Nouvelles technologies de l énergie 3 : géothermie & énergies de la biomasse (Traité EGEM, série génie électrique)
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Description

Le 3ème tome des nouvelles technologies de l'énergie est consacré à deux formes d'énergie qui sont aujourd'hui en plein développement : la Géothermie et la Biomasse. Il donne un panorama complet de l'exploitation de ces deux formes d énergie. La géothermie est présentée sous les formes les plus usitées de son exploitation. Tout d'abord les Pompes à Chaleur qui trouvent un regain d'intérêt dans la conjoncture actuelle et l'utilisation de la géothermie pour des applications de chauffage collectif. Enfin la production d'électricité d'origine géothermique pour lesquelles il existe actuellement de grands projets. Les énergies de la biomasse sont traitées à travers trois formes complémentaires qui sont les biocarburants dans l'hypothèse de substitution aux énergies fossiles, le biogaz essentiellement produit dans des installations de type agricole et enfin le bois-énergie qui est une composante essentielle de la biomasse.
Avant-propos -J.-C. SABONNADIERE. GÉOTHERMIE. Chapitre 1. Production d'énergie à partir de la géothermie -F. JAUDIN, L. LE BEL. Introduction. La géothermie : pourquoi, pour qui, comment ? La filière des pompes à chaleur géothermales. La production directe de chaleur. La production d'électricité. Glossaire. Bibliographie. BIOMASSE. Chapitre 2. Les biocarburants. -F. MONOT, J.-L. DUPLAN, N. ALAZARD-TOUX, S. HIS. Place des biocarburants dans le contexte énergétique. Les filières actuelles. Les futures filières : l'utilisation de la ressource ligno-cellulosique. Les bilans économiques et environnementaux des filières de production de biocarburants. Bibliographie. Chapitre 3. Le biogaz - P. LABEYRIE. Introduction : le biogaz, ""le gaz naturel renouvelable"". Les biogaz involontaires. Les productions organisées par l'homme. Historique de la méthanisation. La méthanisation. Les installations de digestions anaérobies ou unités de biogaz. Les utilisations du biogaz. Conclusion : le gaz naturel renouvelable et ses enjeux. Bibliographie. Chapitre 4. Production d'énergie à partir du bois - F. DOUARD. Introduction : qu'est-ce que le bois-énergie ? Panorama des combustibles bois. Principes de conversion du bois en énergie. Générateurs d'énergie thermique à partir du bois. Conclusion. Bibliographie. Index.

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 05 juin 2007
Nombre de lectures 82
EAN13 9782746237186
Langue Français
Poids de l'ouvrage 11 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0772€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait








Nouvelles technologies de l’énergie 3



































© LAVOISIER, 2007
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN volume 3 978-2-7462-1503-0
ISBN général 978-2-7462-1501-6


Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part,
que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non
destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations
dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou
partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce
soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du
Code de la propriété intellectuelle.
Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins
d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs.


Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, May 2007.





Nouvelles technologies


de l’énergie 3


géothermie et énergies de la biomasse












sous la direction de
Jean-Claude Sabonnadière

















Il a été tiré de cet ouvrage
20 exemplaires hors commerce réservés
aux membres du comité scientifique,
aux auteurs et à l’éditeur
numérotés de 1 à 20
Nouvelles technologies de l’énergie 3
sous la direction de Jean-Claude Sabonnadière
fait partie de la série GÉNIE ÉLECTRIQUE
dirigée par René Le Doeuff et Jean-Claude Sabonnadière


TRAITÉ EGEM
ELECTRONIQUE – GÉNIE ÉLECTRIQUE – MICROSYSTÈMES

Le traité Electronique, Génie Electrique, Microsystèmes répond au besoin de
disposer d’un ensemble de connaissances, méthodes et outils nécessaires à la
maîtrise de la conception, de la fabrication et de l’utilisation des composants,
circuits et systèmes utilisant l’électricité, l’optique et l’électronique comme
support.

Conçu et organisé dans un souci de relier étroitement les fondements
physiques et les méthodes théoriques au caractère industriel des disciplines
traitées, ce traité constitue un état de l’art structuré autour des quatre grands
domaines suivants :
Electronique et micro-électronique
Optoélectronique
Génie électrique
Microsystèmes

Chaque ouvrage développe aussi bien les aspects fondamentaux
qu’expérimentaux du domaine qu’il étudie. Une classification des différents
articles contenus dans chacun, une bibliographie et un index détaillé
orientent le lecteur vers ses points d’intérêt immédiats : celui-ci dispose ainsi
d’un guide pour ses réflexions ou pour ses choix.

Les savoirs, théories et méthodes rassemblés dans chaque ouvrage ont été
choisis pour leur pertinence dans l’avancée des connaissances ou pour la
qualité des résultats obtenus.




















Liste des auteurs


Nathalie ALAZARD-TOUX Pierre LABEYRIE
IFP EDEN
Rueil-Malmaison Colomiers

Frédéric DOUARD Laurent LE BEL
ITEBE BRGM
Lons le Saunier Orléans

Jean-Luc DUPLAN Frédéric MONOT
IFP Lyon IFP Lyon
Vernaison Vernaison

Stéphane HIS Jean-Claude SABONNADIÈRE
IFP LEG
Rueil-Malmaison Grenoble

Florence JAUDIN
BRGM
Orléans

























Table des matières
Avant-propos....................................... 15
Jean-Claude SABONNADIÈRE
PREMIÈRE PARTIE. GÉOTHERMIE........................... 23
Chapitre 1. Production d’énergie à partir de la géothermie.......... 25
Florence JAUDIN et Laurent LE BEL
1.1. Introduction.................................... 25
1.2. La géothermie : pourquoi, pour qui, comment ? .............. 26
1.2.1. Les types des ressources exploitées .................. 26
1.2.1.1. Formations volcaniques fissurées et/ou poreuses ....... 28
1.2.1.2. Aquifères des bassins sédimentaires 29
1.2.1.3. Les formations superficielles ................... 29
1.2.1.4. Les formations profondes (à faible perméabilité) ....... 30
1.2.2. L’usage final ................................ 30
1.2.2.1. Filière réseau de chaleur...................... 31
1.2.2.2. Filière PAC (pompe à chaleur).................. 31
1.2.2.3. Filière électricité.......................... 32
1.2.3. Autres usages ............................... 32
1.3. La filière des pompes à chaleur géothermales ............... 33
1.3.1. Situation actuelle et tendances ..................... 33
1.3.2. Principe de la pompe à chaleur 34
1.3.2.1. Classification des PAC ...................... 34
1.3.2.2. Coefficient de performance ou COP .............. 37













10 Nouvelles technologies de l’énergie 3
1.3.3. Prélever les calories dans le sous-sol ................. 40
1.3.3.1. Puiser les calories dans l’eau souterraine............ 40
1.3.3.2. Capteurs horizontaux et verticaux ................ 42
1.3.4. Perspectives et potentiel de développement ............. 49
1.4. La production directe de chaleur ....................... 51
1.4.1. Situation actuelle ............................. 51
1.4.2. Les réseaux de chaleur géothermiques 52
1.4.2.1. Le doublet théorique et le réseau de chaleur associé ..... 53
1.4.2.2. L’expérience de la géothermie du bassin de Paris ...... 54
1.4.2.3. Evolutions technologiques .................... 55
1.4.3. Perspectives et potentiel de développement ............. 64
1.4.3.1. Les objectifs de la relance en Ile-de-France .......... 65
1.5. La production d’électricité ........................... 65
1.5.1. Contribution actuelle de la géothermie
à la production d’électricité .......................... 65
1.5.2. Exploitation des ressources géothermales............... 66
1.5.2.1. Réservoirs naturellement producteurs.............. 66
1.5.2.2. Réservoirs artificiellement stimulés 76
1.5.3. Le potentiel de développement ..................... 82
1.6. Glossaire ..................................... 84
1.7. Bibliographie ................................... 90
DEUXIÈME PARTIE. BIOMASSE............................. 93
Chapitre 2. Les biocarburants ............................ 95
Frédéric MONOT, Jean-Luc DUPLAN, Nathalie ALAZARD-TOUX
et Stéphane HIS
2.1. Place des biocarburants dans le contexte énergétique........... 95
2.1.1. Un contexte favorable .......................... 96
2.1.2. Principales caractéristiques des filières d’aujourd’hui ....... 97
2.1.3. Principaux avantages et inconvénients
liés à l’usage des biocarburants......................... 100
2.1.4. La situation des biocarburants dans le monde ............ 101
2.1.4.1. L’influence de la politique agricole commune (PAC) .... 110
2.1.5. Perspectives ................................ 112
2.2. Les filières actuelles............................... 113
2.2.1. La filière biodiesel ............................ 113
2.2.1.1. Les matières premières ...................... 113
2.2.1.2. Les procédés de production.................... 114




























Table des matières 11
2.2.2. La filière bioéthanol ........................... 121
2.2.2.1. Les matières premières ...................... 121
2.2.2.2. Les procédés de production.................... 122
2.3. Les futures filières : l’utilisation de la ressource ligno-cellulosique. . . 127
2.3.1. Caractéristiques compositionnelles des végétaux
ligno-cellulosiques ................................ 127
2.3.2. La filière BtL ............................... 130
2.3.2.1. Les principales contraintes du procédé ............. 131
2.3.2.2. Le conditionnement de la biomasse ............... 132
2.3.2.3. La gazéification........................... 136
2.3.2.4. Le traitement du gaz de synthèse ................ 140
2.3.2.5. La synthèse du carburant :
Fischer-Tropsch et hydrocraquage .................... 141
2.3.2.6. Conclusion.............................. 143
2.3.3. La filière bioéthanol 144
2.3.3.1. Les principales contraintes du procédé ............. 144
2.3.3.2. Le prétraitement .......................... 145
2.3.3.3. L’hydrolyse enzymatique ..................... 146
2.3.3.4. La fermentation éthanolique ................... 148
2.3.3.5. Conclusion 151
2.4. Les bilans économiques et environnementaux des filières
de production de biocarburants ........................... 151
2.4.1. Les aspects économiques ........................ 152
2.4.1.1. La compétitivité des biocarburants ............... 152
2.4.1.2. La filière éthanol .......................... 154
2.4.1.3. Le coût de production de l’ETBE ................ 159
2.4.1.4. Le biodiesel ............................. 159
2.4.1.5. Les nouvelles filières carburants................. 162
2.4.2. Résultats des analyses de cycle de vie (ACV)
pratiquées sur les biocarburants......................... 163
2.5. Bibliographie ................................... 167
Chapitre 3. Le biogaz .................................. 169
ABEYRIE Pierre L
3.1. Introduction : le biogaz, « le gaz naturel renouvelable » ......... 169
3.2. Les biogaz involontaires ............................ 169
3.3. Les productions organisées par l’homme .................. 170
3.4. Historique de la méthanisation ........................ 171
































12 Nouvelles technologies de l’énergie 3
3.5. La méthanisation................................. 172
3.5.1. Gestion du processus de méthanisation ................ 173
3.5.1.1. Effet de la température ...................... 174
3.5.1.2. Effet du pH ............................. 175
3.5.1.3. Dynamique des populations bactériennes ........... 175
3.5.1.4. Les mélanges de substrats ou co-digestion 175
3.6. Les installations de digestions anaérobies ou unités de biogaz...... 177
3.6.1. Les techniques............................... 177
3.6.1.1. Digesteurs fonctionnant avec une introduction continue
de substrats .................................. 177
3.6.1.2. Digesteurs fonctionnant discontinu (batch) .......... 180
3.6.2. Exemples d’installation récente de méthanisation agricole .... 180
3.6.2.1. Installation de M. Claudepierre : système liquide....... 180
3.6.2.2. Installation du GAEC Oudet : système liquide ........ 183
3.6.2.3. Installation de Jean Mineur (en cours de finition) :
système mixte................................. 186
3.6.2.4. Installation de Pierre Lebbe : système solide ......... 188
3.7. Les utilisations du biogaz ........................... 192
3.7.1. Cogénération moteur thermique .................... 193
3.7.2. Valorisation thermique uniquement .................. 195
3.7.2.1. Utilisation d’une chaudière 195
3.7.2.2. Utilisation d’un groupe de production de froid ........ 195
3.7.3. Production de carburant ......................... 195
3.7.3.1. Epuration PSA (Pressure Swing Adsorption) ......... 196
3.8. Conclusion : le gaz naturel renouvelable et ses enjeux .......... 197
3.9. Bibliographie ................................... 198
Chapitre 4. Production d’énergie à partir du bois ................ 199
Frédéric DOUARD
4.1. Introduction : qu’est-ce que le bois-énergie ? 199
4.2. Panorama des combustibles bois ....................... 201
4.2.1. La bûche .................................. 201
4.2.2. La bûche de bois densifié ou bûche compacte ............ 202
4.2.3. La briquette ................................ 203
4.2.4. Le granulé de bois ............................ 204
4.2.5. La plaquette forestière .......................... 206
4.2.6. La plaquette d’industrie ......................... 207
4.2.7. Le broyat de bois recyclé ........................ 208
4.2.8. L’écorce broyée .............................. 210

































Table des matières 13
4.2.9. Les sciures et copeaux .......................... 211
4.2.10. La poudre de bois ............................ 211
4.2.11. Le bois torréfié.............................. 212
4.2.12. Le charbon de bois ........................... 212
4.2.13. Les liqueurs noires et boues papetières ............... 213
4.3. Principes de conversion du bois en énergie ................. 214
4.3.1. La combustion ............................... 214
4.3.2. La pyrolyse................................. 218
4.3.3. La gazéification 219
4.4. Générateurs d’énergie thermique à partir du bois ............. 222
4.4.1. Technologies domestiques........................ 222
4.4.1.1. Les âtres, fours et autres foyers ouverts 222
4.4.1.2. Les cheminées à foyer fermé ................... 223
4.4.1.3. Les poêles et cuisinières...................... 225
4.4.1.4. Les chaudières à bûches 227
4.4.1.5. Les poêles à granulés ....................... 229
4.4.1.6. Les chaudières à granulés ..................... 231
4.4.1.7. Les chaudières domestiques à plaquettes ............ 232
4.4.2. Technologies collectives ou industrielles ............... 233
4.4.2.1. Les chaudières et générateurs d’air chaud à grille fixe.... 233
4.4.2.2. Les chaudières à grille mouvante ou mobile .......... 235
4.4.2.3. Les chaudières à grille conique rotative ............ 237
4.4.2.4. digrille vibrante ................. 238
4.4.2.5. Les chaudières à grille roulante 239
4.4.2.6. Les chaudières à insufflation ou à injection .......... 239
4.4.2.7. Les chaudières à lit fluidisé bouillonnant............ 240
4.4.2.8. diuidisé circulant .............. 241
4.5. Conclusion .................................... 243
4.6. Bibliographie ................................... 243
Index ............................................ 245








































Avant-propos
1.1. L’énergie électrique
L’énergie qui a été à la base de la révolution industrielle a connu un développement
exponentiel depuis l’avènement de l’électricité sous sa forme industrielle à la fin du
eXIX siècle. La découverte du champ tournant par Nikola Tesla et l’invention du
transformateur ont conduit à la généralisation du courant alternatif triphasé pour la
production, le transport, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sous sa
forme la plus économique.
eC’est au début du XX siècle que se sont développés les grands réseaux
électriques qui ont permis, dans la plupart des pays du monde, de faire profiter les
citoyens des bienfaits de l’énergie électrique tout en développant de manière
intensive les applications industrielles et tertiaires de l’électricité. Ce développement
a conduit à une généralisation de ces usages au point qu’aujourd’hui, l’électricité est,
en France, consacrée aux usages décrits dans le tableau 1.

Tertiaire et Usages prof. Usage
Energie Industrie Divers
agriculture et serv. pub. domestique
7,9 % 33,7 % 19,3 % 8,4 % 30,3 % 0,4 %
Tableau 1. Typologie des usages de l’électricité
La production et l’acheminement de l’énergie électrique ont pris une telle
importance économique et sociale que de nombreux pays en ont fait un monopole
d’état afin d’en maîtriser la mise en œuvre et le développement. Cette situation et la
nature fortement capitalistique des moyens de production et des réseaux électriques 16 Nouvelles technologies de l’énergie 3
ont conduit, pour des raisons économiques, à une intégration verticale des entreprises
électriques. C’est le paradigme classique qui, pendant plus d’un siècle, a conduit à
l’élaboration d’une industrie qui a atteint sa maturité dans une progression lente,
mais sûre, de la fiabilité des équipements dont l’objectif essentiel est d’assurer la
continuité de la fourniture d’énergie électrique à la fois aux particuliers et aux
industriels raccordés au réseau. L’augmentation au cours des décennies du milieu du
siècle dernier de la consommation d’énergie électrique a été à l’origine de la mise en
place d’un système d’une grande complexité (près de 60 000 mégawatts circulent en
permanence dans un réseau qui comprend plus d’1 100 000 de kilomètres de lignes).
Ce système est représenté sur la figure 1.

Figure 1. Le paradigme historique
C’est selon ce schéma que tous les réseaux électriques ont été construits et ont
efonctionné depuis le début et pendant la totalité du XX siècle. Leur organisation et
la gestion de leur fonctionnement, de la production jusqu’au consommateur, étaient
intégrées au sein d’une entreprise unique de type monopolistique, qu’elle soit de
statut privé ou public.
Le mouvement de libéralisation des marchés de l’énergie qui s’est développé au
début des années 1980 a introduit des changements considérables en imposant de
séparer les fonctions de production, de transport et de distribution, ce qui conduit à
mettre en place un nouveau mode d’organisation selon un modèle éclaté, que nous
décrirons dans la section suivante comme le nouveau paradigme. Avant-propos 17
1.2 Le nouveau paradigme
L’objectif poursuivi par les promoteurs des opérations de « dérégulation » des
systèmes électriques a toujours été de réorganiser le système électrique de manière à
créer les conditions d’exercice de la libre concurrence entre les différents acteurs,
afin de faire bénéficier le consommateur des meilleures conditions financières pour
son approvisionnement énergétique. La mise en place de ces nouvelles conditions
s’est exercée dans un contexte dans lequel les contraintes géographiques jouent un
rôle considérable par la nature même de l’implantation territoriale des réseaux
électriques, qui constitue un monopole de fait.
Cependant, le nouveau système instauré depuis le début des années 1990 au
Royaume Uni, puis aux Etats-Unis d’Amérique, fonctionne actuellement dans la
quasi totalité des pays industrialisés avec quelques difficultés d’adaptation dans le
fonctionnement physique d’un système conçu et bâti pour fonctionner de manière
intégré sur un territoire bien défini, et que l’on fait fonctionner aujourd’hui de
manière éclatée à l’échelle des continents sans avoir auparavant modifié les
infrastructures de transport et d’interconnexion.
1.2.1. Fonctionnement de la filière énergétique dans le contexte libéralisé
Les principales fonctions à accomplir pour satisfaire la demande du consommateur
sont les mêmes que celles décrites précédemment, mais leur mode d’interaction est
différent et est assuré par la coopération des acteurs selon cinq maillons essentiels,
comme l’indique la figure 2.

Figure 2. Les maillons de la nouvelle organisation
du système énergétique
18 Nouvelles technologies de l’énergie 3
Dans cette nouvelle organisation, il y a une indépendance totale sur les plans
hiérarchique et financier entre les producteurs et le reste de la filière. Le rôle des
producteurs est, bien entendu, de produire de l’énergie électrique qu’ils vendent aux
consommateurs suivant différents types de contrats pour des fournitures à court ou
moyen terme. Le rôle des marchands ou traders est d’assurer le lien entre les
producteurs et les consommateurs en tenant compte de possibilités d’acheminement
de la puissance à travers les réseaux de transport et de distribution, qu’ils soient de
gaz ou d’électricité. Les réseaux ont, comme précédemment, pour mission de
transmettre et de distribuer l’énergie aux consommateurs en fonction des échanges
commerciaux conclus avec les producteurs en assurant une égalité de traitement
entre tous les producteurs. Des gestionnaires de réseaux de transport (GRT) et de
réseaux de distribution (GRD) ont la charge de veiller à l’accomplissement de cette
mission.
La commercialisation et la fourniture sont des métiers émergents qui viennent en
support de l’exécution du maillon de marchandisation car c’est le rôle des acteurs de
la commercialisation, que l’on appelle souvent les fournisseurs, d’acheter l’énergie
aux différents producteurs sur des marchés de l’énergie ou en passant des contrats
bilatéraux avec les fournisseurs, pour ensuite revendre cette énergie aux différents
consommateurs qui en expriment le besoin selon les conditions financières liées à
l’urgence et à l’importance du besoin immédiat.
Cette activité commerciale constitue un fait nouveau par rapport au paradigme
historique dans lequel le prix de l’énergie électrique considérée comme un bien de
base était un élément stable sur des périodes relativement longues, et qui ne pouvait
varier que par une concertation étroite entre les compagnies et les représentants des
utilisateurs qui étaient liés au gouvernement du pays dans lequel la compagnie
opérait. Aujourd’hui, les variations de prix sont liées aux conditions climatiques qui
influent à la fois sur la demande et sur la capacité de production, en particulier pour
les aménagements hydrauliques et éoliens, et sur des facteurs socio-économiques
comme la croissance de l’activité ou le prix des combustibles primaires. Il existe
donc des périodes où le prix de l’énergie est sujet à des pointes extrêmement
importantes dues au besoin de chauffage ou de climatisation lorsque les
disponibilités en énergie à bas coût comme l’hydroélectricité sont très faibles (on a
vu le prix du Mégawatheure grimper d’une valeur normale de 25 € à plus de 1000 €
au cours de l’été 2003).
C’est une contrainte nouvelle à laquelle les utilisateurs de l’énergie électrique
doivent aujourd’hui faire face, ce qui les conduit à anticiper ces variations en passant
avec leurs fournisseurs, qu’ils soient ou non eux-mêmes producteurs, des contrats
qui leur garantissent des prix relativement stables sur de longues périodes. La Avant-propos 19
gestion interne de la dépense énergétique devient dans une entreprise industrielle ou
tertiaire une activité à laquelle on doit consacrer son attention sous peine de voir la
facture devenir prohibitive. Les fournisseurs eux-mêmes doivent contracter des
assurances leur permettant d’amortir les grandes variations des coûts d’achat de la
fourniture dont ils ont garanti le prix de vente à leurs clients. Les producteurs
doivent eux-mêmes se prémunir, par des investissements adaptés, contre les
variations du prix des énergies primaires qui viennent obérer le prix de revient de
leur production électrique (ainsi, le prix du baril de pétrole est passé en peu de temps
de 16 $ à près de 70 $, ce qui grève fortement le prix du Mégawatheure d’origine
thermique).
L’ensemble de ces nouveaux concepts engendre une évolution importante des
conditions économiques de fonctionnement du système électrique, mais entraîne une
évolution technique importante en favorisant le développement de nouvelles
technologies de production et, surtout, la mise en place de moyens de production
décentralisés, en particulier d’énergies renouvelables qui vont venir en complément
des moyens massifs de production qui continueront à assurer la base de la puissance
totale consommée.
1.3. La production décentralisée
Les conditions économiques engendrées par le nouveau contexte réglementaire
incitent les consommateurs importants à s’équiper de moyens de production internes
qui leur permettent d’amortir les turbulences tarifaires issues de la dérégulation. Il
s’agira évidemment de moyens de production d’une puissance limitée qui seront
généralement raccordés sur les réseaux de distribution et seront susceptibles de
moduler la puissance importée par ce consommateur, qui pourra même, si les
conditions tarifaires deviennent favorables, exporter cette production en l’injectant
sur le réseau. Le développement, en marge des moyens classiques de production de
base, d’un nombre important de petites productions de type éolien, solaire,
hydraulique ou même thermique sous forme de co-génération en complément d’une
production de chaleur ou de froid vient superposer aux modes de fonctionnement
habituels des réseaux de distribution un phénomène nouveau qui est lié à la
circulation bidirectionnelle de l’énergie ainsi produite, énergie qui circulera de
manière intermittente selon le type de production, et sera de toute façon aléatoire. Ce
phénomène va induire des problématiques nouvelles comme la gestion de ces
énergies, en gardant le même niveau de sécurité sur le réseau, ou la recherche de
concepts nouveaux, comme les « centrales virtuelles », véritables coopératives
énergétique dont le but est de rentabiliser ces productions d’énergie, malgré leur
caractère intermittent ou aléatoire, en les amalgamant de manière optimale sous la
20 Nouvelles technologies de l’énergie 3
forme de bouquets énergétiques qui combinent les qualités économiques de chacun
de leurs composants, en essayant de minimiser leurs effets néfastes dus a leur
caractère aléatoire.
La mise en œuvre du nouveau paradigme qui intègre les productions
décentralisées au contexte économique va conduire pour les systèmes électriques à
un nouveau schéma de fonctionnement qui viendra progressivement se substituer au
schéma figure 1.

Figure 3. Le nouveau système électrique (source : Alsthom)
1.4. Les moyens de conversion de l’énergie
Indépendamment de ces schémas d’ensemble du fonctionnement des réseaux,
nous allons, dans les chapitres qui suivent, décrire les caractéristiques principales
des éléments constitutifs de la production d’énergie qui ont les plus grandes chances
d’émerger grâce aux conditions économiques favorables créées par la libéralisation
des marchés de l’énergie. Avant-propos 21
Nous allons passer en revue les nouvelles technologies de l’énergie qui émergent
en termes d’extraction d’énergies renouvelables, l’hydrogène comme vecteur
énergétique complémentaire à l’électricité, les divers modes de stockage et, enfin,
l’utilisation des procédés de maîtrise de la demande énergétique et les économies
d’énergie.
Le premier volume sera consacré aux technologies liées aux énergies
renouvelables disponibles dans les éléments naturels que sont le soleil, le vent et
la mer. Nous commencerons par l’énergie solaire sous ses formes photovoltaïque
et thermique. La production d’énergie d’origine solaire par les procédés
thermodynamiques à partir de la concentration du rayonnement est en train de passer
du stade de laboratoire à celui d’installations opérationnelles, un chapitre spécifique
lui est donc consacré. Les technologies éoliennes sont aujourd’hui en plein
développement, le chapitre qui leur est dédié fait le point sur l’état de l’art en
prenant en compte les problèmes liés à l’insertion en grande quantité sur le réseau de
cette production. Les énergies de la mer qui commencent à émerger sur le plan
opérationnel viendront compléter cette première partie, dans laquelle les aspects
particuliers de raccordement au réseau seront analysés en détail à cause du caractère
intermittent des énergies solaire et éolienne. Un chapitre particulier sera consacré à
la petite hydraulique, souvent appelée micro-hydraulique par comparaison à
l’énergie électrique produite par les grands barrages hydroélectriques. Cette forme
de production d’énergie peut trouver un intérêt économique dans la conjoncture
actuelle de renchérissement des énergies fossiles à condition d’un progrès
technologique par rapport aux modes classiques de production hydraulique.
Le deuxième volume poursuivra l’analyse des moyens de production par les
évolutions de la conversion d’énergie d’origine nucléaire, qui est actuellement à un
tournant se son histoire avec la fin prochaine des premières générations et la mise en
œuvre et la recherche pour les générations suivantes. Une analyse des problèmes
essentiels à résoudre que sont la sécurité et le traitement des déchets y sera abordée
dans un souci de clarté et de transparence. La cogénération, technique qui consiste à
produire de l’électricité simultanément et en complément à de l’énergie thermique
sous forme de chaleur ou de froid, est largement utilisée car elle permet d’améliorer
le rendement énergétique des installations. Une analyse fine de ces procédés et des
conditions de leur exploitation permettra d’établir les conditions énergétiques et
économiques dans lesquelles l’implantation de tels systèmes trouve sa justification.
Le stockage de l’énergie, dans le cadre spécifique de l’utilisation de l’énergie
électrique, prend un relief particulier avec le développement des énergies solaire et
éolienne. Les moyens de stockage sont nombreux, mais leur efficacité et leur
importance économique dépendent étroitement des conditions d’exploitation et de
leur facilité de mise en œuvre. Une projection sur l’utilisation de l’hydrogène
22 Nouvelles technologies de l’énergie 3
comme un vecteur énergétique à l’électricité permettra au lecteur d’avoir une vision
complète et précise des moyens mis en œuvre pour produire, stocker et transporter
ce fluide dont la dangerosité est souvent exagérée. Son avenir à travers la pile
à combustible comme mode de conversion permet de prévoir, à terme, un
développement important de ce vecteur énergétique.
Le troisième volume regroupera l’ensemble des procédés énergétiques qui
complètent les développements précédents, tout d’abord la géothermie, dont
nous trouvons de plus en plus d’implantations sur les sites favorables à une
exploitation économique, la biomasse, qui comprend d’une part la fabrication des
biocarburants et du biogaz comme une alternative possible à l’épuisement des
ressources pétrolières et, d’autre part, l’énergie bois comme substitution aux moyens
de chauffage par hydrocarbures.
Nous aborderons dans le dernier volume un volet important qui est celui des
économies d’énergie et de la maîtrise de la demande énergétique sous toutes ses
formes. Une première partie abordera les nouveaux modes de gestion de l’énergie,
avec la production décentralisée et le pilotage des charges par le réseau, et une
deuxième partie sera consacrée à l’amélioration de la performance énergétique et à
la maîtrise de la demande énergétique. Elle comportera un chapitre sur les bâtiments
son à énergie positive et sur les nouvelles technologies de l’éclairage à basse
consommation.
Jean-Claude SABONNADIÈRE PREMIÈRE PARTIE
Géothermie Chapitre 1
Production d’énergie
à partir de la géothermie
1.1. Introduction
La géothermie est l’énergie thermique contenue dans la Terre et, par extension,
ce mot désigne aussi l’ensemble des procédés qui permettent l’extraction et la
valorisation industrielle de cette chaleur interne.
Elle provient d’une partie héritée (l’énergie gravitationnelle de formation de la
planète) et d’une partie continuellement produite par la désintégration des éléments
radioactifs à longue période (U, Th et K) essentiellement contenus dans la croûte
continentale, d’une épaisseur moyenne de 30 km. Elle est transférée − dans les
parties stables du globe − par conduction vers la surface par un flux de chaleur
2relativement faible (65 mW/m ) créant un gradient thermique moyen de 30 °C/km.
La structure interne de la Terre est telle que 99 % de sa masse sont soumis à des
températures dépassant 1 000 °C et que seul 0,1 % connaît une température
inférieure à 100 °C, les extrêmes étant plus de 6 000 °C pour la partie interne du
noyau et une moyenne de 15 °C pour la surface de la planète où l’homme a pris
pied. La production interne de chaleur étant estimée à 20 000 GW, le flux de chaleur
terrestre − qui évacue une puissance thermique de l’ordre de 42 000 GW − conduit à
un très lent refroidissement de la Terre. Cependant, les parties internes de la Terre
sont en mouvement et, quel que soit le modèle qui décrit cette dynamique, des
transferts de chaleur convectifs accompagnent les mouvements de matière qui

Chapitre rédigé par Florence JAUDIN et Laurent LE BEL.

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