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Partie II

2032008

 Le solaire, une énergie prometteuse

 

  Le Soleil est une étoile parmi les milliards de notre galaxie.il mesure 1 392 000 km de diamètre soit 109 fois le diamètre de
la Terre.
Il est la principale source d’énergie, de lumière et de chaleur dans le Système solaire, ce qui a permis la vie sur Terre. C’est aussi la seule étoile dont il est possible d’observer la composition de près. Le Soleil ne tourne pas aussi rond partout : alors que sa surface effectue une révolution tous les 25,40 jours à l’équateur, il ne lui faut pas moins de 36 jours aux pôles. Cette rotation est responsable de l’attractivité. En tournant sur lui-même il crée un champ magnétique 5 000 fois plus intense que celui de la Terre. L’énergie solaire se crée profondément dans le noyau du Soleil. C’est là où la température (15 000 000 °C) et la pression (340 milliards de fois la pression terrestre au niveau de la mer) est si intense que des réactions nucléaires ont lieu. Ces réactions provoquent la fusion de quatre protons (noyaux d’hydrogène) pour former une particule alpha (noyau d’hélium). La particule alpha est environ 0,70 % moins massive que les quatre protons. La différence de masse est transformée en énergie et transportée vers la surface du Soleil, par un processus de convection, où elle est libérée sous forme de lumière et de chaleur. L’énergie générée dans le noyau met un million d’années pour atteindre la surface. Chaque seconde, 700 millions de tonnes d’hydrogène sont converties en hélium. Dans le processus, 5 millions de tonnes d’énergie pure sont libérées. La chromosphère est située au-dessus de la photosphère. L’énergie solaire passe à travers cette région sur son chemin depuis le centre du Soleil.  Le soleil fournit u ne énergie lumineuse colossale à la Terre ( 10.000 fois l’énergie nécessaire selon le cerdecam). Une abondance qui reste toutefois difficile à maîtriser. Si le solaire offre des conditions efficaces de production à l’échelle domestique, les coûts de transformation des flux solaires en énergie directement utile sont enco re trop élevé s pour en fair e une alterna tive véritable ment crédible au « pétrole ». Sans parler des questions liées à son stockage et à sa répartition spatiale et temporelle (jour et nuit). Une situation qui évolue toutefois rapidement. Plusieurs facteurs convergent en effet pour rendre la mariée plus belle aux yeux de tous. L’opinion publique des grands pays industrialisés (USA compris suite aux terribles ouragans qui ont touché la Floride) est tout d’abord de plus en plus sensibilisée et concernée par les questions environnementales, créant ainsi un contexte favorable au développement des énergies alternatives. Une véritable demande est en train de naître pour des énergies dîtes sûres ou fiables et ne demandant pas d’entretien, au premier rand desquelles se trouve le solaire.  L’évolution des ventes mondiales des cellules solaires et des modules associés ont excédé 3 Md$ en 2004, soit une croissance de plus de 25% sur un an. Conscients de leur impuissance face à la flambée des prix de l’or noir, les pouvoirs publics commencent à se mobiliser et lancer des projets d’ampleur autour du solaire. La plus grande centrale solaire du monde, d’une superficie de plus de 30 terrains de football, a été inaugurée aux abords de Leipzig. Elle alimente 5000 foyers. Le Portugal construit depuis 2006 dans le sud du pays, à Moura, la plus grande centrale solaire photovoltaïque du monde qui sera achevé dans le meilleur des cas en 2009. C’est BP Solar l’une des plus grande entreprise spécialisée dans le solaire qui assurera le projet.   Plus généralement, les programmes de systèmes photovoltaïques s’initient en Californie, au Japon et en Allemagne. Pour le moment, le défi mondial est de produire une cellule coûtant moins d’un dollar par watt, avec une simple chaîne de production. L’inconvénient des systèmes photovoltaïques est le coût du silicium, matériau le plus fréquemment utilisé pour les fabriquer. C’est principalement cette raison qui explique que l’énergie solaire est généralement plus coûteuse que l’électricité générée par combustion de charbon, d’huile ou d’autres combustibles fossiles. Une des façons de réduire ce coût consiste à équiper les panneaux de loupes permettant de concentrer le soleil sur une plus petite surface de composants et ainsi améliorer le rendement. Le système le plus moderne le plus efficace jusqu’à aujourd’hui était le système photovoltaïque d’écrit ici : 

I Le système photovoltaïque

MAQUETTE D’UN PANNEAU SOLAIRE 

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(nous avons remplacer l’énergie issue du soleil par une lampe) 

Un panneau photovoltaïque se compose de petites cellules qui produisent une très faible puissance électrique ( 1 à 3 W ) avec une tension continue de moins d’1 V. Ces cellules sont disposées en série pour former un module ou panneau permettant de produire une puissance plus élevée. Les panneaux sont finalement interconnectés entre eux (en série et/ou en parallèle) pour obtenir un champ photovoltaïque. Il existe 2 types de systèmes photovoltaïques. 

1) Systèmes photovoltaïques indépendants 

C’est un système photovoltaïque qui alimente l’utilisateur en électricité (sans être connecté au réseau électrique). En effet, ces systèmes appelés aussi  » autonomes  » sont des systèmes qui ne dépendent pas de l’existence d’un réseau d’électricité. C’est bien souvent le seul moyen de s’électrifier lorsque le courant du réseau n’est pas disponible : les maisons en site isolé, sur des îles, en montagne… A titre d’exemple, il est intéressant de savoir qu’en Europe du Sud, 1.200.000 personnes vivent sans électricité, que si l’on construit une maison en dehors d’une région desservie par le réseau, le particulier doit souvent payer très cher le raccordement à celui-ci (en France entre 100.000 et 250.000 FF le km). On voit alors que dans certains cas l’énergie photovoltaïque est de loin la solution la moins chère.                                                                        shma1.jpg
 
 2) Le système de régulation de charge 

Les systèmes de régulation de charge sont des éléments d’un système photovoltaïque qui ont pour but de contrôler la charge et la décharge d’une batterie afin d’en maximiser la durée de vie. Son rôle principal est de réduire le courant lorsque la batterie est presque entièrement chargée. Lorsqu’une batterie se rapproche d’un état de charge complète, de petites bulles commencent à se former sur les électrodes positives. A partir de ce moment, il vaut mieux réduire le courant de charge non seulement pour éviter des dégâts mais aussi afin de mieux atteindre l’état de charge complète. Un courant trop élevé peut provoquer une déformation des électrodes à l’intérieur, ce qui pourrait créer un court-circuit. La durée de vie d’une batterie sera considérablement allongée si l’on évite autant que possible des surcharges importantes et des décharges profondes. Pour ce faire, on sera bien avisé de maintenir la tension par élément de batterie entre 11 V et 14,4 V pour une batterie de 12 V. Les différents types de régulateurs se distinguent essentiellement par la manière dont ils empêchent la surcharge…  On peut citer à titre d’exemple : 

  • système autorégulant avec diode de blocage 
  • régulateur parallèle 
  • régulateur série 
  • régulateur séquentiel (pour courant fort) 

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Schéma général d’un système de régulation de charge 

Parmi les applications les plus courantes de systèmes de ce genre, on peut citer les applications d’éclairage (bouées marines, éclairage public), capteurs d’environnement, applications de télécommunications (stations relais), navigation électrique, habitations isolées. Dans les pays en développement, de tels systèmes sont souvent la seule possibilité d’amener un minimum d’approvisionnement en énergie à des régions isolées.   

3) Les batteries 

Il existe très peu d’installations autonomes qui n’ont pas besoin de stocker de l’énergie, cependant, elles existent. 

  • L’énergie photovoltaïque peut faire fonctionner une pompe pour les besoins en eau dans une région isolée sans forcément avoir recours à une batterie de stockage. 
  • Une autre utilisation serait pour pomper l’eau d’une piscine. 
  • On peut aussi relier des ventilateurs directement sur les panneaux PV si on se contente des heures de soleil pour leur fonctionnement. 

Une batterie s’impose, cependant dans la majorité des cas. Cette batterie aura pour rôle de maintenir en service une charge en période de faible ensoleillement ou en l’absence d’ensoleillement. Dans les systèmes nécessitant un stockage de l’énergie électrique, la batterie électrochimique à accumulateur constituera souvent l’option la plus simple et la plus adéquate. En effet, une batterie peut se connecter directement à un module photovoltaïque sans la moindre conversion ni transformation La capacité nominale, C, d’une batterie s’exprime en ampère-heure (Ah) au régime de C/10, c’est-à-dire la capacité pour un temps de décharge de 10 heures. Ainsi une batterie de 100 Ah fournira idéalement un courant de 10 A pendant 10 heures. Cependant, la capacité réellement disponible est en général inférieure à 80 % de la capacité nominale.  Le rendement énergétique d’une batterie se calcule en watt-heure (Wh) et se définit comme le rapport de l’énergie de décharge complète à l’énergie de charge complète. Il est de 73 % pour les batteries plomb-acide. Le rendement en Ah est le rapport des Ah déchargés sur les Ah chargés. Il atteint des valeurs de 80 à 85 % pour une charge complète. 

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 Modélisation d’un système utilisant les batteries 

4) Système connecté à un réseau local 

Dans certains cas, on alimentera un grand utilisateur à partir de cellules photovoltaïques. L’exemple le plus courant est celui d’une petite île où le réseau local servant à l’approvisionnement d’énergie des habitants sera alimenté par l’énergie solaire. De tels systèmes ont souvent une puissance de 10 à 100 kWc (puissance de crête) ou plus. 

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Schéma général d’un système connecté à un réseau local 

On remarque que les utilisateurs n’utilisent pas seulement des appareils à courant continu, et c’est pourquoi un convertisseur CC/CA alimentera un réseau à courant alternatif à partir d’un groupe de batteries. Pour obtenir un meilleur rendement global du système, on n’utilisera pas de système autorégulant comme celui discuté au paragraphe 4.1.1., mais on établira la connexion entre le champ photovoltaïque et la batterie à l’aide d’un convertisseur CC/CC. Ce convertisseur doit faire en sorte que le champ photovoltaïque soit toujours à son point de fonctionnement optimal.  Tous ces schémas nous montrent bien que l’utilisation du solaire n’est pas un fait nouveau et que ce dernier peut déjà répondre à des consommations énergétiques de faibles ou de moyennes ampleur. Nous insisterons bien sur le fait que ces utilisations de l’énergie solaire ne représentent qu’une infime partie de l’énergie dégager par le soleil durant la journée. Ce gaspillage énergétique sera résolut par la dernière partie du dossier qui est l’amélioration du système photovoltaïque grâce à la nanotechnologie. En effet, les nanotechnologies apportent ici des éléments de réponse. Le solaire pourrait en effet finir par tenir ses promesses grâce à la mise au point de panneaux solaires flexibles ou de revêtements à base de nanomatériaux. Si de nombreuses questions subsistent sur ces technologies (fragilité en particulier), l’objectif est bien de réduire drastiquement le ratio (coût/performance) des panneaux. En réalisant de simples manipulations au niveau des cellules photovoltaïque comme intégré de minuscules cristaux de dioxyde de titane on augmente leurs capacités à capter l’énergie délivrée par le soleil. Si cette manipulation permet d’amélioré le rendement des cellules solaire, imaginons les possibilités que nous ouvre la nanotechnologie. Ces ainsi que des PME américaines telles que Nanosys, Nanosolar, Konarka et l’israëlien Orionsolar ont créé de fines pellicules plastiques très efficaces pour capter la lumière et la transformer en énergie. Ces panneaux solaires souples peuvent se dérouler sur les toits, s’intégrer dans les matériaux plastiques ou textiles… et sont à même de produire de l’électricité à un coût inférieur d’un tiers à celui d’un panneau classique. Les innovations permises par les nanotechnologies semblent très larges. Le Professeur Ted Sargent de Toronto explique ainsi que son équipe a créé « à partir de cristaux semi-conducteurs d’une taille de 3 ou 4 nanomètres, des nanoparticules pouvant être dispersées dans n’importe quel solvant de base « Si l’énergie solaire est encore loin d’être véritablement maîtrisée, le niveau de performance de cette solution ne cesse de s’accroître. A côté du mythe hydrogène, le solaire apparaît dès lors comme véritablement complémentaire et porteur d’espoirs concrets. 

La Partie III traitant principalement de la nanotechnologie, nous vous conseillons de lire cette article qui définit cette notion afin de mieux comprendre la suite.




Partie I

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Les Energies fossiles, une ressource en voie de disparition

 

I Définition

1) Qu’est-ce qu’une énergie fossile ?

On appelle énergie fossile, l’énergie qui a été issue de la fossilisation des êtres vivants. Se sont des résidus de la transformation organique. On tire cette énergie de l’exploitation du pétrole, du gaz et du charbon. Ces hydrocarbures sont issues de la décomposition au cour du temps d’organismes vivants. Malheureusement, contrairement aux énergies renouvelables, la production des énergies fossiles s’épuise à mesure que les réserves de la planète se tarissent. De plus, leurs combustions sont néfastes pour l’environnement et entraînent la production de gaz à effet de serre.

2) Histoire

Tout au long du XX ème et XXI ème siècle, c’est nottement, grâce aux énergies fossiles que s’est développé l’industrie dans certaines régions du monde. Elle a non seulement remplacé l’énergie des moulins à eau et l’énergie thermique, mais a permit également un développement sans précédent du transport routier et aérien.

II Inconvénients

1) Quantités limités

Le pétrole, le gaz et le charbon représentent à eux seul, près de 83% de l’énergie consommée dans le monde. Etant donnée que les ressources naturelles de la planète dates de plusieurs centaines de millions d’années, il est donc normal que leurs réserves soient estimées en quantités limitées. On peut noter qu’en matière de pétrole, 1ere source d’énergie au monde, sa réserve principale se situe au Moyen-Orient, une zone où la stabilité politique n’est pas réellement assurée. Les réserves d’énergies fossiles étant plus ou moins limitées, ainsi qu’au rythme de la consommation mondiale, leurs épuisements doivent être envisagés. Dans le cadre du pétrole, on peut se permettre de parler de pic pétrolier. On peut constater que les réserves de combustibles fossiles s’épuisent environ un million de fois plus vite que la nature a prise pour la créer.

2) La pollution

La combustion des énergies fossiles produit du gaz à effet de serre, ainsi que des rejets polluants dans l’atmosphère.

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De nos jours, l’utilisation des combustibles fossiles provoque un déséquilibre au niveau du cycle du carbone, ce qui entraîne une augmentation considérable de gaz à effet de serre dans l’atmosphère provoquant ainsi, de nombreux bouleversements climatiques.

Le Cas du Charbon : Il existe deux familles de charbon : le charbon de bois et le charbon de terre. -le charbon de bois n’est en rien une énergie fossile, puisse qu’il s’agit de la transformation de bois en charbon. -le charbon de terre, au contraire, n’est rien d’autre que le charbon fossile. Il excite plusieurs types de charbon de terre, différenciés grâce à leur teneur en carbone et leur pouvoir calorique.

Forme

Pouvoir Calorique (kJ/kg) Teneur en Carbone (%)
La Tourbe 12500 Moins de 50
La Lignite 25000 Entre 50 et 60
La Houille 32000 à 36000 Entre 70 et 93
L’Anthracite 33500 à 34900 Entre 93 et 97

L’inconvénient, est comme pour tout les carburants fossiles, leurs combustions libèrent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, un phénomène qui est à l’origine de l’accroissement de l’effet de serre atmosphérique.

Le Cas du Pétrole : Le pétrole est un liquide visqueux, qui tire son nom de l’huile de roche. Sa couleur lui a valu le nom d’or noir. Au début du XXI ème siècle, il représentait 40% de la consommation énergétique dans le monde. L’inconvénient, c’est que son transport est à l’origine de nombreuse pollution, tels que les marées noirs ou des incendies. De plus, tout comme le charbon, sa combustion libère du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Le Cas du Gaz Naturel : On appelle gaz naturel, le gaz hydrocarboné provenant du sous-sol terrestre. Elle représentait seulement 20 à 25% de la consommation énergétique mondiale au début du XXI ème siècle, en raison de son transport qui était techniquement et économiquement, moins intéressent que celui du pétrole. L’inconvénient, c’est qu’il est composé en majorité de méthane, et que sa combustion libère des substances relativement polluantes.

3) Effets de la pollution

Les pluies acides sont des pluies dont le PH de l’eau est inférieur 5,6. Cela est dù à des transformations chimiques dans l’atmosphère. Par conséquent, elles détruisent les forêts, la vie dans les lacs, et peuvent même fragilisés les constructions. - Les responsabilités humaines sont très importantes en ce qui concerne l’effet de serre. La concentration en dioxyde de carbone et en méthane a beaucoup augmenté depuis le début de l’age industriel. La principale source d’émission de gaz à effet de serre provient de la combustion des énergies fossiles dans le but de produire de l’électricité, faire fonctionner les usines ainsi que pour les usages domestiques. Les conséquences de l’effet de serre peuvent être environnementaux, alimentaires, sanitaires ou même géopolitiques. La première conséquence conserne la terre puisse qu’elle subit des réchauffements climatiques. - La couche d’ozone est comme un filtre naturel qui nous protège des rayons nocifs émient par le soleil. Elle est en fait, considérée comme le pare-soleil de notre planète. Cependant, à la surface de la Terre, les émissions polluantes des véhicules par exemple, détériorent cette couche d’ozone. La meilleure solution à ce problème reste quand même, de diminuer les gaz responsables de ce phénomène.

III Solution

En France, les gouvernements successifs ont longtemps considéré avoir réglé le problème énergétique, à la fois en terme d’indépendance et en terme de pollution, avec le lancement en 1973 d’un programme nucléaire ambitieux. On s’est très vite rendu compte que ce choix posait autant de problèmes qu’il n’était susceptible d’en résoudre.

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L’accumulation des tempêtes de décembre 1999, l’ensemble des manifestations suscitées par la hausse du pétrole en septembre 2000 et des négociations qui se sont déroulées fin novembre 2000 à la Haye autour du protocole de Kyoto change profondément, et sans doute durablement, la donne. En effet, il va falloir apprendre à se passer des énergies fossiles, qui représentent encore 83 % de la demande d’énergie dans le monde, et développer les énergies renouvelables.

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Il est devenu clair que les réserves d’énergies fossiles ne sont pas infinies et que leur combustion engendre petit à petit, des problèmes écologiques insurmontables et de plus en plus graves. La concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère a augmentée de 50 % en un siècle et la situation deviendra rapidement insoutenable. L’époque où une minorité de la population mondiale pouvait accaparer l’essentiel des ressources énergétiques est pratiquement terminée : il n’y a plus de raison pour qu’un Américain consomme chaque année 8,1 tonnes d’équivalent de pétrole alors que pendant ce temps un Chinois n’en consommerait que 0,9.

Dans une seconde partie, nous tâcherons de vous présenter les bienfaits de l’énergie solaire.







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