► Conversion de l’énergie en kWh :

- On donne : 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J

-  

► Le kWh plutôt que le joule.

- Pour ce type de valeur de l’énergie, on préfère utiliser le kWh car le joule est une unité trop petite et difficile à appréhender.

► Énergie primaire ou finale :

- L’énergie, E ≈ 9,7 × 10³ kWh, représente l’énergie utilisée pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire par le consommateur, c’est l’énergie finale.

- Énergie consommée par an et par mètre carré :

-   

► Cas (a) : Classement énergétique pour le tout électrique.

- Lorsque l’on consomme 1 kWh, la centrale électrique a dû produire 2,58 kWh d’électricité.

- Consommation d’énergie primaire pour l’habitation tout électrique :

- E_elec = E_m2 × 2,58

- E_elec ≈ 88 × 2,58 ≈ 2,2704 × 10²

- E_elec ≈ 2,3 × 10² kW_ep . h .m^–2 . an^–1

- Classement de l’habitation tout électrique : D

- Émission de gaz à effet de serre :

- Pour le tout électrique, l’émission de CO₂ est de 90 g / kWh :

- Masse de CO₂ obtenu sur 1 an à partir de l’énergie primaire :

- m (CO₂) = E_elec × 90

- m (CO₂) ≈ 2,3 × 10² x 90 ≈ 2,04336 × 10⁴

- m (CO₂) ≈ 20 kg_{éq CO2} .m^–2 . an^–1

- Classe de l’habitation tout électrique : C 

►  Cas (b) : Classement énergétique chaudière à gaz.

- Consommation d’énergie primaire

- E_gaz = 88 kW_ep . h .m^–2 . an^–1

- Classement énergétique : B

- Émission de gaz à effet de serre :

- Pour le gaz, l’émission de CO₂ est de 234 g / kWh :

- Masse de CO₂ obtenu sur 1 an à partir de l’énergie primaire :

- m (CO₂) = E_gaz × 234

- m (CO₂) ≈ 88 × 234 ≈ 2,0592 × 10⁴

- m (CO₂) ≈ 21 kg_{éq CO2} .m^–2 . an^–1

- Classement pour les gaz à effet de serre : D

► Cas (c) : Classement énergétique chaudière à bois.

- E_bois = 88 kW_ep . h .m^–2 . an^–1

-  Classement énergétique : B

- Émission de gaz à effet de serre :

- Pour le bois, l’émission de CO₂ est de 13 g / kWh :

- Masse de CO₂ obtenu sur 1 an à partir de l’énergie primaire :

- m (CO₂) = E_gaz × 13

- m (CO₂) ≈ 88 × 13 ≈ 1,144 × 10³

- m (CO₂) ≈ 1,1 kg_{éq CO2} .m^–2 . an^–1

- Classement pour les gaz à effet de serre : A

- C’est le chauffage au bois qui obtient le meilleur classement.

► Système étudié sur le schéma :

- C’est l’intérieur de l’habitation avec tous les accessoires.

► Signification des flèches jaunes et bleues :

- Les flèches jaunes symbolisent les transferts énergétiques reçues par le système.

- Elles sont comptées positivement.

- Les flèches bleues symbolisent les transferts énergétiques cédées par le système.

- Elles sont comptées négativement.

► Variation d’énergie interne ΔU du système étudié en fonction des différents transferts thermiques :

- ΔU = Q_Soleil + Q_éclairage + Q_Chauffage – Q_sol – Q_murs – Q_vitres – Q_toit.

► Maintien de la température constante :

- On donne :

- ΔU = m . c. (T_f – T_i)

- Si on maintient la température constante

- T_f = T_i

- En conséquence :

- ΔU = 0

- Q_Soleil + Q_éclairage + Q_Chauffage – Q_sol – Q_murs – Q_vitres – Q_toit = 0

- Q_Chauffage = Q_sol + Q_murs + Q_vitres + Q_toit – Q_éclairage – Q_Soleil

► Les économies d’énergie :

  Il faut limiter les déperditions d’énergie

- Déperditions  d’énergie par les murs : isolation des murs

- Déperditions d’énergie par les vitres : double vitrage.

- Déperditions d’énergie par le sol : isolation du sous-sol.

- Déperditions par le toit : isolation des combles, du grenier,…

  Il faut utiliser le plus possible l’énergie solaire :

- Installations de panneaux solaires pour obtenir de l’eau chaude

- Installation de panneaux photovoltaïques pour la production d’électricité.

  Utiliser un appareil de chauffage ayant un bon rendement :

- Pompe à chaleur, chaudière à condensation, …

  Utiliser la géothermie, …

► Système étudié sur le schéma :

- Le système S étudié est l’habitation  avec le mobilier.

► Les transferts thermiques :

  (a) les pertes thermiques :

-  Elles ont lieu :

- Au niveau du sol Q_sol ;

- Au niveau des murs et des vitres  Q_{murs + vitres} ;

- Au niveau du toit Q_toit .

  (b) les apports thermiques :

- Le rayonnement solaire  Q_Soleil ;

 - Le mouvement des habitants de la maison Q_habitants ;

- Fonctionnement des appareils électriques Q_elec ;

- Fonctionnement des appareils de chauffage Q_chauffage.

  Bilan énergétique du système :

- ΔU = Q_Soleil + Q_habitants + Q_elec + Q_chauffage  – Q_sol – Q_{murs + vitres} – Q_toit

► Transfert thermique que doit fournir le chauffage pour maintenir la température de l’habitation constante :

- Si on maintient la température constante

- T_f = T_i

- En conséquence :

- ΔU = 0

- Q_Soleil + Q_habitants + Q_elec + Q_chauffage  – Q_sol – Q_{murs + vitres} – Q_toit = 0

- Q_Chauffage = Q_sol + Q_{murs + vitres} + Q_toit – Q_Soleil – Q_habitants – Q_elec

- Q_Chauffage ≈ 70 + 80 + 300 – 103 – 18 – 56

- Q_Chauffage ≈ 273 MJ . m^–2

- Q_Chauffage ≈ 2,7 × 10² MJ . m^–2

► (a) Le domaine des infrarouges :

- Il correspond à des longueurs d’onde λ > 800 nm.

► (b) les pertes thermiques :

- Les déperditions thermiques sont très importantes au niveau du toit.

- Dans un moindre niveau, il y des déperditions thermiques au niveau

-  des murs et vitrages et du sol.

► Les solutions pour diminuer les déperditions thermiques.

- Avant tout, il faut isoler les combles pour éviter les

-  déperditions thermiques par la toiture ;

- Il faut isoler les murs (zone orange à rouge) et

-  mettre un double vitrage (zone orange).

En France, dans l’optique d’une division par quatre des émissions de gaz à effet de serre,

le Grenelle de l’environnement a fixé des objectifs de réduction de la consommation des bâtiments.

Atteindre ces objectifs constitue un double défi, technologique et organisationnel.

- Un lycée HQE à Calais :

Inauguré en 1998, le Lycée Léonard de Vinci de Calais est le premier établissement en France

à adopter de façon aussi complète le label HQE (Haute Qualité Environnementale).

Les terrasses végétalisées fixent les poussières et donc épurent aussi l’eau de pluies et les rosées qu’elles recueillent.

Ces terrasses végétalisées amortissent également les chocs thermiques.

 L’évapotranspiration des plantes et l’évaporation de l’eau du substrat rafraichissent la couche d’air.

Les eaux pluviales sont utilisées pour le réseau d’eau non potable.

- Bilan :

Un lycée ultra moderne, lumineux et convivial. Le projet a couté 15 % plus cher qu’un lycée « normal »,

mais la conception permet une économie d’environ 30 % sur les dépenses en énergie et eau.

En pleine production, l’alimentation en énergie électrique du lycée est assurée par une éolienne de 135 kW,

un co-générateur au gaz naturel de 230 kW et des panneaux photovoltaïques de 5 kW.

(D’après le site du lycée Léonard de Vinci de Calais : www4.ac.lille.fr/-vincicalais/)

► Signification de lycée HQE :

-  HQE : haute qualité environnementale.

- L’eau et l’énergie ne sont pas gaspillées.

- Les déchets sont triés et recyclés.

- On limite au maximum les émissions de gaz à effet de serre (GES)

- Les matériaux qui ont servi à la construction sont recyclables

-  Dans le cas présent, ils sont recyclable à 95 %

► L’énergie que consomme le lycée Léonard de Vinci est « propre » :

- Le lycée utilise pour la production d’énergie, une éolienne, un co-générateur à gaz naturel, et des panneaux photovoltaïques.

- Dans le cas de l’éolienne, il faut tenir compte de sa construction et de son démantèlement

- (production de gaz à effet de serre pour la fabrication du béton,…)

- Le co-générateur produit des gaz à effet de serre lors de son fonctionnement (combustion du méthane).

- La fabrication et le démantèlement des panneaux photovoltaïques produisent des gaz à effet de serre.

- Même si l’énergie produite n’est pas totalement propre, on limite au maximum les émissions de gaz à effet de serre.

► Avantages à avoir des terrasses végétalisées sur le toit des bâtiments :

- Les terrasses végétalisées :

- « Épurent aussi l’eau de pluies et les rosées qu’elles recueillent »

-  « Amortissent également les chocs thermiques »

- « L’évapotranspiration des plantes et l’évaporation de l’eau du substrat rafraichissent la couche d’air. »

►  Chaîne énergétique du co-générateur :

- Le co-générateur utilise de l’énergie chimique pour produire :

- De l’énergie électrique

- Et on utilise l’eau qui a servi au  refroidissement dans le réseau de chauffage.

►  Comparaison de la production et de consommation d’électricité :

- Consommation d’électricité :

- Le lycée consomme une puissance électrique de 330 kW

- P_conso = 330 kW

- Production d’électricité :

- En pleine production, l’alimentation en énergie électrique du lycée est assurée par une éolienne de 135 kW,

un co-générateur au gaz naturel de 230 kW et des panneaux photovoltaïques de 5 kW.

- P_prod = 370 kW

- P_prod > P_conso

- Le lycée produit plus d’énergie qu’il n’en consomme.

-  Il est à énergie positive.

- Il est autonome du point de vue énergétique.

► Grenelle de l’environnement et secteur du bâtiment :

-  Le bâtiment étant le plus gros consommateur en énergie, il est essentiel que la construction des habitations soit de moins en moins énergivore.

-  Les bâtiments contribuent pour :

-  43 % à l’énergie consommée en France,

-  22 % aux rejets de gaz à effet de serre.

-  Le Grenelle de l’environnement impose depuis 2009 une réduction de la consommation énergétique des bâtiments.

► Les ressources d’énergie renouvelables :

-  L’énergie solaire (panneaux solaires pour la production d’eau chaude sanitaire, panneaux photovoltaïques pour la production d’énergie électrique)

-  La géothermie

-  La biomasse

-  L’éolien.

► Utilisation d’un arbre à feuilles caduques :

-  Un arbre à feuilles caduques perd ses feuilles en hiver, il renouvelle ses feuilles chaque année.

-  L’été, il protège la maison des rayons solaires et réduit ainsi l’apport d’énergie solaire.

-  En hiver, comme les feuilles sont tombées, les rayons du Soleil viennent chauffer l’habitation.

► La présence d’un toit débordant :

-  Il limite la surchauffe en été et protège des intempéries en hiver.

► Bilan thermique de l’habitation :

-  Énergie produite :

-  E_Prod  ≈ 4,7 × 10³ + 3,3 × 10³  + 5,0 × 10³ 

-  E_Prod  ≈  1,3 × 10⁴   kWh

-  Énergie consommée :

-  E_Conso  ≈ 1,4 × 10⁴ + 5,0 × 10³ 

-  E_Conso  ≈ 1,9 × 10⁴  kWh

-  Remarque :

-  E_Conso  > E_Prod

-  L’habitation n’est pas une construction à énergie positive.

-  Elle consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit.

►  Les freins du développement des transports :

-  26 % des émissions de gaz à effet de serre sont issues du transport (1^e émetteur en France).

-  Le secteur des transports routiers génère à lui seul 96 % des émissions de CO₂.

-  La hausse du prix du baril de brut de pétrole,

-  La raréfaction programmée des ressources fossiles,

-  La prise de conscience des enjeux environnementaux et climatiques (pollution et réchauffement climatiques.

► Part de l’énergie utilisée dans les transports :

-  En 2007, les besoins énergétiques pour les transports représentaient presque 32 % de la consommation finale d’énergie.

► Bilan énergétique et son bilan carbone d’un véhicule :

-  Il faut tenir compte de toute la durée de vie du véhicule, car chaque étape nécessite l’utilisation d’énergie et produit des émissions de GES.

► Principal gaz à effet de serre produit par les véhicules :

-  Le secteur des transports routiers est responsable de 26 % des émissions de gaz à effet de serre, et de 37 % des rejets de CO₂.

-  Parmi les trois gaz à effet de serre émis par les véhicules, le dioxyde de carbone représentait 98 % des gaz à effet de serre,

tandis que le méthane et l'oxyde nitreux représentaient les 2 % restants.

La première génération de biocarburants

est issue de produits alimentaires.

§  Ils sont actuellement produits sous deux formes :

- Le biodiésel (huiles de colza, tournesol et de soja)

incorporé au gazole sous forme de carburant banalisé.

- L’éthanol (plantes sucrières, blé, maïs) incorporé à

l’essence sous forme de carburant banalisé.

§  Les biocarburants de deuxième génération, destinés

à ne pas entrer en concurrence avec les autres cultures vivrières.

- Ils utilisent les résidus agricoles et forestiers,

- Ils utilisent des cultures dédiées de plantes à croissance rapide

qui nécessitent peu d’eau et fixent les sols.

§  En 2010, la production française de biocarburants avoisinait

les trois millions de tonnes.

- Elle mobilisait une surface estimée à environ 2 millions d’hectares ;

-  Elle a permis d’économiser l’émission de 8 millions de tonnes

équivalent CO₂ ;

- Elle a produit environ 2,5 millions de tonnes équivalent pétrole,

soit autant d’économie d’ énergie fossile réalisée.

§  Les biocarburants de troisième génération :

- Ils sont obtenus à partir d’algues. Ils sont encore à l’étude.

-  Ces nouvelles filières présentent des bilans énergétiques favorables.

- À l’hectare, les micro-algues seraient 30 à 100 fois plus productives en énergie qu'un biocarburant oléagineux.

- Elles permettent de limiter les problématiques d’usage des sols et de la concurrence avec les débouchés alimentaires.

 Questions :

-  Rechercher la signification du mot « biocarburant ». Pourquoi  est-il qualifié d’agro-ressource ?

- Définir le t.e.p (tonne équivalent pétrole). Convertir 2,5 millions de t.e.p en joule, puis en kWh.

- Quelle quantité d’énergie fossile est économisée grâce à la production de biocarburants ?

- Pourquoi la filière biocarburant est-elle contestée ?

► Biocarburant :

- Le biocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques non fossiles :

- C’est une agro-ressource : ressource issue de l’agriculture.

- Elle provient de la biomasse.

- Ce sont des matières premières renouvelables.

► La tonne équivalent pétrole : t.e.p .

- La tonne équivalent pétrole : énergie libérée par la combustion d'une tonne de pétrole.

- 1 t.e.p = 4,2 × 10 ¹⁰ J

- 2,5 × 10 ⁶  t.e.p  ≈ 2,5 × 10 ⁶ × 4,2 × 10 ¹⁰ J ≈ 1,1 × 10 ¹⁷  J

- 1 kW.h = 3,6 × 10 ⁶ J

- 2,5 × 10 ⁶  t.e.p  ≈ 2,9 × 10 ¹⁰  kWh

► Énergie fossile économisée :

- L’énergie fossile économisée :

-  E_fossile ≈  2,9 × 10 ¹⁰  kWh

► La filière biocarburant :

- Elle utilise des surfaces de terres qui pourraient être utilisées pour l’alimentation.

- La population  mondiale ne cesse d’augmenter (9 milliards en 2050) et certains habitants souffrent déjà de la faim.

- À l’avenir, on ne pourra plus se permettre d’utiliser les terrains agricoles pour la production de biocarburants.

§  Comment ça marche :

Pour produire de l’électricité de manière industrielle, on utilise une turbine qui transmet à un alternateur

une force suffisante pour le mettre en rotation rapide.

Celui-ci va alors transformer en énergie électrique l’énergie mécanique qui lui est communiquée.

Dans cette centrale nucléaire, la turbine peut être alimentée par de la vapeur d’eau sous pression.

le sodium ou le plomb, ou un gaz, l’hélium.

§  Des réacteurs de 4^e génération :

En France, le CEA travaille sur deux filières :

- et le réacteur à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G ou GFR, dans ce cas le gaz est l’hélium)

La technologie des réacteurs nucléaires à neutrons rapides permet d’utiliser les réserves d’uranium

(estimées à 60 ans actuellement) pendant des milliers d’années.

Ainsi le CEA s’est engagé sur la conception d’un prototype innovant de réacteur refroidi au sodium.

L’objectif est de préparer le déploiement industriel d’une telle filière dans le parc français à l’horizon 2040,

en privilégiant des recherches en innovations.

Quatre objectifs principaux ont été définis pour caractériser les systèmes du futur.

Ils doivent être à la fois :

- Durables, c’est-à-dire économes des ressources naturelles et respectueux de l’environnement ;

- Économiques, pour minimiser le coût du kWh ;

- *chaleur = transfert thermique.

► Avantages et les inconvénients d’utiliser des ressources fissiles :

- Les avantages :

- C’est  une méthode de production de l’électricité qui produit peu de gaz à effet de serre (GES).

- L’énergie nucléaire est de loin la forme d’énergie la plus concentrée : 1,0 kg d’uranium fournit une quantité de chaleur Q_U ≈ 1,0 × 10⁵ kWh.

- Les ressources sont encore importantes.

- Les inconvénients :

- Cette technique présente des risques, elle est très dangereuse.

- Elle produit des déchets nucléaires qu’il faut retraiter et stocker.

► Les réacteurs de quatrième génération :

-  Pour améliorer la sécurité, mieux exploiter les ressources en uranium qui ne sont pas inépuisable, diminuer la production de déchets radioactifs, diminuer les risques, …

► Nature du combustible et du fluide caloporteur dans les deux types de réacteurs évoqués :

- Le combustible fissile est l’uranium : Uranium 233

- La technologie dite « à neutrons rapides »,  permet la surgénération, récupérer les neutrons sortants pour transmuter des matériaux (le thorium en uranium 233)

- Fluides caloporteurs : sodium fondu ou hélium.

►  Les avantages l’utilisation des réacteurs dits « à sels fondus » :

- Les ressources de thorium sont immenses (très abondant sur Terre, le minerai de thorium est totalement utilisable).

- Le cœur du réacteur ne peut pas s’emballer (la quantité de combustible est ajustée au fur et à mesure de l’utilisation)

- Les problèmes de pression sont réglés (les réacteurs à sels fondus fonctionnement à la pression atmosphérique).

- La question de refroidissement en cas de panne est résolue (le combustible liquide est tout simplement vidangé).

- La quantité de déchets à vie longue est 104 fois moindre que dans une centrale nucléaire classique.

§  Domestiquer l’énergie solaire :

-  L’énergie solaire est disponible partout sut Terre et représente, théoriquement, 900 fois la demande mondiale en énergie.

-  Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2,0 kWh à 3,0 kWh par jour en Europe du Nord,  4,0 kWh à 6,0 kWh

en région Provence Alpes Côtes d’Azur ou sous les tropiques.

-  Les variations saisonnières ne sont que de 20 % dans ces régions, mais beaucoup plus importantes (d’un facteur 2,5) dans les pays du Nord.

► Le solaire thermique :

- Le solaire thermique est aujourd’hui relativement bien maîtrisé en termes technologique et économique.

- Le principe est simple :

- Des capteurs absorbent les photons solaires et les transforment en quantité de  chaleur Q_ray.

- Cette quantité de chaleur Q_ray est ensuite transmise à un fluide ou un gaz (fluide caloporteur) qui le transporte vers un réservoir de stockage de l’énergie.

- L’énergie solaire est principalement utilisée pour le chauffage de l’eau ou des locaux.

► L’énergie solaire photovoltaïque :

- L’énergie solaire photovoltaïque a l’avantage de convertir directement l’énergie du Soleil en électricité.

- Cette conversion est possible grâce à un matériau semi-conducteur à base de silicium.

Document :

► L’énergie solaire de concentration :

- L’énergie thermique du Soleil permet aussi de produire de l’électricité. Des miroirs cylindro-paraboliques,

long d’une centaine de mètres, concentrent la chaleur sur un tube récepteur contenant un fluide caloporteur ;

le fluide génère ensuite de la vapeur qui est turbinée pour produire de l’électricité.

(d’après « Domestiquer l’énergie solaire », énergies du XXI^e siècle, livret N° 19 du CEA, novembre 2010.)

§  Premier parc solaire intégré à un domaine forestier :

- Le premier parc solaire, intégré à un domaine forestier, a été inauguré vendredi 28 octobre 2011 à Mios,

dans le département de la Gironde par le groupe Ylliade de juwi ENR, en présence du Sous-Préfet d’Arcachon

et du Maire de la commune de 6650 habitants.

- Ce parc solaire s’inscrit dans un projet original de diversification d’un domaine forestier qui a été durement touché

par les tempêtes de 1999 et 2009.

- D’où une transition douce de monoculture du pin maritime, vers des plantations plus variées, acacias, eucalyptus, etc.

La résilience et la biodiversité de cette forêt pilote de plus de 2000 hectares en sortent renforcées.

- D’une puissance de 8,5 MWc*, ce parc produit l’équivalent de la consommation électrique de 4350 habitants,

soit celle de deux tiers des habitants de Mios, pour une surface occupée de moins de 0,2 % du territoire de la commune, sur des parcelles très sinistrées.

- La construction d’une deuxième tranche, qui est en projet, permettrait à Mios de devenir « une commune à énergie renouvelable positive. »

(extrait de Mios (Gironde) : 1^e parc solaire intégré à un domaine forestier »,

- * Le « watt crête » (Wc) définit la puissance de production photovoltaïque sous un ensoleillement standard de référence

(rayonnement incident normal de 1000W, pression de 1013 hPa, température des modules de 25 ° C).

- Résumer en quelques lignes le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.

- Représenter la chaîne énergétique mise en jeu dans une ferme solaire.

- Quels inconvénients présente une implantation massive de fermes solaires dans les régions à fort ensoleillement ?

- Expliquer comment de l’énergie produite dans une installation solaire pourrait être utilisée dans une centrale hydraulique.

Quels en seraient les intérêts ?

► Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque :

- En traversant la cellule photovoltaïque, les photons arrachent des électrons aux atomes de silicium.

-  Ces électrons peuvent être mis en mouvement dans un circuit électrique extérieur et produire un courant électrique.

► Chaîne énergétique mise en jeu dans une ferme solaire :

► Inconvénients que présente une implantation massive de fermes solaires dans les régions à fort ensoleillement :

- Le plus souvent, le lieu de production se trouve très éloigné du lieu de consommation.

- Le courant continu haute tension (CCHT) est une technologie utilisée pour le transport de l'électricité en courant continu haute tension.

- Cette technologie est très coûteuse.

► L’énergie produite dans une installation solaire et centrale hydraulique :

- Lorsque l’ensoleillement est très important et que la ferme solaire produit beaucoup d’énergie solaire, on peut utiliser

l’excédent d’énergie pour remonter de l’eau, grâce à une pompe électrique, dans un bassin supérieur d’un barrage hydraulique.

- Cela permet de stocker de l’énergie sous forme d’énergie de gravitation (énergie potentielle de pesanteur).

- On peut produire de l’électricité hydraulique la nuit ou lorsque la demande est importante.