Introduction

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Présentation d'introduction au cours énergie à l'INRS-EMT pour 2011

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Introduction

  1. 1. Cours énergie<br />introduction<br />1<br />
  2. 2. Plan<br />2<br />
  3. 3. Les enjeux > Changements Climatiques<br />3<br />Changements mesurés en (a) température globale de surface: (b) niveau des océans global moyen de gauge des marées (bleu) et satellite (rouge) ; et (c) Couverture de neige dans l’hémisphère nord de mars à avril.<br />Toutes les différences sont relatives aux moyennes correspondantes pour la période 1961 – 1990. Les courbes lissées représentent des moyennes sur 10 ans et les cercles des valeurs annuelles. Les zones ombrées sont des intervalles d’incertitude estimés à partir de l’analyse d’incertitudes connues (pour a et b) et de la série temporelle (pour c)<br />IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report (Valencia, Spain, 12-17 November 2007)<br />
  4. 4. Les enjeux > Changements Climatiques<br />4<br />United Nations Environment Program<br />SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))<br />
  5. 5. Les enjeux > Changements Climatiques > GES >CO2<br />5<br />IEA World Energy Outlook ( www.worldenergyoutlook.org )<br />
  6. 6. Les enjeux > Disponibilité<br />6<br />aforecast for 2050 are between 500 and 800 EJ<br />b X 10 including « non-conventional » sources<br />1 Consortium Fusion Expo Europe<br />2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ )<br />
  7. 7. Les enjeux > Disponibilité > « Peakoil »<br />7<br />Le taux de décroissance après le « pic » dépend du prix ?<br />Association for the Study of Peak Oil and Gas (ASPO) http://www.peakoil.net/<br />
  8. 8. Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI > Toutes sources<br />8<br />EI = Énergie investie (EnergyInvested ) incluant l’énergie requise pour la mise en œuvre<br />ER = Énergie produite (Energy Return) durant la vie de l’installation<br />Le rapport est le « rendement », EROEI<br />EROEI = 10 seuil de rentabilité selon certains auteurs<br />SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009<br />
  9. 9. Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI > Sources liquides<br />9<br />Variabilité dans le rendement<br />Rendements inférieurs à 10 (seuil de viabilité) sauf pour le pétrole<br />SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009<br />
  10. 10. Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI<br />10<br />Rendement diminue<br />Rendement faible<br />Rendement de 10 minimum<br />SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009<br />
  11. 11. Les enjeux > Disponibilité > Production > Monde<br />11<br />Sources fossiles dominent<br />Importance de la capture et de la séquestration du carbone ?<br />SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009<br />
  12. 12. Les enjeux > Disponibilité > Production (électricité) > Europe<br />12<br />CPG1998=592.7<br />CPG2008=710.7<br />Total1998=1046.3<br />Total2008=1082.1<br />CPG1998=360.5<br />CPG2008=387.9<br />Total1998=1114<br />Total2008=638.1<br />CPG1998=51.4<br />CPG2008=39.7<br />Total1998=297.6<br />Total2008=153.9<br />CPG1998=86.9<br />CPG2008=189.6<br />Total1998=195.4<br />Total2008=313.5<br />42.7 TWh en 2010. <br />PV Status Report 2011, EuropeanCommission, Joint ResearchCentre, Institute for Energy, EUR 24807 EN<br />http://re.jrc.ec.europa.eu/refsys/<br />Le potentiel des énergies solaires au Québec, Diane Bastien et Andreas Athienitis, Université Concordia, Publié par Greenpeace Canada, Septembre 2011. <br />
  13. 13. Les enjeux > Disponibilité > Production > US<br />28/01/2010<br />13<br />Portes Ouvertes<br />(Left) U.S. electricity net generation by all fuels, and (Right) contribution of biomass, wind, geothermal, and solar technologies to the non-hydro renewables wedge .<br />Proceedings of the IPCC SCOPING MEETING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES, Lübeck, Germany, 20 – 25 January, 2008<br />13<br />
  14. 14. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Monde<br />14<br />462 EJ<br />
  15. 15. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec<br />15<br />497 TWh en 2007 ( 1.8 EJ par rapport à 462 EJ dans le monde)<br />Correspond à <br /> 64 MWh/hab = 175 kWh/jr/hab<br />18 MWh/hab moyenne mondiale <br />Électricité (de source hydro) domine au Québec!<br />Contribution de Régis Chenitz<br />
  16. 16. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec<br />16<br />Consommation en MWh pour chaque secteur en fonction des sources<br />En 2007 :<br />électricité (40%),<br />pétrole (38%) <br />gaz (13%) <br />TOTAL 91%<br /> le reste est le charbon (p14)<br />Contribution de Régis Chenitz<br />
  17. 17. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec vs Monde<br />17<br />«Si le gaz naturel remplace le charbon, c’est une bonne nouvelle car il produit moins d’émissions de CO2. Mais attention, il ne doit pas remplacer les sources d’énergie propres qui ne produisent aucune émission», FatihBirol, directeur du Bureau de l’économiste en chef à l’Agence internationale de l'énergie, 21e Congrès mondial de l’énergie, Montréal, Septembre 2010<br />
  18. 18. Les enjeux > Disponibilité > Prévision de demande<br />18<br />IEA World Energy Outlook<br />www.worldenergyoutlook.org<br />La demande énergétique mondiale croit de 45% d’ici à 2030 – une moyenne de 1.6% par an – avec le charbon comptant pour le tiers de l’augmentation globale.<br />1 Gtoe = 42 EJ<br />
  19. 19. Formes d’énergie > Énergie vs puissance<br />19<br /><ul><li>L’énergie, c’est l’eau dans la baignoire qui contient, à un instant donné, une certaine quantité d’eau en L.
  20. 20. La baignoire se rempli d’eau à une « vitesse » donnée par le débit d’eau du robinet en L/s, c’est l’équivalent de la puissance, qui est la variation dans le temps de la quantité d’énergie. C’est la « vitesse » à laquelle on produit ou consomme l’énergie.
  21. 21. L’unité d’énergie est donc le J ou le ou Ws qui se transforme en kWhr. Ou ses multiples kJ (103), MJ (106), GJ(109), TJ (1012), PJ(1015), EJ(1018)
  22. 22. L’unité de puissance est le W ou ses multiples kW (103), MW (106), GW(109), TW (1012), PW(1015)</li></li></ul><li>Formes d’énergie > Conservation<br />20<br />Conservation de l’énergie:<br />Antoine – Laurent de Lavoisier:<br />Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.<br />Dans le présent contexte (au Québec et ailleurs), mesures de conservation = consommer moins (économies d’énergie)<br />Moins de pétrole<br />Moins d’électricité<br />
  23. 23. Formes d’énergie > Mécanique > Cinétique et potentiel<br />21<br />Énergie cinétique de l’eau se transforme en électricité <br />Hydroélectricité<br />Énergie cinétique de l’air se transforme en électricité<br />Éolienne<br />Hydrolienne<br />
  24. 24. Formes d’énergie > Électrique<br />22<br />De manière simpliste:<br />P = V I (W)<br />E = P t (kWh)<br />Forme « intermédiaire ». Le courant est généré par une source.<br />Stockage<br />Dans le réservoir (énergie potentielle de l’eau) <br />Dans les batteries<br />
  25. 25. Formes d’énergie > Chimique<br />23<br />Énergie interne des molécules libérée par les réactions chimiques<br />Combustion<br />Charbon, pétrole, gaz, charbon<br />biocarburants<br />
  26. 26. Formes d’énergie > Thermique<br />24<br />Mesure de l’énergie cinétique des particules dans le système<br />Fonction de distribution<br />Thermodynamique<br />
  27. 27. Formes d’énergie > Nucléaire > Réaction en chaîne<br />25<br />Neutrons engendrent la réaction en chaîne<br />Mais un grande proportion des neutrons sont perdus:<br />Capture<br />Fuite<br />Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982) <br />
  28. 28. Formes d’énergie > Nucléaire > Sections efficaces<br />26<br />Fissile: pouvant être fissionnés par des neutrons de toute énergie<br />Fertile: donne des isotopes fissiles artificiels<br />0n1 + 92U238 -> 94Pu239 + 2 b-<br />0n1 + 90Th232 -> 92U233 + 2 b-<br />b- : n -> p + e− + n-e<br />Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982) <br />
  29. 29. Formes d’énergie > Nucléaire > Produits<br />27<br />Soient 100 fissions, si on appelle y(Ai) le nombre de produits de fission de nombre de masse Ai correspondant à un type particulier de fission, on constate que les points ainsi obtenus se distribuent sur une courbe en « dos de chameau » . On aura bien sûr Sy (Ai) = 200 puisqu'on a considéré 100 fissions.<br />On aura, par exemple:<br />0n1+ 92U235 -> 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n1<br />Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982) <br />http://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_waste<br />
  30. 30. Formes d’énergie > Nucléaire > Produits<br />28<br />Quantité annuelle de combustible irradié produit (Tonnes de métaux lourds)<br />En France, ~80% de l’électricité est d’origine nucléaire (425 TWh / 540 TWh)<br />http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_France<br />Au Canada, 15% de l’électricité est d’origine nucléaire<br />http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/nuclear-energy-and-waste-production/nuclear-energy-and-waste-production-1<br />
  31. 31. Sources d’énergie > Renouvelable vs Durable<br />29<br />Trois Niveaux:<br />Quand c’est consommé, il n’y en a plus et on ne peut plus en faire d’autre<br />Carburants fossiles (Charbon, pétrole, gaz naturel, …)<br />Quand c’est consommé, on peut en faire d’autre ( RENOUVELABLE)<br />Bio-énergie ( bois, maïs, …)<br />La compétition avec les sources de nourriture est un problème!<br />Faire du pétrole à partir du charbon ne compte pas !<br />Quand c’est consommé, il en reste toujours d’autre (ou presque) ( DURABLE)<br />Solaire, éolien, hydrolien, hydro …<br />Nucléaire (fission et fusion)<br />En fait du type 1 mais disponible sur plusieurs milliers d’années<br />
  32. 32. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > PV<br />30<br />L’énergie des photons utilisée directement<br />Efficacité de quelques % à 30%<br />
  33. 33. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > PV<br />31<br />Des panneaux pv intégrés sur les toits et façades des bâtiments au canada ont le potentiel de générer une grande quantité d’électricité. en recouvrant une partie des toits et des façades qui ont un bon potentiel solaire des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels existants au canada, une étude a évalué qu’il serait possible de générer 72 tWh par année, soit 29 % de leur consommation d’électricité. À l’échelle du Québec, cette même étude a estimé que les bâtiments résidentiels avaient le potentiel de générer 11 tWh électriques avec du photovoltaïque intégré aux bâtiments, ce qui correspond à 29 % de leur consommation électrique. Les bâtiments commerciaux et institutionnels ont, quant à eux, un potentiel de production électrique annuelle de 3,8 tWh, soit 11 % de leur consommation. en intégrant des panneaux photovoltaïques aux toits et façades dotés d’un bon ensoleillement des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels, c’est 14,8 tWh d’électricité solaire qui peuvent être produits annuellement au Québec, soit 8 % de la consommation électrique de 2008 .<br />Le potentiel des énergies solaires au Québec, Diane Bastien et Andreas Athienitis, Université Concordia, Publié par Greenpeace Canada, Septembre 2011. <br />
  34. 34. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > Thermique<br />32<br />Nevada Solar One<br />Puissance: 64 MW ( 75 MW max)<br />Énergie: 134 Gw.hre/an ( ~ 1% de la consommation totale ) donc une moyenne de 15.3 MW (24% « efficacité »)<br />SolarTwo Power Tower<br />(Desert du Mojave)<br />
  35. 35. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Passif<br />33<br />http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_solar_building_design<br />http://www.your-solar-energy-home.com/Indirect-gain-solar.html<br />
  36. 36. Sources d’énergie > Renouvelables > Éolien & Hydrolien<br />34<br />A<br />L = v Dt<br />
  37. 37. Sources d’énergie > Renouvelables > Éolien & Hydrolien<br />35<br />.<br />rair = 1.3 kg/m3<br />Vair ~10 m/s<br />reau = 1000 kg/m3<br />Veau ~ 1 m/s<br />Limite de Betz<br />http://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Betz<br />
  38. 38. Sources d’énergie > Renouvelables > Hydro<br />36<br />Pour<br />Le plus fiable des renouvelables<br />Coûts d’opération relativement faible<br />CONTRE<br />Grandeur des réservoirs<br />Effets écologiques<br />
  39. 39. Sources d’énergie > Renouvelables > Nucléaire<br />37<br />CANDU<br />CANadianDeuterium Uranium<br />D2O est le modérateur (et caloporteur)<br />T est généré par capture neutronique (carburant pour la fusion)<br />http://www.scarborough.peo.on.ca/events/20090922-wind/<br />
  40. 40. Consommation > Québec<br />38<br />Électricité (99% hydro) dans tous les secteurs sauf les transports.<br />Essence et diésel (pétrole) seulement dans le transport et agriculture<br />Pas de charbon!!<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  41. 41. Consommation > Résidentiel<br />39<br />Au Québec<br />Électricité domine<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  42. 42. Consommation > Résidentiel<br />40<br />Le chauffage ( locaux + eau ) domine la facture ( 76%)<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  43. 43. Consommation > Résidentiel<br />41<br />GJ/m2<br />Résidences « modernes » plus efficaces<br />Économies pour l’individu<br />Économie d’énergie qui diminue la pression de développement et/ou permet les exportations<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  44. 44. Consommation > Commercial / Industriel<br />42<br />Ici aussi, c’est l’électricité qui domine!<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  45. 45. Consommation > Transport<br />43<br />Dominé par l’essence ( pas d’électricité)<br />La majorité des carburants importés<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  46. 46. Consommation > Transport<br />44<br />Transport routier domine la facture énergétique<br />Parc québécois de ~ 4,500,000 voitures<br />Électrification à la portée du réseau actuel<br />Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008<br />
  47. 47. Consommation > Agriculture<br />45<br />Secteur dominé par les carburants fossiles à 76% du total<br />
  48. 48. Consommation > Prévisions Qc<br />46<br />Augmentation de ~ 1700 en 2005 à ~ 2000 en 2016 ( ~ 17 % )<br />
  49. 49. Consommation > Prévisions<br />47<br />EJ<br />Augmentation de ~350 EJ en 2005 à ~ 530 EJ en 2016 ( ~ 50 % )<br />

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