Unit 14 Matriaux pour la production dnergie faible

Unité 14. Matériaux pour la production d’énergie à faible empreinte carbone Mike Ashby Department of Engineering University of Cambridge © M. F. Ashby, 2012 For reproduction guidance see back page This lecture unit is part of a set created by Mike Ashby to help introduce students to materials, processes and rational selection. The Teaching Resources website aims to support teaching of materials-related courses in Design, Engineering and Science. Resources come in various formats and are aimed primarily at undergraduate education. Some of the resources are open access and students can access them. Others are only available to educators using CES Edu. Pack. www. grantadesign. com/education/resources

Production d’énergie à faible empreinte carbone Qu’est ce que c’est? § Energie (électrique) provenant de sources non hydrocarbures § Energie provenant d’hydrocarbures avec capture de carbone § Nucléaire § Hydro § Vent Pourquoi est-ce intéressant? § Emissions § Dépendance aux importations de pétrole, gaz, charbon § Les hydrocarbures sont une ressource épuisable § Solaire PV § Géothermie § Marée § Vague Où peut on la trouver? M. F. Ashby, 2012 § Biomasse www. grantadesign. com/education/resources

Est-ce vraiment à faible émission? § Nucléaire § Hydro § Vent § Solaire PV § Géothermie § Marée § Vague § Biomasse M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Quelle est l’utilisation actuelle? Exemple: France 80% nucléaire 10% énergie fossile 10% énergie renouvelable M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Le scénario 2011 2050 = 2011 2050 Global resource demand X Global GDP Global population Besoin en énergie en 2050: § Aujourd’hui: 2, 200 GW électrique § Augmentation de population x Augmentation PIB = 3 fois les besoins d’aujourd’hui § Tout bâti dans les 40 prochaines années 2011 2050 Créer 2, 000 GW d’énergie à faible émission en 10 ans § Quels sont les obstacles? § Quelles sont les implications d’un point de vue matériaux? M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

La vue d’ensemble (1) : superficie et matériaux Concepts § Consommation en ressources § Facteur de capacité § Puissance Nominale k. W nom versus Puissance Réelle k. W actual M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

La vue d’ensemble (2) : énergie et capital Concepts § Système à faible densité énergétique § Ressource hautement sollicitée M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Quels sont les matériaux demandés pour la production d’énergie à faible émission de carbone? M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Quelle quantité de matériaux? Matérials : PV power Intensity (kg/k. Wnom) Aluminum 62. 32 Antimony (dopant) 0. 10 Copper* 0. 8 EVA 41. 33 Gallium* (dopant) 0. 50 Galvanized mild steel 40. 67 Indium* 0. 08 Lead tin solder 0. 08 Silane (amorphous silicon) 0. 49 Silver* 0. 08 Stainless steel 18. 70 Tellurium* (dopant) 0. 10 Ytterbium* (dopant) 0. 10 Total mass, all materials 165 Materials: nuclear power Aluminum Intensity (kg/k. Wnom) 0. 02 - 0. 24 Boron 0. 01 Brass/bronze 0. 04 Cadmium 0. 01 Carbon steel 10. 0 - 65 Chromium* 0. 15 - 0. 55 Concrete 180 - 560 Copper* 0. 69 - 2 Inconel 0. 1 - 0. 12 Indium* 0. 01 Lead 0. 03 - 0. 05 Manganese* 0. 33 - 0. 7 Nickel* 0. 1 - 0. 5 PVC 0. 8 - 1. 27 Silver* 0. 01 Notes Stainless steel 1. 56 - 2. 1 § Utilisation de matériaux (kg) en fonction Uranium* 0. 4 - 0. 62 de la puissance nominale par k. W § * : Matériaux stratégiques Zirconium* 0. 2 – 0. 4 Total mass, all materials 170 - 625 M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Matériaux stratégiques et production mondiale Quels sont les matériaux stratégiques ? § Matériaux ordinaires qui remplissent les fonctions essentielles (ex: Cu, Mn, Cr) (Ils peuvent généralement être recyclés) § Matériaux rares ou très localisés qui permettent le développement et la mise en application des nouvelles technologies (ex: Nd, In, Pt) (Ils sont généralement difficiles à recycler) M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Manque en matériaux stratégiques Scenario: 2, 000 GW de puissance avec une source donnée de production d’énergie à faible émission de carbone d’ici 2020 Demande en ressources : solaire PV M. F. Ashby, 2012 Demande en ressources : Éolien www. grantadesign. com/education/resources

5 ressources § “Sustainable Energy § “Materials and the Environment”, – without the hot air UIT press, Cambridge 2009 Butterworth Heinemann, 2009 § “Low-carbon Power Edition” CES Edu. Pack 2011 § “Materials and low-carbon power” Granta White Paper, 2011 M. F. Ashby, 2012 t Lac k rke s a re u c rais of win m y hina se C n d a e s fe rbo isarr ars eral rights f in o a m r C gr d in ene een rgy CO US d 2 em igs d i for r eep dec ssion are e line arth supp ly d il u b to group Spanish reveals er Volkswagen wind pow ’s in ta ri B rid 313 mpg hyb § Cuttings from world press and on-line resources www. grantadesign. com/education/resources

Fiche type pour un système de production d’énergie à faible empreinte carbone Hydropower – earth dam Introduction More energy is generated by hydropower than by any other renewable energy source. It supplies nearly all of the electricity for thirteen countries, among them, Norway and Brazil. The technology is simple, the power is always available (provided it rains), and dams built without hydroelectric capacity can be retrofitted with turbines and generators. Lifetimes can exceed 100 years, and the technology is mature, making it a safe investment. Description Hydroelectric power plant and part of earth Diagram of a hydroelectric dam The water wheel provided power for irrigation and milling until the dam, New Zealand. Photo by Andrew Cooper Industrial Revolution triggered its replacement by steam. Today, small water turbines produce electricity for local consumption. Large dams create reservoirs for water in sufficient quantities and at a sufficient height to enable power for cities. Hydro plants both store energy and generate power, either continuously or intermittently to deal with spikes in demand. The energy to fill reservoirs comes from the sun, but it is gravity that drives the water through the turbine. Its power is P = ngh. Q where h is the drop in meters, Q the volumetric flow rate in m^3/s, g the gravitational constant and n the efficiency of the system (over 90% for large hydro and roughly 50% for small). The capital cost of a hydro plant can be high, and its construction may damage natural and human habitat. But its lifetime is long, it requires little maintenance, it creates no emissions and its fuel is free. It is a long-term investment. Operational parameters Resource intensity Capital intensity (construction) Area intensity Material intensity Energy intensity (construction) CO 2 intensity (construction) 4. 5 e 3 91 900 7. 26 e 3 630 - Links Materials. Universe References M. F. Ashby, 2012 6 e 3 200 2 e 3 1. 5 e 4 1. 2 e 3 USD/k. W m^2/k. W kg/k. W MJ/k. W kg/k. W Capacity factor System efficiency Lifetime Current installed capacity Growth rate Delivered cost Liens vers les fiches des matériaux utilisés dans ce système de production d’énergie 45 80 75 4. 5 0. 003 - 65 % 95 % 100 yrs GW %/year 0. 01 USD/k. Wh www. grantadesign. com/education/resources

Permet les discussions suivantes § La physique de chaque système (Mac. Kay) § Les matériaux de chaque système (Livres Blancs & CES Edu. Pack) § Économiques : coût des matériaux (Livre M & E & CES Edu. Pack) § Société : objections, jugements non fondés (Livre M & E) § Politiques : Législation domestique et incitations (Presse Nationale) § Politique internationale: motivation politique et restriction d’approvisionnement (Presse Nationale) § Perturbation d’approvisionnement (Presse Nationale, Livre M & E) M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

En résumé. . . § Il apparaît inévitablement que, dans le futur, une transition vers les énergies à faible empreinte carbone est nécessaire. § De tels systèmes libèrent considérablement moins d’émissions dans l’atmosphère par k. Wh, mais alourdissent la demande en espace, énergie de construction, investissement et matériaux. § Leur déploiement à grande échelle entraînera une pression sur les chaînes d’approvisionnement de certains matériaux critiques. § Anticiper cette demande est essentiel pour la planification de la future demande énergétique. M. F. Ashby, 2012 www. grantadesign. com/education/resources

Sommaire des leçons disponibles Le diaporama de cette leçon est disponible sur le site web des Ressources d’enseignement Chaque diapo d’une leçon comporte des notes explicatives. Vous pouvez les consulter en ouvrant le diaporama en mode [“Normal”], ou en cliquant sur l’icône correspondante dans la barre d’outils inférieure. M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Auteur Mike Ashby University of Cambridge, Granta Design Ltd. www. grantadesign. com www. eng. cam. ac. uk Reproduction Ces ressources sont soumises aux droits d'auteur de Mike Ashby. Vous pouvez reproduire ces ressources pour les utiliser avec des étudiants, pourvu que vous ayez acheté les droits d'accès aux ressources d'Enseignement de Granta Design. Assurez-vous, s'il vous plaît, que Mike Ashby et Granta Design sont cités sur toutes vos reproductions. Vous ne pouvez utiliser ces ressources pour des buts commerciaux. Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : n 77 diaporamas n des Exercices avec leur solution n des séquences enregistrées sur le web. n des Posters n des Rapports d’analyse n des Manuels de Solutions n des études de cas interactifs Précision / Pertinence Nous faisons tout pour que ces ressources soient d'une grande qualité. Si vous avez des suggestions pour des améliorations, contactez-nous s'il vous plaît par courrier électronique à : teachingresources@grantadesign. com © M. F. Ashby, 2012 Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web contient aussi d'autres ressources apportées par plus de 800 universités et lycées du monde entier, employant CES Edu. Pack de Granta Design. Ce site Web contient deux catégories de ressources, qui, soit exigent l'emploi de CES Edu. Pack, soit ne l'exigent pas. M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources