Soutenance mémoire
L’ENERGIE COMME FACTEUR DE DEVELOPPEMENT
La consommation d’énergie, sous diverses formes qu’elle soit, est indéniablement synonyme de progrès, et pour écarter toute polémique éventuelle relative à ce mot, synonyme d’amélioration du niveau de vie. Si nous pourrions en effet être tentés de décrier hâtivement les bienfaits de l’énergie dans le contexte préoccupant d’aujourd’hui, en énumérant chacun des maux qui en découle et en établissant un constat alarmant – ce que nous ne manquerons pas de faire par ailleurs au paragraphe suivant – ne nous y trompons pas : le problème énergétique, annoncé à juste titre comme « l’un des défis majeurs de notre siècle », repose bien sur un problème de maîtrise de la consommation d’énergie, et non sur la consommation d’énergie elle-même. Ainsi, tout comme la maîtrise du feu a révolutionné la vie des premiers hommes, la maîtrise de l’énergie sous ses multiples formes permet aujourd’hui à l’homme de mieux se soigner, de s’éclairer, ou encore de réduire les distances grâce à des moyens de locomotion et de communication de plus en plus performants. La liste des améliorations apportées par l’énergie est longue, aussi pouvonsnous la résumer ici par un constat simple et sans équivoque, celui permettant d’associer la consommation énergétique d’un pays à son niveau de vie, évalué à partir de données aussi significatives que l’espérance de vie, le taux de mortalité infantile, ou encore le PIB (Produit Intérieur Brut) par habitant. A ce sujet, des données statistiques peuvent notamment être trouvées dans les références [2], [3], ou encore dans la référence [4] particulièrement didactique. Si la consommation d’énergie reflète aussi bien le développement des pays, elle en reflète également les inégalités, à travers lesquelles le constat précédent prend du reste un sens aussi acerbe qu’exacerbé. Ainsi, selon les chiffres présentés dans la référence [5], la puissance moyenne consommée par les Américains dépasse actuellement les 10 kW, celle des Européens les 5 kW, celle des Chinois est proche de 1 kW, et moindre encore est celle des Africains. Pour se focaliser enfin plus particulièrement sur l’énergie électrique qui constitue la préoccupation sous-jacente de ce travail, on soulignera ici que 2 milliards d’individus, soit près d’un tiers de la population mondiale, n’ont aujourd’hui toujours pas accès à cette forme d’énergie ! Ce constat général ayant été établi, il est toutefois utile de ne pas en rester là et d’ajouter ici un élément supplémentaire important : PIB et CIB (Consommation Intérieure Brute) ne sont pas liés par une relation intrinsèque. Ceci renvoie directement à la notion d’intensité énergétique, définie comme le rapport entre CIB et PIB. Ainsi, s’il ne fait aucun doute que l’énergie est bel et bien un facteur de développement considérable, l’étude de ces diverses grandeurs montre qu’il est tout à fait possible pour les pays développés de continuer à produire de la richesse tout en consommant moins. Dit autrement, cela signifie que la Consommation Intérieure Brute ne reflète pas seulement le niveau de vie des pays développés, mais également leur niveau de gaspillage et leur impact sur l’environnement, d’où la situation alarmante que nous connaissons aujourd’hui et que nous allons à présent décrire.
LES IMPACTS D’UNE DEMANDE D’ENERGIE CROISSANTE
L’industrie est le premier secteur à avoir véritablement révolutionné le domaine de l’énergie, puisque c’est avec l’avènement de la machine à vapeur et la révolution industrielle au 18ème siècle que l’Homme s’est mis à consommer de l’énergie en grande quantité, en l’occurrence du charbon. La production d’énergie mondiale atteint aujourd’hui 10 milliards de tonnes équivalent pétrole (tep) chaque année, assurée essentiellement par du pétrole, du charbon et du gaz :
La demande énergétique mondiale s’accroît aujourd’hui proportionnellement :
♦ au développement des pays sous développés ou en voie de développement : leur besoin énergétique croissant, légitime puisque nécessaire à leur propre développement, implique une croissance du besoin énergétique mondial, et ce malgré l’engagement pris par les pays développés – et considéré tenu – de faire des économies d’énergie. L’exemple actuel le plus manifeste est celui de l’augmentation des besoins suscités par le « réveil de la Chine », qui compte à elle seule plus d’1,2 milliards d’habitants, soit près d’un cinquième de la population mondiale, sans oublier la Malaisie, la Thaïlande et surtout l’Inde, devenus eux-mêmes de très gros consommateurs ;
♦ à la croissance démographique : après avoir atteint 6 milliards d’habitants en 1999, la population mondiale a franchit le seuil des 6,5 milliards en 2005. Si le rythme actuel devait se maintenir, la population mondiale dépasserait largement les 10 milliards en 2050. Les Nations unies prévoient cependant qu’elle soit « seulement » de 9 milliards en 2050, et son hypothèse centrale est une stabilisation aux alentours de 10 milliards à la fin du siècle [7]. Si les Hommes sont donc en voie de maîtriser la croissance de leur population, leur survie et celle de tout un écosystème dépendront néanmoins autant, sinon plus, de la façon dont ils vivront que de leur nombre. Dans cette perspective, la maîtrise de nos consommations d’énergie est une donnée primordiale.
L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) prévoit ainsi une augmentation de 60 % de la demande mondiale en énergie primaire* d’ici 2030, et de 100% d’ici 2050 [8]. Mais, sans devoir attendre ces échéances, la forte consommation d’énergie des pays développés a d’ores et déjà de très lourdes conséquences :
♦ le dérèglement climatique : depuis l’ère industrielle, l’utilisation massive par les pays développés des ressources énergétiques traditionnelles fossiles* que sont le charbon, le pétrole et le gaz naturel, a conduit à des émissions massives de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère, responsables d’un changement climatique de grande ampleur. Selon les climatologues, la température moyenne à la surface de la Terre pourrait s’élever de 1,5 à 6 degrés d’ici la fin du siècle, ce qui à l’échelle de la planète est synonyme d’un bouleversement considérable, dont toutes les conséquences sont d’ailleurs difficilement prévisibles [9], [10]. Ainsi, les scientifiques s’interrogent aujourd’hui sur la possibilité de réversibilité de l’énorme pouvoir d’absorption et de stockage de GES par les fonds marins, susceptibles de constituer alors une véritable « bombe à retardement » dans ce contexte de réchauffement climatique [11] ;
♦ la raréfaction des ressources d’énergie : l’utilisation accrue des ressources fossiles conduit inexorablement à l’appauvrissement de leur réserve, avec des échéances d’épuisement dorénavant très proches : les réserves de charbon par rapport à la consommation actuelle sont estimées à 220 / 260 ans environ, celles des gisements gaziers à 40 / 70 ans, et celles du pétrole limitées à 30 / 50 ans [12]. Nous avons choisi d’indiquer ici des fourchettes de temps pour souligner à la fois la convergence des estimations et le fait qu’elles puissent varier en fonction des modèles plus ou moins optimistes, puisqu’elles sont en effet à pondérer par un certain nombre d’inconnues telles que l’évolution de la demande, de la mise à jour de nouveaux gisements, ou encore de la part que prendront demain les énergies nouvelles dans le panel énergétique. Comme la ligne d’horizon, il est d’ailleurs à prévoir que ces dates butoirs reculent au fil du temps, et les spécialistes s’accordent à dire qu’il n’y aura pas d’épuisement brutal des réserves comme ces chiffres pourraient le faire penser. En revanche, ces échéances tendent à annoncer une envolée du prix de ces ressources en rapport avec leur raréfaction, et les bouleversements d’ordre économique que cela suppose. Ainsi, aussi approximatives et limitées dans le temps soient-elles, ces estimations ont le mérite de nous faire prendre conscience de la limite de ces réserves, et du caractère à la fois urgent et impératif de changer nos modes de vie ;
♦ les tensions intergouvernementales : si on ne s’attarde généralement peu ou pas du tout sur ce dernier point, l’indépendance énergétique convoitée par chaque pays d’une part, et l’inégalité de la répartition des ressources énergétiques sur la planète d’autre part, s’accompagnent inévitablement d’enjeux stratégiques importants. Ainsi, pour se limiter au seul exemple du pétrole dont les gisements sont répartis de façon particulièrement inhomogène dans le monde, ses réserves sont indéniablement, aujourd’hui plus que jamais, au c°ur de stratégies géopolitiques, pour ne pas dire d’engagements militaires, nous renvoyant ainsi à certains égards à la préhistoire de Rosny Aîné dans son célèbre roman « La Guerre du feu ».
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. CONTEXTE GENERAL
INTRODUCTION
1. LE CONTEXTE ENERGETIQUE ACTUEL
1.1. L’ENERGIE COMME FACTEUR DE DEVELOPPEMENT
1.2. LES IMPACTS D’UNE DEMANDE D’ENERGIE CROISSANTE
1.3. LE DEVELOPPEMENT DURABLE ET LES ENERGIES RENOUVELABLES
2. L’ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE
2.1. L’ENERGIE AU C¯UR DU SOLEIL
2.2. LES TROIS VOIES DE L’ENERGIE SOLAIRE
2.3. LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE
3. LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE
3.1. LES ACCUMULATEURS ELECTROCHIMIQUES
3.1.1. Description générale
3.1.2. Phénomènes statiques
3.1.3. Phénomènes dynamiques
3.1.4. Différentes technologies d’accumulateurs
3.2. LA TECHNOLOGIE PLOMB-ACIDE
3.2.1. Description générale
3.2.2. Texture et structure de la matière active positive
3.3. LES MECANISMES DE FONCTIONNEMENT ET D’USURE DES BATTERIES AU PLOMB
3.3.1. Réactions de charge / décharge
3.3.2. Réactions parasites
3.3.3. Mécanismes de dégradation
3.4. LES BATTERIES PLOMB-ACIDE AU SEIN DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES
3.4.1. Enjeux du stockage au sein des systèmes photovoltaïques autonomes.
3.4.2. Contraintes d’utilisation liées à l’application photovoltaïque
3.4.3. Gestion des batteries
CONCLUSION
CHAPITRE 2. METHODES D’EVALUATION DE L’ETAT DE CHARGE ET DE L’ETAT DE SANTE DES BATTERIES : DEFINITIONS USUELLES, REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ET REDEFINITIONS PERSONNELLES
INTRODUCTION
1. LES DEFINITIONS USUELLES
1.1. LA CAPACITE D’UNE BATTERIE
1.1.1. Capacité théorique
1.1.2. Capacité effective
1.2. L’ETAT D’UNE BATTERIE
1.2.1. Etat de charge
1.2.2. Etat de santé
2. LES METHODES D’EVALUATION DE L’ETAT DES BATTERIES
2.1. LA MESURE DE PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES
2.1.1. Propriétés de l’électrolyte
2.1.2. Propriétés des électrodes
2.1.3. Propriétés de l’espace libre
2.1.4. Ensemble des paramètres physico-chimiques
2.2. LA MESURE DE PARAMETRES ELECTRIQUES
2.2.1. Mesures de courant
2.2.2. Mesures de tension
2.2.3. Mesures d’impédance
2.3. LA MODELISATION DES BATTERIES
2.3.1. Modèles basés sur les processus physico-chimiques
2.3.2. Modèles basés sur des circuits électriques équivalents
2.3.3. Modèles empiriques
2.3.4. Modèles basés sur la logique floue et les réseaux de neurones
2.4. RECAPITULATIF
3. DES DEFINITIONS PERSONNELLES
3.1. LA CAPACITE DISPONIBLE ET LA MATIERE ACTIVE DISPONIBLE
3.2. LES INTERETS ET LES MOYENS D’EVALUATION DE CES DEUX GRANDEURS
CONCLUSION
CHAPITRE 3. EVALUATION DE L’ETAT DE CHARGE ET DE L’ETAT DE SANTE DES BATTERIES EN TANT QUE CAPACITE DISPONIBLE
INTRODUCTION
1. LE DEVELOPPEMENT D’UNE JAUGE AMPERE-HEURE-METRIQUE
1.1. L’ARCHITECTURE GENERALE DU DISPOSITIF DE DEVELOPPEMENT
1.2. LE PRINCIPE DE L’ALGORITHME DEVELOPPE
1.2.1. Détermination des coefficients d’équivalence en décharge
1.2.2. Détermination des coefficients d’équivalence en charge
1.2.3. Points de calibrage
1.3. FINALISATION DE DEUX PROTOTYPES
2. LE DEVELOPPEMENT DU CIRCUIT IMPRIME (PARTIE « HARDWARE »)
2.1. LES PRINCIPAUX ORGANES DU CIRCUIT
2.1.1. Microcontrôleur
2.1.2. Alimentation
2.1.3. Horloge
2.1.4. Transmission de l’information
2.2. LES MESURES EFFECTUEES PAR LA JAUGE
2.2.1. Mesure de la tension
2.2.2. Mesure du courant
2.2.3. Mesure de la température
2.3. LE COUT ET LA CONSOMMATION DE LA JAUGE
3. LE DEVELOPPEMENT DU LOGICIEL (PARTIE « SOFTWARE »)
3.1. LA GESTION DE L’AFFICHAGE
3.1.1. Menu principal
3.1.2. Initialisation des paramètres d’entrée
3.1.3. Affichage de l’état de charge et de l’état de santé
3.1.4. Estimation de la réserve de temps de décharge restant
3.2. LA GESTION DE L’ALGORITHME
3.2.1. Fréquence d’échantillonnage
3.2.2. Filtrage et moyenne des valeurs mesurées
4. LA VALIDATION DU FONCTIONNEMENT DE LA JAUGE
4.1. LES PREMIERS RESULTATS OBTENUS
4.2. LES PERSPECTIVES
CONCLUSION GENERALE
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