Soutenance mémoire
Consommation mondiale d’énergie
Définition de l’énergie primaire et l’énergie finale
Avant de rentrer plus en détail sur les chiffres concernant la consommation énergétique mondiale, il nous a paru important de bien définir les notions d’énergie primaire et d’énergie finale. Les unités pour quantifier ces énergies sont les tonnes équivalent pétrole (tep), les joules (J) ou les kilowattheures (kWh) (Pour rappel une tep correspond à 11,6 MWh et un kWh correspond à 3,6 MJ). Selon l’agence internationale de l’énergie (AIE ou IEA) [1], l’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Par exemple, l’énergie récupérable lors de la combustion des ressources fossiles (pétrole, gaz…) ou de biomasse (bois) est une forme d’énergie primaire. De même, l’énergie émise par le rayonnement solaire est une forme d’énergie primaire. Certaines ressources primaires sont renouvelables et d’autres ne le sont pas (fossiles et fissiles). Dans la plupart des cas (sauf application thermique directe), l’énergie primaire n’est pas utilisable directement. On la transforme alors en énergie finale, utilisable par le consommateur. Les exemples les plus courants sont la transformation du pétrole en carburants (essence, gasoil…) et la transformation de combustibles fossiles, fissiles ou encore de ressources renouvelables en électricité. Cette transformation est le plus souvent source de pertes énergétiques qui font de l’énergie finale un indicateur ne rendant pas compte de la consommation énergétique réelle. Par exemple, lorsque l’on consomme 1 kWh d’énergie électrique (kWhe) « haute-tension » produit par une centrale nucléaire, c’est en réalité 3,4 kWh d’énergie primaire qui ont été consommés [2]. L’évaluation de la consommation en énergie finale et la connaissance des moyens utilisés pour la produire permettent d’évaluer la consommation en énergie primaire, en prenant en compte les rendements du processus de transformation. Tout au long de la thèse, la consommation en énergie primaire des différents éléments que nous étudierons sera évaluée afin de dégager leur réel impact énergétique. Ce critère est d’ailleurs généralement associé à une multitude d’impacts environnementaux tels que les émissions de gaz à effet de serre ou l’accroissement de la radioactivité naturelle et autres polluants.
Bilan et tendance énergétique mondiale et française
Selon l’Agence Internationale de l’Energie (AIE ou IEA), la consommation en énergie primaire mondiale était d’environ 12 Gtep pour l’année 2008 [3]. A titre de comparaison, la quantité d’énergie solaire reçue sur Terre en une année est de 92000 Gtep. la consommation en énergie primaire mondiale ne cesse d’augmenter (2,4% par an en moyenne depuis 1980). En gardant les mêmes modes de consommation et en prenant en compte l’augmentation de la population, l’AIE estime que la croissance sera en moyenne de 1,5% par an jusqu’en 2030. La question que l’on peut judicieusement se poser est : avons-nous les ressources nécessaires pour maintenir ce niveau de consommation ?
Dans la consommation en énergie primaire mondiale, la France pesait environ 2% en 2009, avec environ 3000 TWhp (10¹² Whp). On peut voir, qu’après une légère diminution, conséquence de la crise économique, le scénario tendanciel (sans changement de comportement et de politique intérieure) conclut à la reprise de l’augmentation de la consommation en énergie primaire française. Les sources d’énergie primaire en France sont, dans l’ordre, l’uranium, le pétrole et le gaz naturel. Cette répartition est très différente de la moyenne mondiale où le pétrole, le charbon et le gaz sont largement majoritaire. Cette différence s’explique par le choix d’une énergie finale électrique produite essentiellement par des centrales nucléaires (cas unique dans le monde). Les chiffres présentés ici pour la consommation française ne tiennent pas compte des produits importés et exportés (hors produits énergétiques). En effet, il est légitime de se demander si le coût énergétique d’un produit, fabriqué en Chine, pour la France, doit être comptabilisé dans la consommation énergétique chinoise et inversement. L’impact de ces produits échangés sera d’autant plus significatif que la balance commerciale du pays sera déséquilibrée. Partant de ce constat, D. J. MacKay [6] a proposé une première évaluation du coût énergétique des produits importés en Angleterre. Cette étude met en évidence un coût énergétique des produits importés pouvant s’élever jusqu’à 41 kWhp/jour/personne. Ce chiffre est à comparer avec une consommation moyenne anglaise de 125 kWhp/jour/personne (correspondant également à la moyenne européenne)[6].
En conclusion, l’énergie primaire mondiale est, aujourd’hui, issue en grande majorité de ressources non renouvelables. La question est maintenant de savoir s’il est possible de conserver ce niveau de consommation et l’utilisation de ce type de ressources avec les réserves actuellement exploitables.
Epuisement des réserves fossiles et fissiles
Avant d’entamer ce paragraphe, il nous a paru intéressant de rappeler la différence entre réserves et ressources, en particulier lorsque l’on parle d’hydrocarbures. Les définitions données par l’IFP (Institut Français du pétrole) dans [7] ont été adoptées par la SPE (Society of Petroleum Engineers) et le WPC (World Petroleum Congress). Selon ces organismes, les réserves en hydrocarbures sont les quantités qui restent à extraire d’un gisement ou contenu dans un gisement pouvant actuellement être exploité, avec les moyens techniques existant et des coûts compatibles avec le prix du marché. Ceci explique pourquoi les réserves peuvent croître lorsque les prix augmentent. Les quantités d’hydrocarbures contenues dans le sol constituent les ressources. Les réserves ne peuvent donc pas dépasser les ressources qui elles, sont limitées !
En 1949, un géophysicien, M. King Hubbert, propose un modèle mathématique pour décrire la courbe de production des ressources fossiles américaines [8]. Son modèle, très proche d’une loi gaussienne, met en avant l’existence d’un maximum de production. Selon ce même modèle, lorsque le pic est atteint, la moitié des réserves ont été extraites. Au fil des années, son modèle a été enrichi et a été validé sur la base de la production en hydrocarbures de plusieurs pays.
Gisements d’économie d’énergie
Afin d’identifier les différents leviers qui permettraient de réduire la consommation en énergie primaire, tout particulièrement dans les pays les plus riches, on présente, en France en 2010 [13]. Le secteur résidentiel et tertiaire est le plus grand consommateur d’énergie finale avec 43% de la consommation totale, suivi par les transports et l’industrie. Le secteur résidentiel et tertiaire représente donc un levier d’économie d’énergie très important.
L’usage qui est fait de cette énergie au sein des ménages . La consommation du parc actuel français de logement est encore loin de ressembler à celle d’un bâtiment basse consommation (60 % des bâtiments français en 2010 était âgé de plus de 35 ans [14]). Autrement dit, la plupart de l’énergie finale consommée dans un logement, sert aujourd’hui à son chauffage. Il est important de remarquer que l’électricité spécifique (hors chauffage et eau chaude sanitaire) représente moins de 10% de la consommation des logements. Cependant, la consommation totale d’électricité du secteur résidentiel et tertiaire représente 38% de la consommation en énergie finale des logements. Une part importante de l’électricité est donc utilisée pour le chauffage et la production d’ECS (Eau Chaude Sanitaire). Mais les incitations gouvernementales pour financer le renforcement de l’isolation, combinées à l’augmentation inévitable du coût de l’énergie, vont accroître la part des logements basse consommation. La part de l’électricité spécifique représentera alors environ un tiers de la consommation des logements. Dans les bâtiments tertiaires, la tendance sera accrue, car la cuisson et l’eau chaude sanitaire ne jouent pas un rôle prépondérant dans leur consommation.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : De l’étude de la distribution en courant continu et de la consommation en énergie primaire à l’éco-dimensionnement des convertisseurs
Introduction
1.1 Contexte énergétique
1.1.1 Consommation mondiale d’énergie
1.1.2 Quelles solutions pour une électricité moins consommatrice d’énergie primaire non renouvelable ?
1.1.3 La convergence bâtiment transport, une alternative au stockage stationnaire pour maximiser la consommation locale d’énergies renouvelables
1.2 La distribution électrique au sein des bâtiments, source d’économie d’énergie primaire
1.2.1 Constituants d’un réseau de distribution au sein d’un bâtiment
1.2.2 Vers une distribution en courant continu ?
1.2.3 Etat de l’art des études sur la distribution en courant continu et positionnement de notre étude
1.3 Dimensionnement sur cycle de vie
1.3.1 Les limites des démarches actuelles
1.3.2 La notion d’Analyse du Cycle de Vie
1.3.3 Distinction entre éco-dimensionnement et écoconception
1.3.4 Consommation en énergie primaire sur cycle de vie d’un système électrique
Conclusion
Chapitre 2 : Méthodologies d’éco dimensionnement et modélisations
Introduction
2.1 Eco-dimensionnement d’un câble
2.1.1 Evaluation de la consommation en énergie primaire d’un câble
2.1.2 Méthodologie d’éco dimensionnement des câbles du réseau de distribution
2.2 Méthodologie d’éco-dimensionnement des convertisseurs statiques
2.2.1 Composants des convertisseurs DC/DC de petite puissance
2.2.2 Focus sur les technologies de composant considéré
2.2.3 Eco dimensionnement des composants de puissance
2.2.4 Mise en place de la démarche homothétique pour l’ensemble des composants
2.3 Modèles employés pour l’éco dimensionnement du convertisseur statique
2.3.1 Inductance de lissage et inductance couplée
2.3.2 Modèles relatifs aux transistors MOSFETs
2.3.3 Modèles relatifs aux diodes Schottky
2.3.4 Modèles relatifs aux condensateurs électrochimiques aluminium
Conclusion
Chapitre 3 : Applications de l’éco-dimensionnement au câblage
Introduction
3.1 Cas du circuit de charge d’un véhicule électrique
3.1.1 Présentation du cas d’étude
3.1.2 Influence de la section du câble
3.1.3 Influence du niveau de tension
3.1.4 Etude de sensibilité
3.2 Cas d’un réseau d’éclairage
3.2.1 Présentation du problème
3.2.2 Influence de la section du câble
3.2.3 Influence du niveau de tension
3.2.4 Etude de sensibilité
Conclusion
Chapitre 4 : Eco-dimensionnement de convertisseurs statiques
Introduction
4.1 Eco-dimensionnement d’un convertisseur DC/DC flyback auto-oscillant
4.1.1 Cas d’étude et aspects méthodologiques
4.1.2 Evolution du GER des composants en fonction de leurs dimensions à paramètres de commande et à niveau de tension d’entrée fixes
4.1.3 Influence des paramètres de commande, à niveau de tension d’entrée fixe, sur le GER des composants et du convertisseur
4.1.4 Répartition de la contribution des composants avec les paramètres de commande optimaux
4.1.5 Comparaison entre un convertisseur éco-dimensionné et un convertisseur « commercial »
4.1.6 Influence du niveau de tension d’entrée sur le GER du convertisseur DC/DC flyback
4.1.7 Etude de sensibilité
4.1.8 Effet de l’inductance de fuites du composant magnétique
4.1.9 Conclusion sur l’éco-dimensionnement du convertisseur flyback
4.2 Eco-dimensionnement d’une structure DC/DC de type buck
4.2.1 Cas d’étude et aspects méthodologiques
4.2.2 Influence des facteurs homothétiques des composants sur leur GER
4.2.3 Evolution du GER du convertisseur et des composants en fonction de la fréquence de découpage à niveau de tension d’entrée fixe
4.2.4 Répartition de la contribution des composants à la fréquence optimale
4.2.5 Influence du niveau de tension d’entrée sur le GER du convertisseur buck
Conclusion générale
