Généralités sur les énergies

L’énergie est le moteur non seulement du développement, mais aussi de la croissance de l’économie mondiale. L’augmentation de sa production pour un pays est sans doute synonyme de création de richesses, d’amélioration de la condition de vie (hygiène, santé, éducation) et l’espoir d’un développement économique propice. Dans un contexte énergétique mondial dominé par la croissante demande des pays en développement et où l’offre d’énergies demeure principalement fossile, les problèmes environnementaux et sociétaux posés par leur exploitation ne font que croître, soulevant ainsi la question épineuse de leur pérennité. Ceci étant, on constate également que ce contexte mondial se caractérise par une perpétuelle instabilité des prix et d’approvisionnement .

Utilisées depuis des siècles, ces énergies dites fossiles (charbon, pétrole et gaz) ont connu un essor considérable depuis les révolutions industrielles jusqu’à nos jours. Cependant avec l’évolution industrielle planétaire, elles dévoilent au fil du temps leurs limites et effets néfastes, ceci à travers des conflits (guerre en Irak, au Soudan…), Et pire encore, on note avec amertume les pressions qui pèsent sur le climat, les écosystèmes, la biodiversité et sur l’ensemble des ressources naturelles comme l’eau ou ces énergies fossiles sont susceptibles de mettre en péril l’humanité entière induisant à l’occasion au disfonctionnement des économies et les modes de vie. Au jour d’aujourd’hui, force est de constater que la réponse aux besoins énergétiques passe sans risque de faire erreur par leur gestion parcimonieuse, augmentant ainsi pour les générations futures l’opportunité d’en jouir.

Généralités sur les énergies

Energies fossiles et fissiles 

Certaines sources d’énergies sont appelées énergies fossiles ou fissiles parce qu’elles sont produites à partir de roches issues de la fossilisation des êtres (organismes) vivants il y a bien longtemps. Ces énergies sont constituées principalement du charbon, du pétrole et du gaz naturel dont leurs combustions entrainent des GES (dégradation de l’environnement). Ces ressources sont dites conventionnelles par opposition aux combustibles fossiles dits non conventionnelles (gaz de schiste, sable et schistes bitumineux) qui sont présents dans les gisements difficilement accessibles et dont l’exploitation nécessite de lourds investissements.

Charbon

C’est un combustible fossile d’origine organique. La genèse de sa formation a débuté il y a plus de 350 millions d’années par la transformation en profondeur de matière organique végétale. Très utilisé pour la production électrique (centrale thermique), il occupe la première place mondiale dans ce domaine, mais est placé au deuxième rang des énergies fossiles les plus consommées dans le monde après le pétrole [16]. Une centrale thermique à charbon (CTh) est composée principalement d’une chaudière et ses auxiliaires (broyeurs, dépoussiéreur électrostatique, évacuateur des cendres), d’un groupe turbo-alternateur, d’un condenseur, d’un poste d’eau (réchauffage de l’eau alimentaire) et d’un poste électrique (transformateur). Son principe de fonctionnement simplifié pour la production d’électricité est le suivant :
➤ L’eau déminéralisée contenue dans la bâche alimentaire y est dégazée, avant d’être envoyée par les pompes alimentaires vers la chaudière ;
➤ La chaudière transfère la chaleur dégagée par la combustion, à l’eau qui se transforme en vapeur surchauffée sous pression ;
➤ La vapeur ainsi produite est admise dans la turbine où elle est détendue avant de rejoindre le condenseur. La détente de la vapeur provoque la rotation des roues de la turbine, qui entraîne l’alternateur ;
➤ Le refroidissement dans le condenseur par une circulation d’eau d’un circuit secondaire (eau de mer, eau de rivière…) la vapeur retourne à l’état liquide et est renvoyée à la bâche d’où elle repart pour un nouveau cycle .

De nos jours, les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues. Notamment dans les pays ayant d’importantes réserves de charbon (Inde, Chine, États-Unis, Allemagne, etc.). De quelques dizaines de MW au milieu du XXe siècle, leur puissance unitaire a rapidement augmentée pour dépasser actuellement 1000 MW [1]. Parallèlement à la croissance de leur puissance unitaire, leur rendement a été amélioré grâce à l’augmentation de la pression et de la température de la vapeur utilisée. Des valeurs usuelles de 180 Bars et 540°C que l’on rencontrait dans les années 1970, on atteint désormais d’autres valeurs supercritiques de plus de 250 Bars et 600°C [16], [17]. Elles ont ainsi pu conserver une certaine compétitivité par rapport aux autres types de centrales. A cet effet, ce principe de fonctionnement décrit pour les centrales à charbon (cas le plus fréquent) est le même pour toutes les centrales thermiques avec turbine à vapeur qui utilisent d’autres combustibles (fioul, gaz, incinération, etc.).

Le principal inconvénient est que les centrales thermiques au charbon restent les premières sources d’émission de gaz à effet de serre et de production de suies (poussières)[17], notamment en Chine et aux États-Unis. Même si le charbon est considéré comme une énergie très polluante, l’abondance de ses réserves en fait une énergie encore très utilisée. Car les réserves prouvées disponibles, jugées exploitables et rentables selon le rythme de consommation et les techniques actuellement utilisées montrent qu’il peut subvenir à nos besoins pendant approximativement200 ans [5]. Elles sont plutôt bien réparties géographiquement, mais les trois plus grandes réserves prouvées en 2011 se situent aux Etats unies (237 Gt) en Russie (157 Gt) et en Chine (115 Gt). Le charbon satisfait encore près de 30% de l’énergie primaire et 40% de la génération d’électricité mondiale. Souvent décrié et considéré comme une énergie du passé, le charbon joue et jouera un rôle majeur dans le bouquet énergétique mondial. A moyen terme, son utilisation pourrait néanmoins être limitée par le renforcement d’objectifs de réduction des émissions de CO2 et ses impacts en termes de pollution locale [16].

Pétrole

Découvert au milieu du XIXe siècle en Pennsylvanie (USA), il se présente sous la forme d’une huile minérale issue de la décomposition sédimentaire des composés organiques contenant du carbone. C’est la source d’énergie la plus consommée dans le monde (35%), avec un record de production mondiale de 84 millions de barils par jour atteint en 2005[16]. Sa consommation est tirée par les besoins des pays émergents, particulièrement dans le secteur des transports et de la pétrochimie. Ses réserves sont principalement détenues par les pays membre de l’OPEP(71,9%)qui en sont d’ailleurs les premiers producteurs mondiaux. En effet l’Arabie Saoudite qui fait partie de ces pays, produit à elle seule près de 42,1% de la production mondiale [16]. Cependant, la Russie qui n’en fait pas partie de ces pays à titre individuel est le deuxième producteur de pétrole au monde. Les Etats Unis, enfin, où la production a augmenté significativement en 2013 (+12,5 %) sont en la troisième place. Cette croissance de la production des Etats Unis est portée par le développement des huiles de schiste .

L’estimation des réserves mondiales du pétrole montre qu’au rythme de production actuel et sans découverte d’autres gisements, elles sont évaluées pour une durée de 50 ans .

Gaz naturel

Formé par la transformation d’organismes morts il y a des millions d’années, le gaz naturel se retrouve dans divers réservoirs souterrains, parfois associé à du pétrole. C’est aujourd’hui la troisième source d’énergie la plus utilisée dans le monde, après le pétrole et le charbon : elle représente près d’un quart (24%) de l’énergie primaire employée. Ses réserves sont moins concentrées géographiquement que celle du pétrole. Même si près de la moitié des réserves conventionnelles sont situées en Russie, en Iran et au Qatar. Les Etats-Unis qui sont le premier producteur mondial, fournissent près de 20,6% de la production mondiale. Ils produisent également un gaz naturel dit « non conventionnel »: Le gaz de schiste, dont les estimations de ses réserves sont progressivement révisées à la hausse dans d’autres pays comme le Mexique, la Chine, ou encore l’Australie. [16]. La consommation de gaz naturel ne cesse de progresser, car il est adapté à la production de chaleur (cuisson, eau chaude, chauffage), en outre selon le rythme de sa consommation actuelle, ses réserves pourraient s’épuiser d’ici 110 ans [5]. Mais de nos jours, son emploi pourrait s’intensifier dans la production d’électricité en substitut du charbon ou en accompagnement des énergies renouvelables intermittentes.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Généralités sur les énergies
Introduction
I.1-Energies fossiles et fissiles
I.1.1- Charbon
I.1.2- Pétrole
I.1.3- Gaz naturel
I.1.4- Nucléaire (énergie fissile)
I.2-Energies renouvelables
I.2.1- Energie hydraulique
I.2.2- Marémotrice
I.2.3- Energie éolienne
I.2.4- Biomasse et les déchets
I.2.5- Géothermie
I.2.6- Solaire
I.2.6.1- Soleil
I.2.6.2- Historique
Conclusion
CHAPITRE II : Méthodologie de conception et dimensionnement
Introduction
II.1- Généralités sur les étapes de fabrication de la cellule
II.1.1- Raffinage du silicium
II.1.2- Cristallisation du silicium et la mise en forme des plaques
II.1.3- Fabrication des cellules
II.2- Méthodologie de conception, principes et dimensionnement
II.2.1- Conception
II.2.2.- Principes
II.2.3- Dimensionnement
II.2.3.1-Bilan des puissances ou besoins en électricité
II.2.3.2-Puissance crête adéquate du module photovoltaïque
II.2.3.3- Dimensionnement de la batterie
II.2.3.4- Dimensionnement du régulateur
II.2.3.5- Dimensionnement du convertisseur de courant
II.2.3.6- Dimensionnement des câbles électriques
Conclusion
CHAPITRE III : Dimensionnement d’un prototype et impacts
Introduction
III.1- Dimensionnement d’un prototype
III.1.1- Besoins en électricité
III.1.2- Puissance crête adéquate
III.1.2.1- Ensoleillement
III.1.2.2- Puissance crête du module
III.1.3 – Capacité de la batterie
III.1.4- Régulateur adéquat
III.1.5- Justification d’utiliser un convertisseur
III.1.6- Section des câbles électriques
III.2- Validation des calculs par un logiciel
III.2.1- Interfaces
III.2.2- Entrée des données
III.2.4- Récapitulation
III.3- Impacts des systèmes photovoltaïques
III.3.1- Impacts négatifs
III.3.2- Impacts positifs
III.3.2.1- Social
III.3.2.2- Economique
III.3.2.3- Environnemental
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques et webographiques
ANNEXES

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