Solaire thermique Photovoltaque et Biomasse Energie solaire biomasse

Solaire thermique, Photovoltaïque et Biomasse Energie solaire biomasse Abdellatif Touzani

Plan • • Potentiel Solaire thermique Solaire photovoltaïque Biomasse

Potentiel technique des ER Consommation d‘électricité au Maroc 2009 (24 TWh/an) Le potentiel technique des ER au Maroc: • Solaire • Eolien • Biomasse • Hydraulique Pronostic de la consommation d‘électricité au Maroc 2030 (80 TWh/an) • env 32. 000 TWh/an

Un rayonnement solaire excellent…. mais la richesse n’est pas encore exploitée §Rayonnement solaire global quotidien moyen en k. Wh/m 2: Tétouan: 4, 66 k. Wh/m 2 (Min. ) Ouarzazate: 5, 85 k. Wh/m 2 (Max. ) §Rayonnement solaire annuel sur une superficie inclinée (30°) entre 2080 et 2320 k. Wh/m 2/an 6, 00 5, 00 4, 00 3, 00 2, 00 1, 00 0, 00 Agadir Al Hoceima Beni Mellal Casablanca Dakhla Al Ayoun El Jadida Errachidia Essaouira Fes Ifran Kenitra Larache Marrakesch Meknes Midelt nador nouasser Ouarzazate Oujda Rabat-sale safi sidi ifni sidi slimane Tanger tan-tan taza tetouan §Potentiel technique solaire: env 32. 000 TWh/a 7, 00

Projets de développement des ER Programme solaire Programme éolien • 2000 MW à l’horizon 2020 • -> 4, 5 TWh • 2000 MW à l’horizon 2020 • -> 6 TWh • Porteur du programme: MASEN • Porteur du programme: ONE Intégration industrielle des ER • 3 secteurs ciblés: Eolien, Solaire, EE Programme d’EE • Réduction de 12% de la consommation énergétique d’ici 2020, et 15% d’ici 2030 § PV: souvent perçu comme chère et seulement adapté pour l’électrification rurale – et dans le PSM sous forme d’une centrale d’une dizaine de MW § PV connecté au réseau (à petite échelle) ne joue aucun rôle dans les programmes de développement

1 679 MW Eolien PV CSP 1 493 3 183

SOLAIRE THERMIQUE

Comment ça fonctionne: -Le panneau solaire thermique est constitué d’un capteur de chaleur, cette chaleur captée sera transmise au fluide caloporteur situé dans des tubes. -Ces tubes dirigent le fluide vers un système de gestion et de répartition de l’énergie thermique solaire.

Composants d’un système de CSE Photo : RNCan

Capteurs solaires sans vitrage • Faible coût • Basse température • Robuste • Léger • Chauffage de piscine extérieure • Basse pression Photo : RNCan • Pauvre performance dans les climats froids ou venteux

Capteurs solaires plans avec vitrage • Coût modéré • Température d’opération plus élevée • Peut opérer à la pression d’eau de la ville • Plus lourd et plus fragile

Capteurs solaires à tubes sous vide • Coût plus élevé • Pas de pertes par convection • Température élevée • Climats froids • Fragile • L’installation peut être plus compliquée • La neige n’est pas un grave problème Photo : RNCan Photo : Nautilus

Solaire thermodynamique

Capteurs solaires à concentration Stockage thermique (optionnel) • Production de vapeur • Production d’eau chaude • Production d’air chaud • Production de froid

Cylindroparabolique

Parabolique

Solar Assisted Cooling (SAC) Systèmes à absorption (Li. Br)

Capteurs plans pour chaleur industrielle Capteurs plans optimisés Capteur plan à double-verre antireflet. L’espace entre les vitres est rempli avec du gaz inerte pour réduire la conduction thermique.

Production d’eau chaude pour process

Exemple : Industrie de lavage • Barcelone (Espagne)

Exemple : industrie de la boisson • Brasserie (Allemagne)

Exemple: Industrie pharmaceutique • Egypte

PHOTOVOLTAIQUE

Transformation du rayonnement solaire en électricité grâce à la cellule photovoltaïque. Energie solaire Régulateur Onduleur Panneau solaire photovoltaïque Process Batterie

Technologies des cellules solaires • Grand nombre de technologies : – La majorité est développée en laboratoire – Technologies industrialisées : • Silicium mono et polycrisallin (90% du marché en 2008) • Silicium en couche mince amorphe • Le dopage (ajout d’impuretés) du Silicium améliore sa « photosensibilité » (Découverte en 1954 dans les laboratoires Bell) • découpe de « wafers » , traitement de surface, dopage, couche anti-reflet, etc … 25

Technologies des cellules solaires • Cellules monocristallines en silicium – élaborées à partir d’un même bloc de cristal : long et coûteux (exigeant en énergie !) – apparence : couleur « bleu uniforme » – durée de vie : environ 40 ans – rendement : 12 à 18% (meilleur que les cellules polycristallines) 26

Technologies des cellules solaires • Cellules polycristallines en silicium – à partir d’un bloc sous forme de cristaux multiples (visibles à l’œil nu) – coût de production plus faible que les cellules monocristallines – peu de déchets et moins d’énergie (2 à 3 fois moins) – durée de vie : environ 30 ans – rendement : 11 à 15% – meilleur rapport performances/prix 27

Technologies des cellules solaires • Cellules amorphes en silicium – coût de production le plus faible – « feuilles » souples de cellules – grandes surfaces à faible coût – rendement : 6 à 8% • Autres cellules amorphes : – CIS (cuivre-indium-sélenium) ou Cd. Te (tellure de cadmium) – meilleures à faible lumière et en temp. – rendement : 12% 28

Technologies des cellules solaires • Cellules cristallines ou amorphes ? – Cristallines : • rendement plus élevé • moyennes et fortes puissances • fragilités du silicium (placé entre 2 plaques de verre) – Amorphes : • moins chères • faibles puissances (nécessite le double en surface pour l’équivalent des cristallines) • infrastructure d’installation moins lourde 29

Technologies des cellules solaires Matériau Silicium monocristallin Silicium polycristallin Amorphe Composite monocrystallin (Ga. As) Composite polycristallin (Cd. S, Cd. Te, Culn. Ga. Se 2, etc. ) Rendement Longévité +++ +++ + + Caractéristiques Très performant Adapté à la production à grande échelle Peut fonctionner sous la lumière fluorescente Lourd, fissure facilement Principales utilisations Aérospatiale, modules pour toits, façades, … Modules pour toits, façades, générateurs… Appareils électroniques (montres, calculatrices…), intégration dans le bâtiment Aérospatiale Nécessite peu de Appareils électroniques matériau mais certains contiennent (montres, calculatrices…), des substances intégration dans le bâtiment polluantes Source : Sharp Electronics France 30

Système PV raccordé au réseau ONEE 31

Système PV raccordé au réseau ONEE 32

Système PV isolé 33

Types de structure pour optimaliser la capture de rayonnement Fixe Orientable Suiveur

BIOMASSE SOLIDE BIOGAZ

LA BIOMASSE A partir de la biomasse, c ’est à dire des végétaux, on peut obtenir de l’énergie sous différentes formes : Electricité ou chauffage par combustion directe. Biogaz obtenu par fermentation. Alcool ou biocarburant ( à partir de canne à sucre, céréales, betteraves etc. ).

La biomasse, c'est quoi ? • En toute rigueur, c'est l'ensemble de la matière d'origine vivante. • Les principales provenances de la biomasse sont : – – – l’agriculture, la forêt, les milieux marins et aquatiques, les haies, les parcs et jardins (déchets verts), les industries et activités humaines ayant traité de la matière d'origine vivante, y compris du bois (industries agro-alimentaires, papetières, de transformation du bois, etc…) et générant des co-produits, des déchets organiques (notamment les boues de stations d'épuration) ou des effluents d’élevages.

Que peut-on faire à partir de la biomasse ? • Usages alimentaires • Fumure des champs • Mais aussi – Matière première pour la chimie – Carburants – Combustible – Etc. .

• • • La biomasse comme biomatériau traditionnel ou innovant : le bois et ses dérivés (papiers, cartons, panneaux de process), mais aussi le chanvre et autres plantes textiles, utilisés de plus en plus comme isolant y compris dans du béton composite. L'amidon de céréales ou de pomme de terre peut être utilisé pour la production de plastiques biodégradables et de nombreux autres polymères. La biomasse comme matière première de la chimie : elle est utilisée pour produire des tensioactifs, solvants, fluxants de bitumes , encres, peintures, résines, liants, lubrifiants, produits antigel… sans oublier les nombreux principes actifs et huiles essentielles utilisés en pharmacie et cosmétique. La biomasse pour les biocarburants : les huiles de colza, tournesol, soja ou palme sont les matières premières de base pour fabriquer du biodiesel. L'utilisation des huiles végétales pures comme carburant est possible mais rencontre des limites techniques. Le bioéthanol est aujourd'hui produit à partir de la fermentation de blé, maïs, betterave ou canne à sucre. A l'horizon 2015 -2020, des biocarburants dits "de seconde génération" pourront être produits à partir des matières cellulosiques que sont, par exemple, la paille et le bois.

• La biomasse comme biocombustible pour produire de la chaleur et de l'électricité : – Le bois, sous la forme traditionnelle de bûches mais aussi de plaquettes forestières (sous-produits d'exploitation forestière broyés), d'écorces, de bois de récupération. Densifié, le bois peut être présenté parfois sous forme de granulés ou de briquettes. – La paille, mais aussi des résidus de culture et des productions dédiées, peuvent être utilisés comme combustibles. – On peut également brûler à l'échelle industrielle du marc de raisin, des noyaux de fruits, des déchets d'usines papetières (liqueurs noires, boues papetières), des déchets de collectivités, etc. et aussi du biogaz issu de la fermentation de déchets divers mis en décharge ou traités dans des méthaniseurs (déchets verts, effluents d'usines agroalimentaires, déjections animales…).

PRINCIPAUX USAGES ET PROVENANCES DE LA BIOMASSE NON ALIMENTAIRE

La biomasse, principale ressource énergétique renouvelable • • Représente environ 80 % des énergies renouvelables dans le monde Représente environ 65 % des énergies renouvelables en Europe • • Actuellement fort développement de l'ensemble des filières biomasse Forte volonté politique (débouché pour l'agriculture, utilisation des terres, recherche d'indépendance énergétique)

La biomasse, principale ressource énergétique renouvelable • Historiquement, usage du bois sec, du charbon de bois, huile végétale et graisse animale, déchets de l'agriculture, bouses séchées de ruminants • Usages historiques : – – – Industrie (fonderie, verrerie) Cuisson (poêle, foyer) Chauffage (cheminée) Éclairage (cire d'abeille, etc. ) Dans tous les cas, énergie extraite par combustion de la matière organique (réaction d'oxydation) • Aujourd'hui – Certains usages traditionnels demeurent, surtout en zones rurales (cuisson, chauffage principal) – Nouveaux usages liés à de nouvelles formes de biomasse – – Chauffage collectif – – Transport (carburants) – – Cogénération

Ressources énergétiques de la biomasse • Ressources ligneuses (bois et dérivés) – Bois de feu, charbon de bois, gaz de bois, déchets de bois (copeaux, sciure) – Déchets de l'industrie papetière (boues, liqueur noire) • Résidus et déchets agricoles (culture et élevage) – Balle de riz, paille, bagasse, bouse de vache, fumier, graisse animale etc. • Cultures énergétiques – Canne à sucre, sorgho, colza, soja, plantes oléagineuses, arbres • Autres déchets organiques – Déchets ménagers, déchets verts, cartons, papier, etc.

Modes de valorisation de ces ressources • Usages – Chauffage Applicable à l'habitat – Production d'électricité – Transport – Fertilisant des sols (usage non énergétique)

Trois grandes filières • Solide : Bois-énergie • Liquide : Agro-carburants • Gaz : Biogaz

1. Bois-énergie : Ressource • Dans le monde – Tendance à la déforestation en Afrique, Amérique (Amazonie), Asie liée à la pression agricole (production pour l'alimentation humaine, pour le bétail, pour les biocarburants) – Pression sur les forêts primaires

1. Bois-énergie : Différentes formes

Bois-énergie : C'est quoi ? • Composition chimique – + eau + autres (résines, tanins, etc. ) • Composition en masse par élément – – • Carbone : environ 50 % Hydrogène : environ 6 % Oxygène : environ 44 % Azote : < 1% Pouvoir Calorifique Supérieur 18 à 20 MJ/kg mat. sèche – Quantité d'énergie extractible du bois – Varie assez peu selon l'essence du bois PCS brut = PCS sec⋅(1−H b)

Bois-énergie : humidité du bois • Teneur en eau du bois Hb= Meau / Mbois hum Hs= Meau/ Mbois sec = Meau / (Mbois humide−Meau) • Séchage indispensable pour – – • • Éviter de transporter et de stocker de l'eau Améliorer la vitesse et la qualité de la combustion Réduire les fumées et émissions polluantes Améliorer le rendement des chaudières 50% à l'abattage, max de 25% en chauffage Séchage à l'air libre, sous abri, éventuellement séchage assisté (pompe à chaleur, soleil, air chaud) – Temps de séchage très variables

Bois-énergie : La combustion du bois • Déroulement en trois phases – 1) Séchage : vaporisation de l'eau → Absorption d'énergie (chaleur latente) Production de vapeur. Phase d'autant plus courte que le bois est sec – 2) Pyrolyse : • Libération de gaz et production du « charbon de bois » • Combustion des gaz libérés, mélangés à l'air et soumis à une température élevée → Libération d'énergie sous forme de chaleur et de lumière : les flammes • 3) Combustion du charbon de bois sans flamme (incandescence) : – → Libération d'énergie sous forme de chaleur et de lumière : les braises – À l'air libre, pour des bûches, ces trois phases peuvent intervenir quasiment simultanément. – Dans un foyer, ces trois phases doivent être séparées. – Pour une bonne combustion, il faut un bois sec et un excès d'air

Bois-énergie : Le charbon de bois • Utilisé depuis l'antiquité • Avantages – Pouvoir calorifique plus élevé (33 MJ/kg) que celui du bois (18 MJ/kg) – Combustion avec moins de fumées que le bois – Produit très peu de cendres • Production par pyrolyse du bois (cuisson sans air), idéalement à 550 °C • Traditionnellement réalisé dans des meules (tas de bois recouvert de terre) • Aujourd'hui, dans des fours en métal • 1 kg de bois donne environ 250 g de charbon de bois • Composition – – Carbone > 80% Matière volatile environ 12 % Eau environ 2 % Cendres environ 1 %

Bois-énergie : Gazéification du bois • • Utilisé durant la 2ème guerre mondiale (gazogène) Avantages – Gaz qui peut être utilisé dans un moteur thermique approprié – Rendement énergétique du procédé (70 à 85 %) • • • Procédé intermédiaire entre combustion et pyrolyse : combustion incomplète Le bois est transformé à 97 % en gaz « pauvre » combustible, dit « gaz de synthèse » : CO, H 2, CH 4 Installation coûteuse PCI entre 4, 5 et 5, 8 MJ/Nm 3 (à comparer aux 36 MJ/Nm 3 du gaz naturel) Utilisation pour cogénération via un moteur à gaz, mais aussi pile à combustible ou production de carburant liquide

Bois-énergie : Production de chaleur • Foyer ouvert (cheminée) – Chauffage essentiellement par rayonnement. – Rendement thermique médiocre (10 à 15 %) : la chaleur s'échappe avec les fumées – Utilise bûches ou briquettes – Autonomie faible (quelques heures) – Intérêt esthétique ou pour cuisson « au feu de bois » – Combustion impossible à maîtriser car tirage naturel. Source de pollution – Possibilité de récupération de chaleur à air ou à eau pour chauffage par convection pour améliorer le rendement.

Bois-énergie : Production de chaleur • Foyer fermé (ou insert) – Foyer en fonte fermé par une vitre – Chauffage par rayonnement et convection – Meilleur contrôle de la combustion – Rendement thermique de 30 à 70 % – Utilise bûches ou briquettes

Bois-énergie : Production de chaleur