Les

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Les énergies photovoltaïque et éolienne les
réalités et non les mirages

• Francis Massen francis.massen_at_education.lu
• Pierre Lutgen lutgenp_at_gms.lu

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1100 kWh/(m2year)(Diekirch)
Lénergie photovoltaïque les réalités et non
les mirages
3
Le grand réacteur à fusion

• Le soleil est un réacteur nucléaire gigantesque,
  qui produit son énergie de la fusion datomes
  dhydrogène en atomes de hélium
• 4 H ? He Energie(685 millions de tonnes de H
  converties chaque seconde)

4
Lénergie solaire les chiffres (1)
Une surface de 1 m2 exposée perpen-diculairement
aux rayons et se trouvant en dehors de
latmosphère reçoit une puissance de S0 1367 W
5
Lénergie solaire les chiffres (2)
La puissance totale reçue par la surface de la
terre est S 0.70 1367pR2 1.231017 W
123000 TW ou 239 W/m2 0.70 (1 albedo)
partie absorbée Le monde consomme actuellement
17 TW
6
Lénergie solaire les chiffres (3)
Si la puissance reçue par du soleil pouvait être
intégralement convertie en une forme utilisable
(électricité, chaleur), une surface de 71130 km2
( un carré de 267 km sur 267 km) serait
suffisante!
267 km
267 km
7
Où est le problème?
Si
Il tient en un mot
8
Situation à Diekirch 2011
Moyenne 130 W/m2 (surface horizontale)
9
Capteurs suiveurs (tracking)
1808 kW/m2
1370 kW/m2
1145 kW/m2
données Weihenstephan, 48N, modèle Perez
10
Situation à Diekirch par mois
11
Situation à Diekirch 21 juin/déc.
En juin peu dénergie en dehors de 1100 1900
temps local (UTC 2). En décembre bilan
pratiquement zéro!
12
Energie intermittante (1)
Lénergie solaire est fortement irrégulière au
cours de la journée (nuages, brouillard), nulle
au cours de la nuit et très réduite durant les
périodes où la position du soleil est basse
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Energie intermittante (2)
Diekirch, 2011 Janvier ? Mars 164
kWh/m2 Avril ? Septembre 878 Octobre ?
Décembre 104 Les 6 mois dhiver et dautomne ne
fournissent que 23 du total annuel!
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1ère conclusion (1)
Sans moyens de stockage importants et efficaces,
lénergie solaire ne peut assurer un service
indispensable et garanti de 24h/24h.
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1ère conclusion (2)
Cependant elle peut actuellement assurer sans
problèmes le fonctionnement de petites entités,
comme panneaux de signalisation, éclairages
dappoint (solaire électrique). ou constituer un
apport pour le chauffage et la production deau
chaude (solaire thermique)
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Le photovoltaïque
Une cellule photoélectrique transforme la
puissance solaire incidente en courant
électrique. Elle repose sur leffet
photoélectrique, découvert en 1839 par A.
Becquerel. La 1ère cellule de type moderne fut
crée par Bell Laboratories en 1954
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Une cellule au silicium
Un photon dénergie suffisante libère un électron
qui est recueilli par une électrode sur la face
supérieure. Une tension (p.ex. 1.4 V) sétablit
entre le haut et le bas de la cellule, et cette
tension fait circuler un courant dans un appareil
connecté.
Cellule à une seule jonction
n-dopage As (arsen) p-dopage B (bore)
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Types de cellules

1. Cellules mono- et polycristallines (Silicium,
   solides)
2. Cellules amorphes (Silicium, solides)
3. Cellules à couches minces (flexibles) CdTe, CIS
   
4. Dans le futur cellules à nano-tubes?

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Problèmes (1)
Pour avoir une tension et une intensité de
courant suffisante, il faut brancher en série et
en parallèle un grand nombre de cellules

-
Diode de protection
20
Problèmes (2)

• Un revêtement spécial doit assurer une absorption
  optimale des photons (peu de réflexion). Toute
  saleté diminue lefficacité!
• Le rendement stagne depuis environ 10 années pour
  les panneaux sur le marché à 15 -
  17rendement INPUT/OUTPUT

Puissance solaire
Puissance électrique
Watt
Watt
21
Rendement typiques
Cellules mono-cristallines 20 (trop chers,
peu installées) Cellules polycristallines
14-16 (les plus usuelles) Cellules amorphes
5 7 (les moins chers, peu
installées) Le rendement pratique dune
installation complète est sensiblement inférieur!
22
Problèmes (3)
4. La cellule doit être orientée le plus
perpendulairement possible par rapports aux
rayons (loi des cosinus)
Mauvais
Bien
23
Montage (1)
Solution - monter le panneaux sur un système
suiveur
24
Montage (2)
Solutions - compromis orientation entre 30 et
50
25
Empreinte CO2 (life cycle analysis)
60 g CO2/kWh
26
Autres gaz polluants (LCA)
27
Fabrication et déchets

1. Nécessite lemploi de NF3, gaz qui a un GWP de
   17000
2. Les panneaux flexibles contiennent du CdTe
   (tellure de cadmium). Le cadmium et la poussière
   de CdTe sont toxiques.
3. Problème de la rareté de certains éléments
   (Tellurium, Indium, Ruthenium, Selen)
4. La production de 1 kg de silicium pur entraîne 19
   kg de déchets
5. Problèmes de déchets des installations en fin de
   vie

28
Au Luxembourg (1)
Simulation www.myenergy.lu
1155 kWh/m2
Rendement 10
Faux3500(0.563 0.06) 1761 kg CO2
29
Au Luxembourg (2)
Pendant combien de jours par mois peut-on faire
tourner un lave-vaisselle ou une machine à laver
(2h à 2.5 kW) ? (Diekirch, 2011)
30
Coût au Luxembourg (1)
2010 Consommation électrique du pays 6.7
TWh Production PV 21 GWh 0.3 de la
consommation Coût net des subsides feed-in
1.9 millions Euros (selon ILR) 0.20 Euro pour 1
kg de CO2 émis évité (EUA févr. 2012 9 Euro/to
CO2 0.009 EUR/kg CO2)
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Coût au Luxembourg (2)
Coût annuel minimal total pour 21 GWh 0.3 de
lénergie électrique nécessaire Feed-in
1.9 millions Nouvelles installations en
2010 166 Subsides 1 millions (budget)
Total 2.9 millions par année donc 0.138
/kWh ou 0.088 /kWh sans subsides
dinstallation (coûts inclus dans les tarifs
consommateur)
32
Conclusions
16.5 /kWh
33
Solaire thermique ? (1)
Serait-il plus intelligent de favoriser et
détendre le solaire thermique? Les installations
usuelles ont un rendement global de 70 Une
surface de 10m2 fournirait par année
0.71011001.2 9240 kWh pour chauffer leau
de consommation (et/ou leau du chauffage). Ceci
correspond à une économie de 1000 litres de
gasoil (chaufferie moderne, 92).
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Solaire thermique ? (2)
Règle approximative 10m2 de collecteurs solaires
thermiques permettent une économie de 1000 litres
de gasoil Le temps damortissement dune
installation thermique solaire est gt 12 ans avec
subsides. Grâce aux subsides (installation et
feed-in) celui dune installation
photovoltaïque est 6 ans!
Voir Mémorial A3/2009, règlement grand-ducal du
20 avril 2009subsides solaire thermique 5000.-
subsides photovoltaïques max. 301650
49500.- ou 30
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Conclusion finale (1)
Avec les prix actuels des combustibles fossiles
(non subventionnés) et en absence de subsides
publics extrêmement importants, le solaire
photovoltaïque et le solaire thermique ne sont
pas encore rentables dans nos régions. Les
subsides actuels pour le photovoltaïque ne sont
probablement pas supportables (not sustainable)
à la longue (voir Allemagne, Espagne).
36
Conclusion finale (2)
La technique photovoltaïque actuelle (cellules au
Si cristallin ou amorphe) sera probablement
remplacée par dautres procédés moins chers et
plus performants (cellules à nano-tubes, cellules
thermo-électriques).Une revalorisation de
lindépendance énergétique et une percée
technologique dans les rendements, les moyens de
stockage et les prix pourrait changer la donne.
37
16/27(Betz)
Lénergie éolienne les réalités et non les
mirages
38
Force du vent
Surface S
Vent vitesse v
Force exercée F ½?Sv2 ? masse volumique de
lair 1.25 kg/m3 à 10C
39
Puissance du vent
Surface S
Vent vitesse v
Puissance Force vitesse ½?Sv3 La
puissance est proportionnelle au cube de la
vitesse du vent !
40
Loi de Betz (1919)
Surface S
Vent vitesse v
Le vent doit sécouler derrière lhélice pour ne
pas faire bouchon. La puissance théorique
maximale nest que 16/27 P Pth maximale 16/27(
½?Sv3)
41
Exemple Vestas V100 (2 MW)
Diamètre rotor 100m Surface balayée S 7854
m2Puissance à v 12.5 m/s 2 MW Pth
(16/27)½1.257854(12.5)3/ 106 5.68 MW La
puissance réelle 35 de la puissance théorique
maximale! Utilisation vitesses entre 3 m/s et 20
m/s (11 à 72 km/h)
255 W/m2 puissance solaire
42
Le facteur de charge
Facteur de charge (capacity factor)
Exemple Une Vestas V100 de 2 MW pourrait
théoriquement fournir 2 8760 17520 MWh en une
année. En réalité elle na fourni que 3400
MWh. Donc c 3400/17520 0.18 Ceci
correspondrait à un fonctionnement en puissance
maximale de 0.188760 1577 heures
(Volllaststunden)
43
Exemples de c (1)
Irlande environ 1425 MW de puissance
éoliennne on-shore installée fin 2010
44
Exemples de c (2)
Danemark 3.9 GW 3.0 GW onshore, 0.9 GW
offshore
0.25
0.23
45
Exemples de c (3)
Allemagne 22297 installations, 29.1 GW
0.185
0.17
46
Exemples de c (4)
Luxembourg 44 installations, 43.7 MW
Année Facteur de charge
2008 0.16
2009 0.17
2010 0.14
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Une source fluctuante
It is shown that for relatively small countries
like the UK, the probability of negligible wind
power contributions is so high that backup
standby power sources with essentially the same
capacity as the whole mean wind power
contribution will have to be available
http//www.wind-power-program.com
48
Solution réseau étendu ?
Distance 820 km
Pour chaque turbine 25 de chance que output lt
10 de Pm
49
Nécessité de backup (1)
Backup Hydro démarrage très rapide
(minutes) Turbines à gaz démarrage assez lent
(quelques heures si en OFF) ou rapide (minutes)
si en STAND-BY (spinning reserve) Stations
thermiques au fioul/charbon démarrage lent
(jours en OFF) ou moyen (heures) en
stand-by Réacteurs nucléaires démarrage très
lent (jours en OFF), assez rapide (heures) en
stand-by
50
Nécessité de backup (2)
Puisque les conditions de vent peuvent changer en
quelques minutes, les systèmes de backup
non-hydrauliqes doivent être en stand-by
(spinning reserve)
Multiples de 15 minutes
51
Production parfois insignifiante
DK, 22 mars 2012, 1629 UTC production totale
2464 MW éolien 74 MW lt 3
www.energinet.dk
52
Moins de rejets CO2 ? (1)
1. Lénergie éolienne fournit une partie de
lénergie de base (base load) ceci est la
situation actuelle la plus fréquente. les
émissions de CO2 augmentent (20) dû au
fonctionnement non-optimal des backup (gaz et/ou
charbon). Elles augmentent encore plus si les
éoliennes remplacent des réacteurs
nucléaires. (rapport Hughes, GWPF, 2012)
53
Moins de rejets CO2 ? (2)
2. Lénergie éolienne fournit une partie de
lénergie intermédiaire les émissions de CO2
augmentent modéremment (14) (rapport Hughes,
GWPF, 2012)
54
Moins de rejets CO2 ? (3)
3. Lénergie éolienne fournit une partie de
lénergie de pointe les émissions de CO2
diminuent (nulles pour la partie fossile
remplacée, ) ou ne changent pas si les éoliennes
remplacent des générateurs hydro ou
nucléaires. (rapport Hughes, GWPF, 2012)
55
Moins de rejets CO2 ? (4a)
Conclusion Parmi les 3 scénarios seulement le
moins probable (le moins fréquent) entraîne une
diminution des émissions de CO2 La conclusion
que léolien ne diminue pas notablement ou pas du
tout les émissions de CO2 se trouve dans
beaucoup de rapports.
56
Moins de rejets CO2 ? (4b)
Rapports montrant que léolienne ne diminue pas
notablement les émissions de CO2 - Civitas (UK,
2012) Electricity costs The folly of Windpower
http//www.civitas.org.uk/economy/electricityco
sts2012.pdf- Le Pair (NL, 2011) Wind
turbines increase CO2 emissions.
www.lepair.net - Gordon Hughes Why Is Wind
Power So Expensive? http//thegwpf.org/images/st
ories/gwpf-reports/hughes-windpower.pdf
57
Moins de rejets CO2 ? (5)
Danemark Les émissions par kWh délectricité
produite nont pas diminué à partir de 2003 La
part de lélectricité éolienne dans la production
totale a augmenté de 15.8 à 19.3 durant cette
même période. F. Udo et al., windstroom e.html,
2011
58
Moins de rejets CO2 ? (6)
Contre-exemple Irlande, 2011 chaque MW déolien
diminue les rejets de CO2 de 0.1 g par kWh
(passer du charbon au gaz entraîne une diminution
de 400 g par kWh!)
Puissance installée totale 6829 MW dont 1741
MW éolien.Léolien fournit environ 20 de
lélectricité
59
Prix de production comparés
Rapport Cours des Comptes, France, 2012
hydroélectrique 15 20 /MWh semi-constant
charbon 44 constant
nucléaire 50 constant
éolien 69 fluctuant
gaz naturel 74 constant
solaire 236 - 406 fluctuant
Nature du producteur
60
Un commentaire facile
Burerbierg 8 MW, 12.4 M
En plus, mais bien sûr pas prépondérant, il y a
un joli symbole  du bout des éoliennes on voit
au loin un dinosaure de la production énergétique
 traditionnelle   le réacteur nucléaire de
Cattenom www.etika.luarticle sur Burerbierg
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Remplacer Cattenom par Burerbierg ?
Facteur de charge du nucléaire français
0.76 Production annuelle Burerbierg 80.138760
9110 MWhProduction horaire Cattenom
42000.762 3192 MWh En moins de 3 heures,
Cattenom produit autant que le Burerbierg en une
année. Il faudrait 12277 éoliennes au Burerbierg
pour remplacer Cattenom, sans parler des systèmes
de backup.
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Densité de puissance
Forêt commerciale 0.25 W/m2
Parc éolien 0.2 () 4.7() W/m2
Parc photovoltaïque 5 -10 W/m2
TWINERG, 10.6 ha(turbine gaz-vapeur) gt 2800 W/m2
Cattenom, 415 ha (nucléaire) gt1253 W/m2
() on-shore une turbine de 2 MW (rotor 80m) a
besoin de 166 ha distance minimale entre
turbines 10diamètre rotor.() Offshore
alpha-Ventus
63
Qui fournira la base load?
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Conclusion finale (1)

• Le talon dAchille du photovoltaique et de
  léolien est leur faible densité de puissance et
  leur nature fluctuante.
• Avant de se lancer à corps perdu dans
  linstallation en masse de systèmes
  photo-voltaïques et éoliennes (cf. Allemagne), il
  aurait été plus intelligent de pousser la
  recherche et le développement des moyens de
  stockage et de distribution.

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Conclusion finale (2)

• Si ces moyens existent, PV et Éolien pourront
  devenir des partenaires solides parmi les autres
  producteurs dénergie électrique.
• Flow battery, flywheels, électrolyse,
  hydro-storage et Smart Grid

66
Un seul livre.

• David MacKay
• Sustainable energy without the hot air
• http//www.withouthotair.com/
• (version pdf gratuite, 12 MB)

67
Un seul lien.

• Ce fichier ppt est accessible sur
• http//meteo.lcd.lu/papers/

Merci de votre attention!