Petit cours sur les énergies vertes renouvelables

le soleil, une énergie verte renouvelable, à l'aide de capteurs on peut produire de l'électricité ou de l'eau chaude.

le vent, une énergie verte renouvelable, à l'aide d'éoliennes on peut produire de l'électricité ou une force motrice.

l'air, une énergie verte renouvelable, à l'aide de pompes à chaleurs on capte les calories qui se trouve dans l'air pour produire de l'eau chaude.

le géothermie, une énergie verte renouvelable, à l'aide de capteurs on récupère la chaleur produite par le sol soit en surface ou en profondeur pour produire de l'eau chaude.

L'eau, une énergie verte renouvelable, à l'aide de barrage on produit de l'électricité.

Une énergie verte, est une énergie qui ne pollue pas pour être produite, renouvelable car elle se trouve à l'état naturel dans notre environnement.

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Vidéo de l'émission "C'est pas Sorcier" sur ces Énergies

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Schéma d'une installation de production électrique par cellules photovoltaïques.

Les cellules monocristallines : constituées d’un cristal à double couches, le plus souvent du silicium, elles ont un rendement entre 15 et 22 % mais ont un coût très élevé.

Les cellules poly-cristallines : elles sont constituées de plusieurs cristaux, ce qui diminue leur prix de fabrication. Cependant leur rendement est de 10 à 13 %.

Les cellules amorphes : leur prix est très bas mais elles ont un rendement très faible (5 à 10%).

La couche supérieure est composée de silicium dopé par un élément contenant plus d’électrons que lui. Cette couche contient donc plus d’électrons qu’une couche de silicium pur, cette couche est appelée, semi-conducteur de type N.

La couche inférieure est composée de silicium dopé par un élément contenant moins d’électrons que lui. La couche contient donc moins d’électrons qu’une couche de silicium pur, elle est appelée semi-conducteur de type P.

La mise en contact de ces deux couches met en place une jonction PN qui permet le passage des électrons d’une couche à l’autre. Lorsque la lumière (les photons plus particulièrement) arrive sur le module photovoltaïque, il se créé un apport d’énergie qui vient arracher un électron de la couche N, qui vient ensuite se placer dans la couche P.

En conséquence à cela, les charges à l’intérieur de la cellule sont modifiées. Des électrodes sont placées sur les couches, la cathode (pôle positif) est située au dessus de la couche N et l’anode au dessous de la couche P. il y a création d’une différence de potentiel électrique (tension) et formation d’un courant électrique.

Un panneau solaire est composé de tubes dits « absorbeurs » placés entre une plaque de verre et une couche d'isolant.

Le rendement d'un capteur est le rapport entre la puissance absorbée restituée au liquide et la puissance reçue par le capteur (la production constitue environ à 70% des besoins en ECS).

La plupart des pertes se font par réflexion du rayonnement solaire, tant au niveau du verre que des tubes.

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Schéma d'une installation de chauffage central par Pompe à Chaleur.

Coefficient de performance d'une PAC

On définit l'efficacité η d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile » Qchaud (la chaleur restituée à la source chaude) sur le travail W, énergie fournie à la PAC au niveau du compresseur :

$\eta = - \frac{\ Q_{\mathrm{chaud}}}{\ W}\qquad \textrm{avec} \qquad \ Q < 0 \quad \textrm{ et } \quad \ W > 0 \quad \textrm{donnant} \quad 0\; \leq\; \eta\; < \infty$

L'efficacité peut être inférieure à 1 s'il rend moins de chauffage qu'il n'en consomme en énergie. Généralement une bonne partie de l'énergie est restituée en chauffage si l'appareil est situé dans le volume chauffé. Un chauffage à résistance électrique simple a une efficacité de 1.

Dans le cas d'une machine frigorifique (par exemple un réfrigérateur), l'énergie « utile » est la chaleur prise à la source froide :

$\eta = \frac{\ Q_{\mathrm{froid}}}{\ W}\qquad \textrm{avec} \qquad \ Q > 0 \quad \textrm{ et } \quad \ W > 0 \quad \textrm{donnant} \quad 0\; \leq\; \eta\; < \infty$

L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température entre sources et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique.

En outre, des contraintes techniques limitent les températures de fonctionnement : impossible de rejeter de l'eau pure à moins de 0 °C, phénomène de givrage (source froide) ; haute pression limitée par la résistance mécanique du circuit 'haute pression' (source chaude) ; transfert effectif d'énergie à chaque source (dimensionnement et encrassement des échangeurs).

$COP_{\mathrm{chaud}} = \frac{\ Q_{\mathrm{chaud}}}{W} \leq \frac{T_{\mathrm{chaud}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}} = \frac{1}{\eta_{\mathrm{cycle Carnot}}}$

$COP_{\mathrm{froid}} = \frac{\ Q_{\mathrm{froid}}}{W} \leq \frac{T_{\mathrm{froid}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}}$

Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont exprimées en Kelvin. T[K]= T[°C] + 273,15 soit par exemple T = 290,15 K pour 17 °C.

Les pompes à chaleur sont décrites par le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance, dit couramment le « COP ». Le COP est le nombre de kWh produit pour 1 kWh consommé. Ainsi, une pompe à chaleur ayant un COP égal à 3 produit 3 kWh de chaleur par kWh consommé.

Pour la même puissance de chauffe une pompe à chaleur de COP 4 consomme deux fois moins d'énergie qu'une pompe à chaleur de COP 2.

Le COP de toute pompe à chaleur augmente avec la température de la source froide et diminue avec celle de la source chaude, il peut atteindre 5 à 7 en été pour de l'eau de piscine (air à 25 °C pour de l'eau à 28 °C) mais inférieur à 3 en hiver (les valeurs normalisées données par les fabricants sont pour un air à 7 °C et de l'eau de chauffage à 35 °C). Le COP n'a de signification qu'à températures de source froide et de source chaude données ; il ne peut jamais être égal à 1, même pour les très basses températures extérieures (< -15 °C).

Calcul du COP chaleur : pour un chauffage domestique, le maximum théorique est de l'ordre de 15 (en pratique, le COP brut des machines actuellement en vente est de 3 à 5). Précisons que l'énergie absorbée par tout le système doit également comprendre l'énergie absorbée par ses satellites (ventilateurs, pompes, …) pour que le COP calculé soit « réaliste ». De plus, le COP dépend des conditions de température de l'environnement dans lequel l'évaporateur absorbe la chaleur. De ce fait, la pompe à chaleur air/eau par exemple présentera par exemple un COP de 3.5 par +7 °C et de 2 à 0 °C extérieur. Notons que les PAC air/eau présentent des COP plus faibles que les PAC géothermiques sol/eau ou eau/eau. Le sol géothermique et l'eau de nappe présentent une température moyenne plus stable (et non négative) comparativement à l'air. Du fait de ses variations de valeurs de COP, on préfère parler de COP saisonnier ou de COP global annuel pour matérialiser la performance annuelle d'une pompe à chaleur.