trois heures après le coucher du soleil (technique spéciale de stockage avec des cuves de sels fondus) ► Andasol, Grenade, 50 MW (2010) ► En projets: § Plan solaire marocain, 2000 MW § San Lucar la Major, Séville, 302 MW § Shams 1, Abu Dhabi, 100 MW

Tour solaire, le principe Une tour solaire est une centrale à énergie renouvelable, construite de manière à canaliser l'air chauffé par le soleil afin d'actionner des turbines pour produire de l'électricité ► Système simple : serres, turbines, cheminée, coût initial élevé de par les dimensions, maintenance de coût faible. ►

Tour solaire, les projets ► ► ► Le prototype de Manzanarès § § À 150 km de Madrid Tour de 200 m Production de 50 k. W de 1981 à 1989 Abandonné car k. Wh 5 x+ cher qu’une centrale thermique § § Cheminée de 990 m en matériaux composites Collecteur de 7 km de diamètre 32 turbines Puissance 200 MW Projet australien (Buronga) Projet espagnol § Cheminée de 750 m de haut. § Collecteur de 3 km de diamètre, couvrant 350 hectares, dont 250 hectares pour la culture de légumes sous serre (tomates). § Puissance de l'installation : 40 mégawatts, soit la demande de 120000 hbts. § Coût : 240 millions d'euros, que les partenaires espéraient réunir en 2007.

La tour de Manzanarès

Projet d’une tour solaire de 1000 m

Tour solaire à vortex

Panneaux solaires thermiques ► Transmet la chaleur solaire radiante à un fluide caloporteur (eau ou air), soit pour chauffage de l’air ambiant, soit pour chauffage de l’eau. ► Gisement de négawatts, en économisant le gaz ou l’électricité nécessaires au chauffage de ces fluides.

Economies annuelles engendrées Comparaison Tube/Plan sur 4, 4 m 2 de surface hors tout, à Bruxelles (Belgique), sur un ballon de 300 l et une consommation de 200 l/j à 50 °C Résultats Tube Plan Écart (%) plan/tube Taux de couverture en % 44 52 (-)18 % Production annuelle du champ de capteurs 1 669 k. Wh 2 015 k. Wh (-)20 % productivité (au m 2) 379 k. Wh 458 k. Wh (-)20 % Comparaison Tube/Plan sur 2, 2 m 2 de surface hors tout, à Aix en Provence (France Sud), sur un ballon de 300 l et une consommation de 200 l/j à 50 °C Résultats Tube Plan Écart (%) plan/tube Taux de couverture en % 41, 7 53, 3 (-)28 % Production annuelle du champ de capteurs 1 576 k. Wh 2 076 k. Wh (-)32 % productivité (au m 2) 716 k. Wh 944 k. Wh (-)32 %

Électricité solaire thermique ► Plusieurs systèmes permettent de produire de l'électricité à partir de capteurs thermiques : § Un couple parabole/moteur Stirling (QS). § Des capteurs semi-paraboliques de Fresnel (QS) ►Dans ces deux cas, on a plus affaire à des dispositifs de réflexion qu'à des capteurs d'énergie. On déborde là sur le domaine du solaire thermodynamique. § Des capteurs thermiques associés à des thermocouples. ► Mais aussi : production de froid par adsorption

Conclusion sur le solaire thermique ► Là encore, La Réunion a tous les atouts poursuivre la dynamique actuelle. ► Équiper une majorité des toitures individuelles permettra de substantielles économies d’électricité, et ainsi de la consommation de fuel et de charbon.