Cours sur les Energies renouvelables

1. LES ENERGIES
RENOUVELABLES
Dr Marwan JARKAS

2. Plan de l’exposée :
I - Définition de l’énergie renouvelable
II - Différentes types de l’énergie renouvelable
1. Energie éolienne
2. Energie solaire
3. Energie géothermique
4. Energie hydraulique
5. Energie de la biomasse
III - Conclusion

3. Une énergie renouvelable est une source d’énergie qui se renouvelle
assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l’échelle de
l’homme. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels
réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil
(rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique).
Aujourd'hui, on assimile souvent par abus de langage les énergies renouvelables
aux énergies propres.
I -Energie renouvelable ?

4. II – Différentes types de l’énergie renouvelable
Energie solaire
Energie géothermique
Energie de la biomasse
Energie hydraulique
Energie éolienne

5. Energie éolienne
Les éoliennes sont une forme très ancienne d’exploitation du vent.
une importante évolution 1970-2000.
les turbines à axe horizontal les turbines à axe vertical

6. Principe de fonctionnement
Une éolienne est constituée:
• le rotor, avec des pales montées sur
un moyeu ;
• la transmission mécanique, qui
transforme le mouvement de rotation
du rotor en un mouvement utilisable
par la charge ;
• une génératrice électrique, qui
transforme l'énergie mécanique en
énergie électrique ;
•un système d'orientation, qui oriente
la nacelle face au vent ;
• un système électrique, qui gère la
connexion au réseau et le
fonctionnement de l'éolienne

7. 7
conservation de l’énergie mécanique : navire
à voile, pour pomper l’eau, pour faire tourner
la meule d’un moulin.
transformation en énergie électrique : l’éolienne
ou aérogénérateur directement relié au réseau
ou de manière indépendante
Elle peut être utilisée de deux manières :

8. Energie solaire
L’énergie solaire est utilisée sous deux forme:
Chauffe eau Electricité

9. Chauffe eau solaire:
L’énergie solaire est principalement utilisée pour le chauffage de l’eau
sanitaire et le chauffage de bâtiments.
Le principe de fonctionnement:
Le rayonnement solaire est reçu par un
absorbeur qui a son tour chauffe soit un
fluide caloporteur soit l’eau directement.
Un vitrage est placé devant l’absorbeur,
ainsi le rayonnement est « capturé » : en
d’autres termes, c’est l’effet de serre.
N.B. les apports solaires peuvent représenter entre 40 et 60% des besoins de
chauffage et d’eau chaude naturelle.

10. Centrale électrique thermique solaire :
Déjà dans l’antiquité, les Grecs allumaient la flamme des Jeux olympiques à
l’aide d’un miroir parabolique (skafia)
Le principe de fonctionnement:
Des miroirs orientables reflètent le rayonnement solaire et le concentre sur
un réservoir de fluide. Le fluide chauffe et s’évapore entraînant la rotation
d’une turbine et produisant ainsi de l'électricité.

11. Fours solaires
Température qui peut atteindre 3800°C
puissance 1000kW (Pyrénées-Orientales)
Puissance qui peut atteindre
150MW (Californie)
Centrales électriques thermiques solaires (miroirs plans)

12. Centrale électrique photovoltaïques:
Les cellules photovoltaïques sont des
panneaux qui captent le rayonnement
solaire et le convertissent directement
en courant continu.
Découvert par Becquerel en 1839
exploitation industrielle en 1954

13. Le principe de fonctionnement:
contact sur zone P
contact sur zone N
zone dopée P
zone dopée N
absorption des photons
génération des porteurs
semi-conducteur
collecte des
porteurs
I
1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance
d'environ 100 à 200 W.

14. Pour 2010 au Portugal à « Moura » (62MW) mais aussi en Allemagne
(40MW).
En France à la Réunion : 10 000 m² / 1,35MW
En Allemagne, on trouvait une de plus grande centrale
solaire photovoltaïque au monde qui produit 10 MW
un réacteur nucléaire standard produit environ 1500 MW
En Portugal, une centrale produit 11MW avec 52000
panneaux solaires.

15. Energie géothermique
La géothermie consiste à capter la chaleur contenue dans la croûte terrestre
pour produire du chauffage ou de l’électricité.
On caractérise 3 types d'énergie :
1. La géothermie à haute énergie.
2. La géothermie à basse énergie.
3. La géothermie à très basse énergie.
c’est une application suivant la
profondeur, a chaque fois que l’on
descend de 100 m sous terre, on
gagne 2 à 3°C en moyenne

16. La géothermie à haute énergie : la température élevée du gisement (entre
80°C et 300°C) permettant la production d'électricité.
La géothermie à basse énergie : La température de l'eau entre 30°C et 100°C.
Cette technologie est utilisée principalement pour le chauffage urbain collectif
par réseau de chaleur.
La géothermie à très basse énergie : la température est comprise entre 10 °C
et 30 °C. Cette technologie est appliquée au chauffage et la climatisation avec
la pompe à chaleur géothermique

17. Energie hydraulique
L'énergie hydraulique est l’énergie mise en jeu lors du déplacement ou de
l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'eau douce ou l'eau de
mer. Ce déplacement va produire un travail mécanique qui est utilisé
directement ou converti sous forme d'électricité.
Hydrolienne
Marémotrice
Barrage

18. Hydrolienne
Les sortes d’ hydroliennes anglais de
SeaGen ont une capacité de 1,2MW
Les courants marins représentent une énergie fabuleuse qui contrairement aux
vents sont constants et prévisibles
Un projet à la côte nord du Portugal a
une capacité totale de 2,25 MW
A partir de 2010, EDF mettra à l'eau la
première turbine expérimental
hydrolienne de 4 à 6MW.

19. Marémotrice:
Les 24 turbines de l’usine marémotrice de la
Rance-France produisent environ 500 GWh/an
L’usine marémotrice de la Rance est une centrale
électrique tirant son énergie de la force de la marée.

20. Barrages hydrauliques:
1/5 des besoins en énergie totaux de la terre sont couvert par l'énergie
hydraulique. Elle est produite dans le monde entier par environ 45.000
barrages.
La construction en Chine de la plus grande centrale électrique au monde. La
Barrage des Trois Gorges qui produira environ 18'200 mégawatts.

21. Les centrales de basse chute :
moins de 40m avec un débit
important. Elles produisent
sans interruption
Les différents types de centrales
Les centrales de moyenne chute :
30 à 300 m, elles utilisent les réserves
d'eau accumulées sur des courtes
périodes
Les centrales de haute chute : chutes
supérieur à 300 m Leur rapidité de
démarrage permet de répondre aux
consommations,

22. Energie de la biomasse
Dans le domaine de l’énergie , le terme de biomasse regroupe l'ensemble des
matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie.
Comprend trois familles principales :
Les bois énergie ou
biomasse solide
Le biogaz ou La
méthanisation
Les biocarburants

23. Les bois énergie ou biomasse solide:
1 mètre cube, pour un contenu
énergétique de 1 500 à 2 000 kWh.
Les granules de bois sont le
combustible au rendement le plus
élevé de la gamme (Viessmann)
Le bois peut être considéré comme une énergie
renouvelable tant que le volume prélevé ne
dépasse pas l’accroissement naturel de la forêt.

24. Les biocarburants:
Un biocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques
Les trois principales catégories sont :
Huile végétale carburant
Bioéthanol

25. Huile de palme
Huile de tournesol
Huile de colza
etc…
Le recyclage des huiles de friture et d'autres
résidus gras
Huile végétale carburant:
Dès 1891, Rudolph Diesel, convaincu que l'huile végétale est utilisable au
même titre que le pétrole et le charbon.
Peut être mélanger avec le diesel.

26. Fabriquer à partir du saccharose (betterave, canne a sucre… ) ou de l’amidon (blé,
mais…) par fermentation.
Bioéthanol:

27. Biogaz ou Méthanisation:
La méthanisation est un procédé biologique de transformation de la
matière organique en biogaz, par l’action de bactéries en absence de
l’oxygène: on parle de «digestion anaérobie».

28. Matières premières:
• Déchets organiques des communes: les poubelles des ménages
• Déchets organiques industriels: agro-alimentaire, abattoirs…
• Déchets agricoles: lisier, fumier et les résidus de récolte…
• Sous-produits de processus industriels: glycérine…
La matière restante est utilisée comme des Amendements organiques
pour l’agriculture.
1 tonne de
…
m3 de
biogaz
Equivalent
en litre de
fioul
KWh
électrique
Lisier 16 11 30
Fumier 60 35 100
Paille 220 120 350
Graisse 450 350 1000

29. Conclusion
Les énergies renouvelables nous proposent de multiples façons de
produire de l'énergie. Elles donnent aussi plusieurs avantages :
• Plus les sources sont variées, plus l'indépendance énergétique est assurée.
• Décentralisation qui privilégie des petites unités de production locales.
• Facilité d’installer, d’utiliser et de combiner plusieurs sources en même temps.
• Pas d'émission de CO2 Pour les plus parts des méthodes.
• Coût au kWh fixe, faible et stable.
• L'investissement et le rendement sont prévisibles à long terme.

30. Il ne faut oublier que Les énergies renouvelables comportent plusieurs
inconvénients:
• Investissement important.
• L’installation doit s'intégrer dans l'environnement.
• Variabilité de la production de l'éolien qui dépend d'un vent aléatoire.
• Projets de longue durée.
• Le stockage de l'électricité.
Il ne faut pas oublier qu’il faut commencer par l’optimisation des
consommations, ceci se réalise par une conception architecturale
bioclimatique accompagnée par des équipements ménagers économes.
Une fois les consommations diminuées (mais pas le confort), on peut
envisager d’investir dans des systèmes de production d’énergie

31. LES ENERGIES
RENOUVELABLES
Dr Marwan JARKAS

32. •
•
•
•
•
L'énergie éolienne
Introduction
1.
Présentation des éoliennes
2.
Histoire des éoliennes
1.
Principe de l'aérogénérateur
2.
Les composantes de l'aérogénérateur
3.
Les différents aérogénérateurs
4.
La production d'électricité
3.
La puissance nominale
1.
L'énergie annuelle réellement délivrée
2.
Hypothèse de production éolienne
4.
Puissance délivrée
1.
Les sites exploitables en France
2.
Hypothèse d'équipement éolien
3.
Puissance électrique productible
4.
Le débat environnemental
5.
La dégradation du paysage
1.
Les nuisances sonores
2.
Les problèmes ornithologiques
3.
Les groupes d'opposition
4.
Une solution : l'éolien offshore
6.
Présentation
1.
Des problèmes politiques
2.
Une autre solution : le petit éolien
7.
Présentation
1.
Etude de cas : éolienne d'une entreprise
2.
Estimation de consommation
1.
Etude du vent
2.
Présentation de l'installation
3.
Schéma de principe
4.
Conclusion
8.
Source - Bibliographie
9.
Remarque : les mots en rouge possèdent une info-bulle. Laissez votre souris au-dessus du mot pour avoir
une définition.

33. I. Introduction
Quel avenir pour l'énergie éolienne ?
Problématique : quelle proportion de l'énergie électrique consommée en France peut-on espérer produire
grâce à l'énergie éolienne ?
Pour répondre à la problématique, nous allons évaluer la proportion maximale d'énergie électrique qui
pourrait être produite par des éoliennes sur le territoire français exploitable.
Pour cela nous allons d'abord présenter les éoliennes, puis expliquer les facteurs qui déterminent la
puissance d'un aérogénérateur. Nous évaluerons la surface exploitable en France, à partir de laquelle
nous pourrons calculer la proportion d'énergie productible. Nous parlerons ensuite des opposants aux
éoliennes et présenterons les solutions du offshore et du petit éolien. Finalement, nous apporterons
une réponse à notre problématique.
II. Présentation des éoliennes
1. Histoire des éoliennes
Ce sont les pécheurs qui furent les premiers à utiliser l'énergie de vent afin de déplacer leurs
embarcations sur les mers. Au Vème siècle Av JC, les Perses se servaient des éoliennes pour irriguer
leurs champs (roues à aube). Il faut attendre le VIIème siècle pour voir apparaître des moulins à vent
pour moudre le blé. La production d'électricité à partir d'éoliennes est apparue dans le milieu des
années 1970 suite au premier choc pétrolier. Ce type d'éolienne est appelé aérogénérateur.
2. Principe de l'aérogénérateur
L'aérogénérateur utilise l'énergie cinétique du vent pour entraîner l'arbre de son rotor : cette énergie
cinétique est convertie en énergie mécanique qui est elle-même transformée en énergie électrique
par une génératrice électromagnétique solidaire au rotor. L'électricité peut être envoyée dans le réseau
de distribution, stockée dans des accumulateurs ou être utilisée par des charges isolées.
Principe de l'aérogénérateur

34. 3. Les composantes de l'aérogénérateur
Les composantes de l'aérogénérateur
Les pales : ce sont les capteurs de l'énergie cinétique qui transmettent l'énergie au rotor. Elles
sont en fibres de verre et matériaux composites. Leur profil est le fruit d'études aérodynamiques
complexes.
1.
Le moyeu : il est pourvu d'un système qui permet d'orienter les pales pour réguler la vitesse de
rotation.
2.
L'arbre primaire (ou arbre lent) : il relie les pales au multiplicateur.
3.
Le multiplicateur : il permet de réduire le couple et d'augmenter la vitesse. C'est l'intermédiaire
entre l'arbre primaire et l'arbre secondaire.
4.
L'arbre secondaire : il amène l'énergie mécanique à la génératrice. Il est équipé d'un frein à
disque mécanique qui limite la vitesse de l'arbre en cas de vents violents.
5.
Le générateur électrique : il assure la production électrique. Sa puissance peut atteindre jusqu'à
5 MW. Il peut-être une dynamo (produit du courant continu) ou un alternateur (produit du courant
alternatif). L'alternateur est le plus utilisé pour des raisons de coût et de rendement.
6.
Le mât : c'est un tube en acier, pilier de toute l'infrastructure. Sa hauteur est importante : plus
elle augmente, plus la vitesse du vent augmente mais en même temps le coût de la structure
augmente. En général, le mat a une taille légèrement supérieure au diamètre des pales.
7.
Le système d'orientation de la nacelle : c'est une couronne dentée équipée d'un moteur qui
permet d'orienter l'éolienne et de la verrouiller dans l'axe du vent grâce à un frein.
8.
Le système de refroidissement : il est à air, à eau ou à huile et destiné au multiplicateur et à la
génératrice.
9.
Les outils de mesure du vent : girouette pour la direction et anémomètres pour la vitesse. Les
données sont transmises à l'informatique de commande.
10.
Le système de contrôle électronique : il gère le fonctionnement général de l'éolienne et de son
mécanisme d'orientation.
11.
Au pied du mât se trouve un transformateur.
12.
4. Les différents aérogénérateurs
Axe vertical : tout le dispositif de conversion de l'énergie est au pied de l'éolienne ce qui facilite les
opérations de maintenance. Il n'est pas nécessaire d'utiliser un dispositif d'orientation du rotor.

35. Eoliennes à axe vertical : rotor de Darrieus (gauche) et rotor de Savonius (droite)
Cependant les vents sont faibles à proximité du sol donc les rendements sont moins bons. Aussi, le
rotor de Darrieus doit être entraîné au démarrage et le mât subit de fortes contraintes mécaniques.
Ainsi, de nos jours, les constructeurs privilégient les éoliennes à axe horizontal.
Axe horizontal : elles sont basées sur le principe des moulins à vent. Elles comportent généralement 3
pales pour des questions de performance et de contraintes sur la machine. Il existe deux catégories :
- éolienne amont ou hélice au vent : le vent souffle sur le devant des pales en direction de la nacelle.
Les pales sont rigides et le rotor est orienté selon la direction du vent.

36. - éolienne avale ou hélice sous le vent : le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle.
Le rotor est flexible, auto orientable.
III. La production d'électricité
1. La puissance nominale
La puissance récupérable par un aérogénérateur est fonction du carré du diamètre des pales et du
cube de la vitesse du vent. La puissance nominale d'une éolienne est calculée dans des conditions
optimales de fonctionnement, c'est-à-dire pour un vent d'une vitesse de 12m/s. La puissance est
exprimée en Watts.
On a donc la formule suivante :
Pnominale = 1/8×rho×pi×Cp×d²×v³
Avec : rho : masse volumique de l'air (= 1.225kg/m³ à 15°C et 1013 bar)
Cp : coefficient de performance, sans unité (0 inférieur à Cp inférieur à 1). Un coefficient de performance
correct se situe entre 0.3 et 0.5.
d : diamètre du rotor (en m)
v : vitesse du vent (en m/s)
Exemple : pour une éolienne de 70 mètres de diamètre, la puissance nominale sera :
1/8×1.225×pi×0.4×70²×12³ = 1 629 250W soit environ 1500kW.
2. L'énergie annuelle réellement délivrée
On peut penser que pour connaître l'énergie produite en un an par une éolienne, il faut multiplier sa
puissance nominale par 8760 (365×24 : nombre d'heures en une année). Or une éolienne a une

37. production variable au cours du temps. Sur un site suffisamment venté, la production annuelle d'une
éolienne est d'environ 30% l'énergie maximale qu'elle pourrait produire. En France, comme en
Allemagne, on utilise la notion d'heures pleines puissances (HPP) qui est égale à 30%×8760 soit
2600heures. L'énergie est exprimée en Wh.
Exemple : pour la même éolienne, l'énergie délivrée en un an est de 2600×1500 soit environ 4 000 000
000kWh (4×10^9kWh).
IV. Hypothèse de production éolienne
1. Puissance délivrée
La puissance délivrée par une éolienne en fonction de la vitesse du vent a l'allure suivante :
Courbe de la puissance délivrée par une éolienne en fonction de la vitesse du vent
L'énergie fournie par une éolienne est fortement variable au cours du temps. En effet, une éolienne ne
délivre sa puissance nominale que dans une fourchette de vitesses du vent très restreinte.
Pour une vitesse du vent de 3 à 7 m.s-1, les pales démarrent leur rotation : on dit que c'est la vitesse
d'accrochage.
De 7 à 12 m.s-1, la puissance délivrée augmente rapidement.
Entre 12 et 25 m.s-1, la vitesse de rotation des pales est freinée (par inclinaison des pales au niveau du
moyeu) afin d'éviter à la machine de trop fortes contraintes mécaniques : l'énergie délivrée est alors
maximale.
Au-delà de 25m.s-1, l'éolienne est arrêtée. C'est la vitesse de décrochage.
2. Les sites exploitables en France
Nous sommes partis de la carte des zones de vitesses du vent, telle que l'on peut la voir sur le site
Internet de l'Ademe :

38. La vitesse du vent en France. Source : ADEME
En utilisant un logiciel SIG (Système d'Information Géographique) nous avons réussi à calculer les
surfaces de chaque zone de vitesse du vent, et à superposer d'autres données utiles pour se repérer
(limites départementales, position des villes principales).
Nous avons ainsi obtenu la carte suivante :

39. Carte SIG de la vitesse du vent en France
3. Hypothèse d'équipement éolien
A partir de cette carte et du calcul de la surface de chaque zone, nous avons fait une hypothèse
d'installation d'une éolienne de 1,5 MW tous les 10 km2 (c'est-à-dire une éolienne tous les 1000 ha) et
ce, uniquement dans les zones où la vitesse moyenne du vent est supérieure à 7 m.s-1, en violet,
rouge et jaune sur la carte ci-dessus.
Il en résulte, d'après cette hypothèse, une puissance installée théorique :
PuissanceMW = (Surfacekm2 / 10) × 1.5
Puis, compte tenu d'une durée d'utilisation annuelle de l'ordre de 2600 HPP par an, nous avons pu
calculer une énergie théorique annuelle :
Energie = Puissance × 2600
4. Puissance électrique productible
Ces hypothèses et calculs sont présentés dans le tableau suivant :
Selon nos hypothèses, on arrive ainsi à 77000 GWh de production électrique éolienne, ce qui
représente environ 15% des 516 000 GWh de consommation électrique annuelle française.
Même dans le meilleur cas possible, l'énergie éolienne ne peut produire qu'une faible part de la
consommation électrique d'un pays. Et cela sans prendre en compte les contraintes environnementales
que pose l'implantation d'un parc éolien.
V. Le débat environnemental
1. La dégradation du paysage
Les dimensions des éoliennes (qui peuvent atteindre plus de 100 mètres de hauteur) et leur mouvement
en font des équipements "hors norme". C'est pourquoi il convient de réfléchir à l'impact paysager
que peuvent engendrer les aérogénérateurs avant de décider de la construction d'un parc. Il serait
raisonnable d'éviter l'implantation d'un parc dans les zones naturelles remarquables, sensibles et
protégées.
De plus, lors de la construction d'un parc, le passage des convois exceptionnels acheminant les machines
entraîne souvent des ouvertures de pistes ou des élargissements de chemins (6 m en moyenne) avec
des rayons de giration très importants. Le grutage des éoliennes nécessite la création de plate-formes
(jusqu'à plusieurs centaines de mètres carrés par machine). Ces travaux connexes peuvent générer des
impacts paysagers très prégnants et difficiles à cicatriser.

40. Enfin, des craintes existent quant à la dépréciation du foncier et de l'immobilier à proximité des parcs
éoliens. Cependant, certaines études montrent que l'éolien n'a que peu d'influence sur les cours de
l'immobilier.
Simulation de l'impact d'un parc éolien sur le paysage
2. Les nuisances sonores
Le bruit que génèrent les éoliennes peut être d'origine mécanique (rotation du rotor et fonctionnement
de la génératrice) ou d'origine aérodynamique (lorsque les pales «fendent» l'air). Les éoliennes
installées actuellement produisent un bruit de 55 dBA à leur pied.

41. Evolution du nombre de dB(A) en fonction de la distance par rapport à l'aérogénérateur
Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact
sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat,
cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA
le jour et 3 dBA la nuit).
La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m. À environ 500 m, elles
sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.
3. Les problèmes ornithologiques
Les impacts des parcs éoliens sur la biodiversité touchent principalement les oiseaux et les chauves-
souris. Ils sont de trois types - mortalité, dérangement, perte d'habitat - et varient en fonction des
espèces, des saisons, des milieux, de la taille des parcs éoliens...
S'ils sont relativement faible par rapport à ceux d'autres activités humaines (agriculture intensive,
collision avec les vitres d'immeubles allumés la nuit, avec les voitures ou les fils électriques, prédation des
chats domestiques, chasse...) ils constituent néanmoins des risques supplémentaires qu'il convient de
connaître afin de pouvoir les réduire.
La mortalité varie de 0 à 40 oiseaux et chauves-souris par éolienne et par an.
Lors de la migration, la présence d'éoliennes sur une voie migratoire entraîne généralement des
réactions d'évitement, augmentant d'autant la difficulté du périple.
Pour certaines espèces, la présence de nombreuses éoliennes entraîne une désertion totale de la zone,
comme c'est le cas pour le vanneau huppé sur un site allemand.
4. Les groupes d'opposition
Pour toutes ces raisons, de nombreux opposants à l'implantation des éoliennes se regroupent en
associations pour manifester contre les promoteurs.
Une cinquantaine de ces associations se sont regroupées au sein de la Fédération Environnement
Durable (FED). Cette structure, entend « dénoncer les nuisances et lutter contre les méthodes pour
implanter l'éolien industriel en France ». Elle considère l'éolien comme une solution aux « capacités
techniques réduites, qui entraîne des coûts élevés, crée des nuisances pour la santé, atteint la nature,
perturbe la faune, détruit les paysages et le patrimoine de notre pays ».
Ces contraintes amènent à réfléchir à différentes solutions pour l'implantation des aérogénérateurs.

42. VI. Une solution : l'éolien offshore
1. Présentation
Le « offshore » consiste à implanter les aérogénérateurs en mer, à proximité des côtes. Ainsi, l'impact
sur le paysage est modéré et il n'y a plus de nuisance sonore.
Cependant, l'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être
étudiés pour résister à la force des vagues et du courant, la protection contre la corrosion
(particulièrement importante du fait des embruns) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des
engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et
la moindre opération de maintenance peut nécessiter de gros moyens.
En revanche, les éoliennes « offshore » bénéficient d'un vent plus fort et plus régulier. Leur puissance
nominale est donc plus importante ainsi que leurs rendements.
Les caractéristiques de l'éolien « offshore » :
Puissance : peut dépasser 5 MW
•
Dimensions :
•
Les pales : jusqu'à 115m de diamètre
◦
Le mât : jusqu'à 120m de hauteur
◦
Parc éolien offshore au large du Danemark
2. Des problèmes politiques
En 2004, le gouvernement français avait lancé un appel à projets pour des parcs éoliens en mer avec un
objectif de puissance entre 500 et 1500MW. Une douzaine de propositions avait été déposées par des
entreprises spécialisées.
Après plus d'un an de silence, le ministère de l'Industrie avait fait connaître sa décision : un seul et
unique projet retenu, pour une puissance totale de 105MW.
Raison invoquée : les autres projets seraient trop coûteux. Pour les promoteurs du projet, l'argument ne

43. tient pas : invoquer un surcoût à l'éolien « offshore » n'est pas raisonnable : combien ont coûté les
premiers KWh hydrauliques ou nucléaires ? Il s'agit d'un surcoût normal, lié à l'innovation et à
l'apprentissage qui mérite d'être comparé aux 10 milliards d'€ du projet ITER.
VII. Une autre solution : le petit éolien
1. Présentation
Les petites éoliennes ont une petite taille qui rend possible leur installation chez un particulier. S'il
possède un terrain bien exposé à des vents réguliers et suffisamment forts, il pourra obtenir une
énergie électrique allant de quelques W à une vingtaine de kW de puissance selon le modèle. Sur un
site venté, une éolienne de 3m de diamètre placée à 12m de hauteur suffit à couvrir les besoins d'un
foyer. Les particuliers peuvent bénéficier d'un crédit d'impôt de 40% et d'une TVA à taux réduit (5.5%)
lors de la construction.
Ils peuvent revendre l'électricité produite au réseau EDF à 0.082 € le kWh.
Les caractéristiques du « petit éolien » :
Puissance : elle varie de 100W à 20 KW.
•
Dimensions :
•
Les pales : de 1m à 10m
◦
Le mât :
◦
de 2m à 12m : pas de permis de construire
■
de 12m à 30m : un permis de construire est obligatoire
■
Prix : varie de 800 € à 30 000 € pour le matériel, auxquels il faut ajouter l'installation.
•
Maintenance : il faut prévoir annuellement un budget de maintenance égal à 5 à 10% du prix de la
machine.
•
2. Etude de cas : éolienne d'une entreprise
Un entrepreneur de la région de l'Isère a fait installer une éolienne afin de fournir à son entreprise
l'énergie électrique nécessaire. En effet l'entreprise n'est pas desservie par le réseau EDF car située
en-dehors d'une agglomération.
Au préalable, son installateur, la Société Surtec (Isère), a pris soin d'évaluer sa consommation
électrique et d'étudier les vents de la région.
a. Estimation de consommation

44. b. Etude du vent
Cette étude est réalisée par Météo France pour la station météo la plus proche située à l'aéroport de
Grenoble (Isère).
Rose des vents de la région Grenobloise. Source : Météofrance
Le Nord se situe à 0° (ou 360°).
La couleur bleue indique une vitesse de vent entre 1,5 et 4,5 m.s-1
La couleur verte indique une vitesse de vent entre 4,5 et 8,0 m.s-1
La couleur rouge indique une vitesse de vent supérieure à 8,0 m.s-1
On remarque que les vents dominants viennent principalement de l'Ouest, mais aussi du Sud (où les
vents sont les plus violents : voir la frange rouge) et dans une moindre mesure du Nord-Est.
c. Présentation de l'installation
Suite à ces études préalables, La société Surtec a orienté cette entreprise vers une éolienne de 5500W
(marque Travere, fabriquée dans le Var). Sa hauteur est de 12m ce qui évite de déposer un permis de
construire. Son rotor a un diamètre de 6m. Elle a une vitesse d'accrochage de 2,7 m.s-1.

45. Fiche descriptive de l'éolienne. Source : Travere

46. d. Schéma de principe
Schéma de principe du fonctionnement de l'éolienne
Cette petite éolienne permet à l'entreprise de faire fonctionner tous ses appareils électriques et montre
que le « petit éolien » est une solution efficace pour produire son électricité dans des sites qui ne
sont pas raccordés au réseau ou bien pour produire son énergie proprement.
VIII. Conclusion
L'énergie éolienne ne peut pas produire suffisamment d'électricité pour couvrir toute la
consommation électrique d'un pays : dans le cas de la France, on arrive à une proportion maximale
d'environ 15%.
De plus, l'implantation d'un parc éolien engendre certaines contraintes d'ordre environnemental :
principalement dégradation du paysage, pollution sonore et danger pour les oiseaux. C'est pourquoi de
nombreuses personnes se regroupent en associations afin de manifester contre l'implantation des
éoliennes.

47. Cependant, des solutions existent : l'éolien en mer permet d'éviterde nombreuses contraintes (la
pollution sonore ne se ressent plus ; la dégradation du paysage est limitée). Mais l'investissement est
beaucoup plus important ; les politiques et les investisseurs ne sont pas encore prêts à l'accepter.
Le « petit éolien » constitue, quant à lui, une solution intéressante : il permet de produire de
l'électricité d'une manière accessible aux entreprises et aux particuliers.
Ces différentes solutions seront indispensables à mettre en oeuvre en complémentarité avec d'autres
sources d'énergie renouvelable (solaire, biomasse...), afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre
et de limiter notre dépendance vis-à-vis de l'énergie nucléaire.
IX. Source - Bibliographie
Livre : « Guide des énergies vertes pour la maison », Patrick Piro, éd. Terre vivante, L'écologie
pratique,2006.
Revue : « La maison écologique », dédiée à la pratique de l'habitat écologique par les particuliers.
Sites Internet :
www.ademe.fr/ : site de l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie.
•
http://fr.wikipedia.org/ : encyclopédie en ligne.
•
http://www.photeus.info/ : site dédié aux énergies renouvelables.
•
http://www.espace-eolien.fr : site d'un bureau d'étude spécialisé en énergie éolienne.
•
http://www.membres.lycos.fr/tipemaster/TIPE/Eole/Eole.html : présente une étude consacrée à
l'énergie éolienne.
•
http://www.manicore.com/ : données chiffrées sur les énergies renouvelables.
•
http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/FR/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/eolien.ht
informations sur la technologie des aérogénérateurs.
•
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48. Comment exploiter l’énergie solaire ? Comment fonctionne une installation photovoltaïque ?
Principe de l’énergie solaire photovoltaïque : transformer le rayonnement solaire en électricité
à l’aide d’une cellule photovoltaïque.
I-/ LES DIFFERENTES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES
1-/ Les installations sur site isolé
Ce type de montage est adapté aux installations ne pouvant être raccordées au réseau.
L’énergie produite doit être directement consommée et/ou stockée dans des accumulateurs
pour permettre de répondre à la totalité des besoins.
Terminale Bac Pro
L’ENERGIE SOLAIRE
PHOTOVOLTAÏQUE
NOM :
DATE :
Rayonnement
solaire
Electricité
Panneaux solaires
photovoltaïques
Panneaux
photovoltaïques
Batteries
Onduleur
Régulateur
1 / 12

49. Les panneaux photovoltaïques produisent un courant électrique continu.
Le régulateur optimise la charge et la décharge de la batterie suivant sa capacité et assure sa
protection.
L’onduleur transforme le courant continu en alternatif pour alimenter les récepteur AC.
Les batteries sont chargées de jour pour pouvoir alimenter la nuit ou les jours de mauvais
temps.
Des récepteurs DC spécifiques sont utilisables. Ces appareils sont particulièrement économes.
Exemples d’utilisation :
2-/ Les installations raccordée au réseau de distribution public
a-/ Solution avec injection totale
Toute l’énergie électrique produite par les capteurs photovoltaïques est envoyée pour être
revendue sur le réseau de distribution.
Cette solution est réalisée avec le raccordement au réseau public en deux points :
- le raccordement du consommateur qui reste identique avec son compteur de
consommation (on ne peut pas utiliser sa propre production),
- le nouveau branchement permettant d’injecter l’intégralité de la production dans le
réseau, dispose de deux compteurs :
o l’un pour la production,
o l’autre pour la non-consommation (permet de vérifier qu’aucun soutirage
frauduleux n’est réalisé).
Eclairage public Chalet isolé Horodateur
2 / 12

50. En bleu : énergie électrique continue (DC).
En rouge : énergie électrique alternative (AC).
b-/ Solution avec injection de surplus
Cette solution est réalisée avec le raccordement au réseau public en un point : l’utilisateur
consomme l’énergie qu’il produit avec le système solaire et l’excédent est injecté dans le
réseau.
Quand la production photovoltaïque est insuffisante, le réseau fournit l’énergie nécessaire.
Un seul compteur supplémentaire est ajouté au compteur existant.
NF C 14-100
NF C 15-100
UTE C 15-712
Panneaux photovoltaïques
Coffret de protection
Onduleur
Utilisation
Compteur
(production)
Compteur
(non-consommation)
AGCP
AGCP
Réseau BT
Réseau BT
Compteur (consommation)
3 / 12

51. En bleu : énergie électrique continue (DC).
En rouge : énergie électrique alternative (AC).
Exemples d’utilisation :
II-/ TECHNOLOGIE
1-/ Cellule photovoltaïque
L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Becquerel. Un
panneau solaire fonctionne par l’effet photovoltaïque c'est-à-dire par la création d'une force
électromotrice liée à l'absorption d'énergie lumineuse dans un solide.
Toit solaire particulier Abri solaire de parking
Panneaux photovoltaïques
Coffret de protection
Compteur
(production
en surplus)
NF C 15-100 NF C 14-100
Compteur
(consommation)
UTE C 15-712
Onduleur
Utilisation
Réseau BT
AGCP
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52. C’est le seul moyen connu actuellement pour convertir directement la lumière en électricité.
La cellule photovoltaïque constitue l’élément de base des panneaux solaires photovoltaïques.
Il s’agit d’un dispositif semi-conducteur à base de silicium délivrant une tension de l’ordre de
0,5 à 0,6 V.
La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de deux couches de silicium (matériau semi-
conducteur) :
- une couche dopée avec du bore qui possède moins d'électrons que le silicium, cette
zone est donc dopée positivement (zone P),
- une couche dopée avec du phosphore qui possède plus d'électrons que le silicium,
cette zone est donc dopée négativement (zone N).
Lorsqu'un photon de la lumière arrive, son énergie crée une rupture entre un atome de silicium
et un électron, modifiant les charges électriques. Les atomes, chargés positivement, vont alors
dans la zone P et les électrons, chargés négativement, dans la zone N. Une différence de
potentiel électrique, c'est-à-dire une tension électrique, est ainsi créée. C'est ce qu'on appelle
l'effet photovoltaïque
A la surface, le contact électrique (électrode négative) est établi par la grille afin de permettre
à la lumière du soleil de passer à travers les contacts et de pénétrer dans le silicium.
Courant
continu
+
-
U  0,5 V à 0,6 V
5 / 12

53. Les cellules solaires sont recouvertes d’une couche antireflet qui protège la cellule et réduit
les pertes par réflexion. C’est une couche qui donne aux cellules solaires leur aspect bleu
foncé.
2-/ Module solaire ou photovoltaïque
a-/ Association des cellules en série
Les caractéristiques électriques d’une seule cellule sont généralement insuffisantes pour
alimenter les équipements électriques. Il faut associer les cellules en série pour obtenir un
tension plus importante : le module solaire ou panneau photovoltaïque.
Un panneau photovoltaïque est un assemblage en série de cellules permettant d'obtenir une
tension de 12 volts.
La puissance d'un panneau solaire est fonction de sa surface, c'est à dire du nombre de cellules
photovoltaïques.
Un panneau constitué de 24 cellules photovoltaïques va donc délivrer une tension U de 12 V,
et cela quel que soit l’ensoleillement.
Mais pour faire fonctionner des appareils électriques, c’est l’intensité I du panneau, variant en
fonction de l’ensoleillement, qui va déterminer l’énergie électrique.
U  nombre de
cellules  0,5 V
I = I1 = I2 = I3 = I4
Exemple : 6 cellules placées sur 3 rangées
constituent un module solaire de 18 cellules en
série. La tension fournie par ce module est de
18  0,5 = 9 V.
6 / 12

54. Définition du watt crête : la puissance crête d’une installation photovoltaïque est la puissance
maximale délivrée par un module dans les conditions optimales (orientation, inclinaison,
ensoleillement,…). Elle s’exprime en Watt crête (Wc).
En première approximation, on estime qu’un module de 1 m2
produit 100 Wc.
b-/ Diodes « by-pass »
La mise en série des cellules peut être dangereuse lorsque l’une d’entre elles se retrouve à
l’ombre. Elle va s’échauffer et risque de se détruire.
En effet, une cellule "masquée" voit l'intensité qui la traverse diminuer. De ce fait, elle bloque
la circulation de l'intensité "normale" produite par les autres modules. La tension aux bornes
de cette cellule "masquée" augmente, d’où apparition d’une surchauffe.
C'est l'effet d'autopolarisation inverse. Une telle cellule est appelée "Hot spot".
Pour supprimer ce problème et protéger la cellule « masquée », on place des diodes « by-
pass » en anti-parallèles sur 18 ou 24 cellules de façon à court-circuiter les cellules ombrées.
Un panneau solaire dispose d'une à trois diodes by-pass, en fonction de son nombre de
cellules (en moyenne 36 cellules pour 3 diodes bypass). En cas de masque :
- 1 diode : 100 % du module est en by-pass,
- 2 diodes : 50 % du module est en by-pass,
- 3 diodes : 33 % du module est en by-pass.
Exemple :
Au niveau de la 2ème
rangée, le courant passe par la diode by-pass pour cause d’ombrage.
7 / 12

55. 3-/ Constitution d’un champ photovoltaïque
Afin d’obtenir la tension nécessaire à l’onduleur, les panneaux sont connectés en série. Ils
forment alors une chaîne de modules ou string.
Les chaînes sont ensuite associée en parallèle et forment un champ photovoltaïque (champ
PV).
Il faut également installer des diodes ou des fusibles en série sur chaque chaîne de modules.
Ces protections sont utiles pour éviter qu’en cas d’ombre sur une chaîne, elle se comporte
comme un récepteur et que le courant y circule en sens inverse et l’endommage.
4-/ Onduleur
L’onduleur permet de convertir le courant continu produit par les panneaux photovoltaïques
en courant alternatif identique à celui du réseau électrique.
Il calcule en permanence le point de fonctionnement (tension-courant) qui produit la
puissance maximale à injecter au réseau : c’est la MPPT (Maximum Power Point Tracker). Ce
fonctionnement dépend de l’ensoleillement et de la température.
1 string
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56. Un onduleur possède un rendement supérieur à 94 %. Son remplacement est à prévoir tous les
10 ans environ.
Critères de choix :
En entrée :
- la puissance maximale,
- la tension maximale,
- la plage de tension d’entrée,
- le nombre maximal de string raccordables.
En sortie :
- la puissance maximale et la puissance nominale,
- la tension nominale et la fréquence nominale
- le rendement.
5-/ Technologie de capteurs
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules
photovoltaïques. Il doit être purifié afin d’obtenir un silicium de qualité photovoltaïque.
Il se présente alors sous la forme de barres de section ronde ou carrée appelée lingots.
Les lingots sont ensuite découpés en wafers : fines plaques de quelques centaines de microns
d’épaisseur. Ils sont ensuite enrichis en éléments dopants pour obtenir du silicium semi-
conducteur de type P ou N.
Des rubans de métal sont alors incrustés en surface et raccordés à des contacts pour constituer
des cellules photovoltaïques.
Les cellules les plus utilisées pour la production d’électricité sont les cellules silicium
polycristallin grâce à leur bon rapport qualité-prix.
Les constructeurs garantissent une durée de vie de 20 à 25 ans à 80 % de la puissance
nominale.
Remarque : on estime qu’une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans pour
produire l’énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.
9 / 12

57. Fabrication des panneaux photovoltaïques à cellules cristallines
10 / 12

58. Comparaison des trois principales technologies de capteurs :
Technologie Monocristallin Polychristallin Amorphe
Cellule et module
Caractéristiques
 Très bon rendement :
14 à 20 %.
 Durée de vie :
importante (30 ans)
 Coût de fabrication :
élevé.
 Puissance :
100 à 150 Wc/m2
.
7 m2
/kWc.
 Rendement faible sous
un faible éclairement.
 perte de rendement avec
l’élévation de la
température.
 Fabrication : élaborés à
partir d’un bloc de
silicium fondu qui s’est
solidifié en formant un
seul cristal
 Couleur bleue uniforme.
 Bon rendement :
11 à 15 %.
 Durée de vie :
importante (30 ans)
 Coût de fabrication :
meilleur marché que les
panneaux monocristallins
 Puissance :
100 Wc/m2
.
8 m2
/kWc.
 Rendement faible sous
un faible éclairement.
 perte de rendement avec
l’élévation de la
température.
 Fabrication : élaborés à
partir de silicium de
qualité électronique qui en
se refroidissant forme
plusieurs cristaux.
 Ces cellules sont bleues,
mais non uniforme : on
distingue des motifs créés
par les différents cristaux.
 Rendement faible :
5 à 9 %.
 Durée de vie :
assez importante (20 ans)
 Coût de fabrication :
peu onéreux par rapport
aux autres technologies
 Puissance :
50 Wc/m2
.
16 m2
/kWc.
 Fonctionnement correct
avec un éclairement
faible.
 Peu sensible aux
températures élevées.
 Utilisables en panneaux
souples.
 Surface de panneaux
plus importante que pour
les autres panneaux au
silicium.
 Rendement faible en
plein soleil.
 Performances diminuant
avec le temps.
 Fabrication : couches
très minces de silicium
qui sont appliquées sur du
verre, du plastique souple
ou du métal, par un
procédé de vaporisation
sous vide.
Part de marché 43 % 47 % 10 %
11 / 12

59. III-/ TARIFS DE VENTE DE L’ELECTRICITE PHOTOVOLTAÏQUE
Pour faciliter l’installation de solaire photovoltaïque en France, L’Etat, L’ADEME (Agence
De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), les régions… offrent des avantages
fiscaux ou des primes.
Tarif en vigueur à partir du 1er
avril 2013 jusqu’au 30 juin 2013
Tarifs 01/04/2013
Centimes d’euros / kWh
Type de
tarif
Type d’intégration Puissance
kWc Base Bonification
5 %
Bonification
10 %
T1 Intégration au bâti [0-9] 30,77 32,3085 33,847
[0-36] 16,81 17,65 18,49
T4 Intégration simplifiée
]36-100] 15,97 16,77 17,57
T5 Tout type d’installation [0-12000] 7,98 8,379 8,778
QualiPV est une appellation recommandée par l’ADEME, pour définir les professionnels du
photovoltaïques engagés dans une charte de qualité.
12 / 12

60. L'énergie hydraulique
Principe de fonctionnement :
Il s'agit de capter la force motrice de l'eau pour produire de l'électricité.
L'eau accumulée dans les barrages ou dérivées par les prises d'eau, constitue une énergie
potentielle disponible pour entraîner en rotation la turbine d'une génératrice. L'énergie
hydraulique se transforme alors en énergie cinétique puis en énergie mécanique. Cette turbine
accouplée mécaniquement à un alternateur l'entraîne en rotation afin de convertir l'énergie
mécanique en énergie électrique.
La puissance disponible résulte de la conjonction de deux facteurs :
• -hauteur de la chute
• -débit de la chute
Puissance d'une chute d'eau :
-La définition de l'énergie potentielle est : W = m.g.h
• Avec :
• W : énergie potentielle en Joules (J)
• m : masse de l'eau en Kilogrammes (Kg)
• g : accélération de la pesanteur en mètres/secondes² (m/s²) ou Newton/Kilogrammes
(N/Kg) ( g = 9,81)
• h : hauteur de la chute d'eau en mètres(m)
-La définition de la puissance est : P = W/Dt

61. • Avec :
• Pp : puissance utile de la chute d'eau en Watt, (W)
• Dt : durée en secondes (s)
-On peut alors calculer la puissance d'une chute d'eau en fonction de sa hauteur et de son débit
: Pp = (m.g.h)/Dt
-Or : m = u.V
• Avec :
• u : Masse volumique en Kilogrammes/mètres^3, (Kg/m^3)
• Dt : Volume en mètres^3, (m^3)
-Donc : Pp = (u.V.g.h)/Dt
-Et : Q = V/Dt
• Avec :
• Q : Débit de la chute d'eau en mètres^3/secondes, (m^3/s)
-Au final on a : Pp = Q.u.g.h
On voit que, pour avoir une puissance importante, le produit Q.h doit être le plus élevé
possible. L'idéal est d'avoir un grand débit sur une grande hauteur de chute. Malheureusement
ces deux conditions sont rarement réunies. Les termes u et g étant constants.
Remarque : La masse volumique de l'eau est 1, donc 1 m^3 correspond à une masse de 1000
kg. On obtient alors une expression de Pp en KiloWatt (KW) :
Pp = Q.g.h
Types de centrales hydrauliques :
Les centrales hydrauliques basses chutes (ou au fil de l'eau)

62. Elles sont caractérisées par un débit très important mais avec une faible hauteur de chute
(Rhône).
Les centrales de basse chute, se trouvent sur les grands fleuves et fonctionnent au fil de l'eau
et produisent sans interruption.
Les usines de basse chute sont équipés de turbine à réactions type Kaplan avec de pales qui
s'orientent en fonction du débit.

63. Les centrales hydrauliques moyennes chutes
Les centrales de moyennes chutes sont caractérisées par une hauteur de chute comprise entre
30 et 200m. L'usine se situe généralement au pied du barrage. Ce sont souvent des usines de
retenues. Elles se trouvent en moyenne montagne, elles utilisent les réserves d'eau accumulées
sur des courtes périodes. Ces centrales d'éclusée servent pour la régulation journalière ou
hebdomadaire de la production.

64. Les usines de moyenne chute sont équipées de turbine Francis qui permettent l'utilisation de
l'eau à moyenne pression. L'eau est dirigée contre les pales de la turbine par des ailettes de
guidage, puis rabattue vers le centre de la roue.
Les centrales hydrauliques hautes chutes
Les centrales de hautes chutes sont caractérisées par une forte hauteur de chute h>200m.
L'usine est toujours située à une distance importante de la prise d'eau parfois plusieurs
kilomètres. Elles se trouvent en altitude, les usines de lacs disposent de plus de 400 heures de
réserves. Leur rapidité de démarrage permet de répondre de consommation, notamment en
hiver.

65. Les usines de haute chute sont généralement équipés de turbines Pelton : l'eau arrive en deux
jets de la roue équipée de pales en forme de godets.
Remarque : Le rapport moyen Puissance électrique / Puissance Potentiel de la chute d'eau est
en moyenne d'environ 0.7.
Le rendement est ainsi de 70%.
La puissance électrique Pe = 0.7Pp <=> Pe = 7.Q.h (0.7g = 7)
Avec :
• Pe : Puissance électrique injectée au réseau en Kilowatt (KW) ou en Kilo Voltampère
(KVA).
Plus généralement d'après le rendement n caractéristique de la centrale (plus particulièrement
du couple turbine - alternateur inscrit par le fabricant) on a : Pe = n.g.Q.h

66. Vers des micros centraux hydrauliques...
Le principe est identique mais en miniature et pour des particuliers. L'électricité produite est
directement utilisée ou stockée dans des accumulateurs ou alors peut être revendue à un
réseau électrique.
Il n'y a pas d'énormes barrages : poissons et canoéistes peuvent désormais circuler librement
grâce aux dispositions prises par les exploitants.
La qualité de l'eau est préservée : au maximum 10 % du débit d'eau est turbiné, les propriétés
physico-chimiques de l'eau étant ainsi conservées. Certains exploitants vont même jusqu'à
dépolluer les rivières (poubelles des riverains, pneus, plastiques...).
Remarque : Pas de micro centrale en dessous de 1.8 à 3 mètres de chute. On entend par
chute, la hauteur entre le point de la prise de l'eau, et le niveau le plus bas de l'eau rendue à la
rivière.

67. Rentabilité / Coût :
Investir à l'échelle d'un particulier, pour être rentable, une telle installation doit faire au moins
10 kW.
Que peut on faire avec 10 kW ?
Chauffer un volume de 300 à 500 m^3. Alimenter 100 ampoules de 100W (Ou 500 fluo
compactes de 20W, ce qui donnera 5 fois plus de lumière). Faire fonctionner simultanément
10 fers à repasser. Produire 2500 litres d'eau chaude en 8 heures. Etc. Cette puissance
convient très bien à une résidence principale, chauffage et climatisation compris.
A l'échelle mondiale, on estime que la capacité installée s'élève à 37 000 MW. Pour la France
elle représente 17% de sa production en électricité.
Il faut compter entre 1 200 et 2 500 Euro par kW installé. Ces coûts ne devraient pas fort
évoluer dans l'avenir. L'électronique pourra éventuellement faire diminuer un peu les coûts.
Elle permettra une meilleure rentabilité de l'installation par une bonne régulation et la
possibilité d'entretiens préventifs opportuns.
Rôle Régulateur :
L'électricité ne peut être stockée à l'échelle industrielle, il faut donc constamment adapter la
production à la demande, qui est aléatoire. Contrairement aux centrales thermiques, les
turbines hydroélectriques peuvent démarrer en quelques minutes. Grâce à leur souplesse
d'exploitation, les usines hydrauliques permettent de faire face dans un délai très court, aux
variations de la consommation. Elles interviennent alors dans la régulation de la fourniture de
l'énergie.
Exemple : Deux minutes suffisent à l'usine de GRAND-MAISON (Isère) pour fournir1800
MW.
Certaines d'entre elles sont utilisées pour fournir de l'électricité aux heures de pointe, ou
pendant les jours d'hiver les plus froids.

68. Avantages et Inconvénients :
Avantages :
• -Production d'énergie active durant les heures de fortes consommations d'électricité.
• -Pompage durant les heures creuses afin de reconstituer la réserve d'eau dans le bassin
de retenu. Ce procédé permet de stocker l'énergie électrique en surplus du réseau en
une énergie potentielle qui sera transformée à nouveau.
• -Démarrage et arrêt des centrales très rapides.
• -Aucune pollution n'est dégagée lors de la production d'électricité.
• -Production d'électricité décentralisée (pas de pertes liées aux transports).
• -Facilitée d'entretien et la faible usure du matériel qui travaille à vitesse et à
température modéré.
• -Haut niveau de rendement des machines, capable de transformer 90% de l'énergie de
l'eau en énergie mécanique.
• -Souplesse d'exploitation, qu'accroissent encore les progrès de l'automatisme et des
télécommandes.
•
Inconvénients :
• -Modification du débit et du niveau de l'eau.
• -Perturbation de la faune et de la flore.
• -Surcoût lié à la nécessité d'installer des passes à poissons.
• -Risque pour les personnes en aval lié au barrage.

69. L'énergie de la biomasse
Définition et catégories
La biomasse désigne l’ensemble des matières organiques pouvant se transformer en énergie.
On entend par matière organique aussi bien les matières d’origine végétale (résidus
alimentaires, bois, feuilles) que celles d’origine animale (cadavres d’animaux, êtres vivants du
sol).
Il existe trois formes de biomasse présentant des caractéristiques physiques très variées :
• les solides (ex : paille, copeaux, bûches) ;
• les liquides (ex : huiles végétales, bioalcools) ;
• les gazeux (ex : biogaz).
La biomasse est une réserve d'énergie considérable née de l’action du soleil grâce à la
photosynthèse. Elle existe sous forme de carbone organique. Sa valorisation se fait par des
procédés spécifiques selon le type de constituant.
La biomasse n'est considérée comme une source d'énergie renouvelable que si sa régénération
est au moins égale à sa consommation. Ainsi, par exemple, l’utilisation du bois ne doit pas
conduire à une diminution du nombre d’arbres.
Fonctionnement technique ou scientifique
La valorisation énergétique de la biomasse peut produire trois formes d'énergie utile, en
fonction du type de biomasse et des techniques mises en œuvre :

70. • de la chaleur ;
• de l'électricité ;
• une force motrice de déplacement.
On distingue trois procédés de valorisation de la biomasse : la voie sèche, la voie humide et la
production de biocarburants.
La voie sèche
La voie sèche est principalement constituée par la filière thermochimique, qui regroupe les
technologies de la combustion, de la gazéification et de la pyrolyse :
• la combustion produit de la chaleur par l'oxydation complète du combustible, en
général en présence d'un excès d'air. L'eau chaude ou la vapeur ainsi obtenues sont
utilisées dans les procédés industriels ou dans les réseaux de chauffage urbain. La
vapeur peut également être envoyée dans une turbine ou un moteur à vapeur pour la
production d'énergie mécanique ou, surtout, d'électricité. La production combinée de
chaleur et d'électricité est appelée cogénération ;
• la gazéification de la biomasse solide est réalisée dans un réacteur spécifique, le
gazogène. Elle consiste en une réaction entre le carbone issu de la biomasse et des gaz
réactants (la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone). Le résultat est la transformation
complète de la matière solide, hormis les cendres, en un gaz combustible composé
d’hydrogène et d’oxyde de carbone. Ce gaz, après épuration et filtration, est brûlé dans
un moteur à combustion pour la production d'énergie mécanique ou d'électricité. La
cogénération est également possible avec la technique de gazéification ;
• la pyrolyse est la décomposition de la matière carbonée sous l’action de la chaleur.
Elle conduit à la production d'un solide, le charbon de bois ou le charbon végétal, d'un
liquide, l'huile pyrolytique, et d'un gaz combustible. Une variante de la pyrolyse, la
thermolyse, est développée actuellement pour le traitement des déchets organiques
ménagers ou des biomasses contaminées.
La voie humide
La principale filière de cette voie est la méthanisation. Il s’agit d’un procédé basé sur la
dégradation par des micro-organismes de la matière organique. Elle s’opère dans un digesteur
chauffé et sans oxygène (réaction en milieu anaérobie). Ce procédé permet de produire :
• le biogaz qui est le produit de la digestion anaérobie des matériaux organiques ;
• le digestat qui est le produit résidu de la méthanisation, composé de matière organique
non biodégradable.
La production de biocarburants
Les biocarburants sont des carburants liquides ou gazeux créés à partir d’une réaction :
• entre l’huile (colza, tournesol) et l’alcool dans le cas du biodiesel ;
• à partir d’un mélange de sucre fermenté et d’essence dans le cas du bioéthanol .
Il existe 3 générations de biocarburants :

71. • 1ère génération : biocarburants créés à partir des graines ;
• 2e génération : biocarburants créés à partir des résidus non alimentaires des cultures
(paille, tiges, bois) ;
• 3e génération : biocarburants créés à partir d’hydrogène produit par des micro-
organismes ou à partir d’huile produite par des microalgues.
Les biocarburants de 2e
et 3e
génération ont entre autres pour vertu de ne pas « occuper » un
territoire agricole en compétition avec la production d’aliments pour l’homme. Leur maturité
industrielle, tout particulièrement pour la 3e
génération, reste à établir.
Ces biocarburants peuvent prendre différentes formes :
• des esters d'huiles végétales produits, par exemple, à partir du colza (biodiesel) ;
• de l'éthanol, produit à partir de blé et de betterave, incorporable dans le super sans
plomb sous forme d'ETBE (éthyl tertio butyl ether). Cet ETBE favorise l'incorporation
d'éthanol dans les essences (jusqu'à 15% du volume dans le SP95 et le SP98, jusqu'à
22% dans le cas du SP95-E10)(1)
.
La valorisation de la biomasse ne produit toutefois pas que des biocarburants.
Voies de valorisation de la biomasse
Enjeux par rapport à l'énergie
Une énergie naturelle et propre

72. La valorisation énergétique de la biomasse peut permettre d’augmenter la part des énergies
renouvelables dans un mix énergétique et de réduire la dépendance au pétrole ou au gaz. La
diversité des matières organiques constituant la biomasse permet à de nombreux pays d’avoir
accès à cette ressource. Elle peut donc favoriser leur indépendance énergétique.
De plus, la biomasse participe à la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre dans la
mesure où le CO2 dégagé par la combustion des bioénergies est compensé par le CO2 absorbé
par les végétaux lors de leur croissance. La récupération du biogaz dans les décharges permet
de capter le méthane issu de la biomasse (dont l’effet de serre est considéré comme 21 fois
plus fort que le CO2).
Une énergie renouvelable si son utilisation est maîtrisée
L’utilisation de la biomasse peut dans certains cas engendrer des déséquilibres
environnementaux. L’amalgame entre énergie propre et énergie renouvelable est fréquent. Il
est important de préciser que la biomasse ne peut être considérée comme une énergie
renouvelable que si elle est renouvelée.
Les biocarburants en débat
La concession de parcelles à l’industrie des biocarburants a réduit la taille des terres agricoles
destinées à l’alimentation. Certains experts craignent que l’essor des biocarburants déclenche
une crise alimentaire mondiale, en particulier dans le contexte d’une forte croissance
démographique terrestre (plus de 100 millions d’individus en plus par an). Après en avoir fait
l’éloge, certains médias et ONG ont opté pour des campagnes de dénigrement et de
désinformation globale à l’égard des biocarburants en omettant de souligner les différences
propres à chaque génération.
Acteurs majeurs
Les gestionnaires de déchets
Ils sont les leaders de la valorisation énergétiques des ordures ménagères mais aussi de la
méthanisation car ils contrôlent les centres d’approvisionnement (centres de tri). Parmi ces
gestionnaires de déchets on peut citer : Veolia Propreté, Sita-Novergie ou encore TIRU
(filiale d'EDF).
Les acteurs de l’énergie
Les producteurs comme EDF, GDF Suez ou Séchilienne-Sidec mais aussi les exploitants de
réseaux de chaleur comme Dalkia ou Cofely utilisent la biomasse solide (bois et ses sous-
produits) afin de diversifier leurs bouquets énergétiques.
Les industriels du bois
Ils fournissent les acteurs de l’énergie en bois. Dans certains cas, à l’image de Tembec
(Canada) ou d’UPM (Finlande), ils souhaitent valoriser eux-mêmes leurs chutes de production
afin de réduire leur dépendance aux énergies fossiles.

73. Les collectivités locales
Elles décident des politiques locales de gestion des déchets mais aussi de l’installation
d’infrastructures locales de production d’énergie (chauffage urbain, cogénération, etc.). Elles
ont donc un rôle clé dans l’évolution de la biomasse, plus particulièrement en matière de
valorisation des déchets.
Unités de mesure et chiffres clés
Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) désigne le dégagement maximal théorique de
chaleur qu'on peut tirer d'un combustible lors de sa combustion.
Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) ne prend pas en compte la chaleur de condensation
de la vapeur d'eau qui se dégage lors de la combustion. Ce PCI est souvent employé pour
comparer l'intérêt calorifique de différents combustibles. Il peut être exprimé en mégajoules
par kg (MJ/kg) ou en kWh/kg, sachant que 1 kWh = 3,6 MJ.
Pour produire de l’énergie, il faut de grandes quantités de biomasse car son PCI n’est
globalement pas très élevé:
• Paille : 14,3 MJ/kg ;
• Bois (dans la nature) : 10,8 MJ/kg
• Déchets urbains, bagasse (résidu fibreux de la canne à sucre) : 7,77 MJ/kg.
Notons que le pouvoir calorifique du bois est directement lié à son taux d'humidité. Des
granulés de bois dont le taux d'humidité est très faible (5 à 10%) a un PCI bien meilleur, de
l'ordre de 18 MJ/kg. A titre de comparaison, le PCI du fioul domestique avoisine 42 MJ/kg
(26 MJ/kg pour la houille).
La biomasse couvre près de 10% des besoins mondiaux en énergie. Deux tiers de la
consommation mondiale d'énergie issue de la biomasse sont consacrés à la cuisine et au
chauffage dans les pays en voie de développement
Zone de présence ou d'application
Hors consommation domestique, les principaux pays dans le monde ayant recours à la
biomasse sont le Brésil, les États-Unis et l'Inde.
La biomasse et les déchets constituent 67,6 % de la production primaire d’énergie
renouvelable dans l'Union européenne en 2010.
Passé
Années 1860 : le bois est encore le principal combustible utilisé dans les maisons et les
entreprises pour le chauffage et la cuisson. Le bois est également utilisé pour produire de la
vapeur destinée à des applications industrielles ainsi que pour propulser les trains et les
bateaux.

74. 1880 : Henry Ford utilise l’éthanol pour alimenter une de ses premières automobiles, le
quadricycle.
Années 1920 - 1930 : aux États-Unis, l’éthanol est largement utilisé pour alimenter les
voitures. Plus de 2 000 stations-service du Midwest américain offrent du « gasohol » (de
l’éthanol produit à partir de maïs).
Années 1970 : les deux chocs pétroliers (1973 et 1979) incitent les majors du pétrole à
développer des biocarburants.
1975 : le Brésil lance le programme Proalcool qui a pour but de promouvoir l’éclosion des
carburants « verts ». Aujourd’hui plus de la moitié du parc automobile brésilien roule au
biocarburant.
1980 : les prix élevés de l’énergie stimulent l’intérêt envers l’énergie biomasse.
1990 : le réchauffement climatique et l’épuisement des ressources fossiles incitent les
autorités à favoriser le développement des énergies renouvelables. La consommation
d’énergie biomasse représente environ 6,7% de la consommation totale d’énergie à l’échelle
mondiale.
2004 : d’après le bilan énergétique mondiale de l’AIE en 2004, la biomasse représentait
10,6% de la consommation énergétique mondiale (à noter que certaines utilisations directes
du bois peuvent influer sur la précision des estimations du marché du bois).
Futur
Les biocarburants de 3e
génération
Les biocarburants de troisième génération sont produits à partir de microalgues riches en
lipides. Elles peuvent accumuler entre 60% et 80% de leur poids en acides gras, ce qui
pourrait laisser présager une production annuelle d'une trentaine de tonnes d'huile par hectare.
A titre de comparaison, le rendement du colza est 30 fois inférieur.
Mais les procédés de fabrication sont encore mal maîtrisés pour en extraire l'huile. La
méthode actuelle (centrifugation, séchage et solvant organique) est très gourmande en énergie.
La valorisation du miscanthus
Cette plante originaire d’Asie produit beaucoup de biomasse et est économe en intrants. La
productivité exceptionnelle du miscanthus s’explique par son métabolisme photosynthétique
particulier comme le maïs, la canne à sucre ou le sorgho. Il lui permet d’être plus efficace
dans la captation du gaz carbonique et dans la transformation de ce gaz carbonique en matière
organique. En outre, le miscanthus est une plante pérenne qui nécessite une seule phase
d’implantation pour plus d’une quinzaine d’années de culture.

75. Le saviez-vous ?
La fibre de canne après extraction du sucre, appelée « bagasse », est un résidu du procédé
de traitement de la canne à sucre. Au Brésil, 21% de l'énergie consommée par l'industrie
provient de cette bagasse en 2010.