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DIAGNOSTIC ENERGETIQUE
Economies d’énergie
Licence professionnelle
E2D2
Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
• Raréfaction des énergies fossiles
– Système fermé !
+100 Millions /an !
+ 210 Millions de TEP /an !
Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
Même avec le charbon, une croissance de 2% de la consommation d’énergie fossile ne « passe pas » le
siècle (pic tous fossiles au plus tard entre 2050 et 2100, dans tous les cas de figure).Source : Jancovici, 2007 Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Diagnostic énergétique : Pourquoi ?
• Impact visible sur l’environnement mettant en péril notre survie sur terre
Diagnostic énergétique : Dans quel cadre ?
• Objectifs de maîtrise des coûts (facture énergétique)
• Démarche de management environnemental, DPE, BC et politique d’amélioration continue
• Projet de remplacement de matériel en fin de vie, de réhabilitation de patrimoine
• Projet d’extension ou de rénovation, création de nouveaux sites
L’énergie : formes et unités
• Énergie = travail que peut fournir une force en action = N.m = Joule
• Puissance d’un système = capacité à échanger une énergie en un temps donné
P = énergie /tempsen Joule /s = Watt
• Energie primaire : potentiel énergétique de la ressource naturelle– Pétrole brut au fond de son puits, charbon dans la mine
mais aussi minerai d’uranium, vent, réserve d’eau, flux solaire.
• Energie finale : ce que j’arrive à exploiter et à livrer (énergie commerciale)– Produits pétroliers à la pompe, charbon de bois,
électricité
• Energie utile : ce que j’en fais…d’utile– Energie mécanique d’un moteur, flux lumineux d’une
lampe, chaleur, etc.
Energies : Différents stades de transformation
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
De l’énergie primaire à l’énergie finale
Moi consommateur : je paye
Mais physiquement que se passe-t-il?
Pertes production
fuites
Pertes en ligneCoût énergétique
extraction
Rendement
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
11,7 Gtepprimaire
Pétrole34,3%
Autres0,4%
Hydroélectricité2,2%
Nucléaire6,5%
Gaz naturel20,9%
Charbon25,1%
Biomasse10,6%
8,1 Gtep final
Gaz naturel16,0%
Biomasse et déchets13,7%
Charbon8,4%
Produits pétroliers42,3%
Electricité19,6%
L’ENERGIE FINALE(ma facture)= +
L’ENERGIE PRIMAIRE(le prélèvement aux
ressources)
De l’énergie primaire à l’énergie finale
Monde 2006
31% 69%Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
De l’énergie finale à l’énergie utile
Utile
Energiemécanique
Energielumineuse
Energiethermique
Energiemécanique
EnergiethermiqueCarburant
Finale
Electricité
De l’énergie finale à l’énergie utile
Energie mécaniqueÉlectricité > 90 %
Energie lumineuseÉlectricité < 15 %
Air comprimé Energie mécanique < 20 %
Carburant
Carburant
Energie mécanique
Energie thermique
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
~ 30 %
> 80 %
Etiquettes du DPEC
onso
mm
ati
on
én
erg
éti
que e
n
kWh
EP/m
2.a
n
Em
issi
ons
de g
az
à e
ffet
de
serr
e e
n k
g C
O2/m
2.a
n
• SI : Energie = joule = watt.seconde
• A l’échelle du citoyen :– Litre de carburant– Stère de bois – m3 de gaz– kWh électrique
• A l’échelle d’un pays ou planétaire :– TEP, MTEP ou GTEP– TWhélec
Energies : Différentes unités
1kWh = 36OOkJ (1 kcal = 4,18 kJ) 1 TEP = 11626 kWh = 7,33 barils
1MWh = 0,086 TEP
• Pétrole 1t = 1 TEP• GPL 1t = 1,095 TEP• Carburants liq 1t = 1,048 TEP• Gaz naturel 1t sur PCS = 1,117 TEP• Houille 1t = 0,619 TEP• Bois 1 t = 1,7 stère = 0,257 TEP
• Electricité 1000 KWhe = 0,2606 TEP ou = 0,267 TEP
1- Observatoire : 33%2- Office statistique des communautés européennes : 32,2%
Equivalence d’énergie
Que peut-on faire avec un kWh ?
Combien ça coûte un kWh ?
Combien de CO2 dans un kWh ?
Qu’est-ce qu’un kWh ?
Pour économiser….Il faut d’abord apprendre à
compter !
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Que peut faire un kWh (utile) ?
Combien de CO2 par kWh (final) ?
Qu’est-ce qu’un kWh (final) ?
Electricité : cuire une tarte !Mécanique : remonter 360 tonnes de sable d’un mètre
Carburant, gaz, électricité, bois, etc…Mais pas le travail mécanique humain !
Electricité : entre quelques grammes et 1 kg Combustibles : entre 0 et 600 g
1 gobelet d’essence300 g de bois sec2 boulets de charbon (pour ceux qui s’en souviennent !)….mais….18 m3 d’eau qui chutent de 20 mètres
Quelques ordres de grandeur
Combien ça coûte un kWh (final) ?
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Production et consommation !!
Quelques ordres de grandeur ! ! ! !
- 1 homme travaillant 8h produit 0,05 kWh d’énergie méca- 1 l d’essence produit 5 kWh soit 800h d’hommes- 1 français consomme 4,6 TEP/an soit 53500 kWh/an soit
l’équivalent de 106 journées de travail humain (2700 ans)- La consommation moyenne mondiale est de 1,7 TEP/an- 1TEP = chute de 10m de 426000 t d’eau = fission de 0,5g
U235
Prix des énergies en euros/100 KWh
Informations actualisées sur l’Observatoire de l’énergie :
www.developpement-durable.gouv.fr
Fioul domestique 8,93
Chauffage urbain 6,60
Propane 11,72
Charbon 6,75
Bois bûches 0,5m 3,60
granules vrac 5,18
Electricité simple tarif ~15,00
double tarif ~12,00
Gaz de ville ~10,10
Le diagnostic énergétique-méthodologies
• Analyse de la situation énergétique actuelle de l’entité (bilans énergétiques)
• Mesures physiques sur site (puissances, débits, températures, relevés compteurs, factures énergétiques)
• Quantification des potentiels d’économies d’énergie
• Définition d’un plan d’action hiérarchisé et chiffré pour la mise en œuvre de ces actions
Exemple de déroulement d’une étude énergétique
Etape Travaux en BET
Travaux sur site
par entreprise
Collecte données et examen sur place
Préparation des documents et questionnaires
Préparation campagne de mesures
Visite préliminaire :
Sensibilisation des intervenants Organisation de travaux
Visite intermédiaire / relevés
Examen sur place : recueil de données campagne de mesures examen installation étude de bilans
Préparation données et relevés
Aide matérielle, études et données
Déroulement d’une étude énergétique La phase diagnostic
Etape Travaux en BET
Travaux sur site
par entreprise
Analyses et évaluation économies d’énergie
Analyse et évaluation économies d’énergie : -réduction des pertes –mode d’exploitation –système de gestion -liste des actions possibles
Discussion avec les exploitants
Analyse et critique des propositions
Décision sur le plan directeur préliminaire
Conclusion et programme d’actions
Etablissement rapport et plan : -évaluation économique des solutions proposées -création de projets de plan directeur -intégration des objectifs de l’entreprise
Discussion avec les services concernés et direction
• Répertorier les parois : surface, coef d’échange K (W/m2°C)déperdition d’une paroi d(W/°C) = K.S
• Estimer le renouvellement d’air : Van = 0,5 Vh ou Vh…déperdition due à l’air neuf dan(W/°C) = 0,34.Van
• Calculer le total des déperditions par degré d’écart avec l’extérieur Sd = W/°C
• Déterminer les DJU (degrés jour unifiés)• Calculer la consommation annuelle d’énergie de
chauffage : C = Sd . DJU. 24 /1000.hch en kWh/an
• Estimer ou calculer la consommation annuelle d’énergie d’ECS.
• Exprimer ces énergies en énergie primaire : CTp
• Calculer la consommation annuelle par m2 (étiquette 1) : CTp/Sh
Exemple de diagnostic énergétique d’un bâtiment
Qualité du bâtiment : Etiquettes du DPE
Conso
mm
ati
on
én
erg
éti
que e
n
kWh
EP/m
2.a
n
Em
issi
ons
de g
az
à e
ffet
de
serr
e e
n k
g C
O2/m
2.a
n
• Isolation thermique de parois• Changement de menuiseries sv pour dv ou tv• Ventilation contrôlée double flux• Chauffe eau solaire….
Propositions d’améliorations
possibles
Chiffrage du coût de la modification
Coût annuel des économies d’énergies réalisées
Détermination du temps de retour
Le diagnostic énergétique-typologies de recommandations
• 1) Actions sur les comportements : sensibilisation, gestion, suivi (management)
• 2) Optimisation des conditions d’exploitation (point optimal, régulation, programmation…)
• 3) Maintien en état de l’existant pour en garantir les performances (cycle d’entretien, remplacement)
• 4) Investissements significatifs : actions sur enveloppe thermique, modification du schéma, récupération sur chaleurs fatales, recours aux ENR…
Optimisation des conditions d’exploitation
>> Point optimal de fonctionnementMinimiser le coût opératoire énergétique unitaire d’un
produit par substitution chaleur/force
>> Domaines d’applications- papeteries, sucrerie : pressage / séchage- sidérurgie : chauffage / laminage…- transport de fluide : chauffage / pompage- turbulence : transfert th / perte de charge
Matière première
Traitement 1 Traitement 2M X P
Q W
Optimiser la quantité (Q + W) /kg de produit fini
XXopt
Q(X)
W(X)
ET =W(X) + Q(X)
Co
nso
mm
atio
n d
’én
erg
ie
ETmin
Méthodologie
• 1) Modélisation en fonctions puissances :
Q=A.Xa W=B.Xb
A, B, a et b obtenus par des relevés de mesures
• 2) Energie totale finale :
et
1
.
.
A
BXopt XBXAEt ..
• 3) Energie totale primaire :
Rendements de conversion :
Primaire thermique hQ = 0,8Primaire électrique hW = 0,34
etwQ
XBXAEp
..
1
.
..
.
A
BXopt
W
Q
• 4) Optimum monétaire :
Prix unitaire des énergies finales (€/TEP ou €/kWh):
Energie thermique pQ Energie électrique pW
et XBpXApC WQET ....
1
.
..
.
Ap
BpXopt
Q
W
Optimisation d’un fonctionnement
• Séchage de pulpe de betteraves :• Problème : chercher les optimums énergétiques et financiers du pressage-
séchage de la pulpe de betterave dans deux cas : l’électricité est achetée à EDF ou bien, elle est autoproduite.
• Utilisée pour l’alimentation du bétail, la pulpe de betterave appauvrie en sucre a une siccité (pourcentage de matière sèche par rapport à la masse totale) initiale de x0 = 6% et doit être amenée à une valeur finale de 88%. Le traitement est assuré par deux opérations, le pressage jusqu’à une siccité intermédiaire x puis le séchage thermique jusqu’à xf = 88%. La pulpe sèche porte le nom de pellets.
• Données du problème :• Les données expérimentales fournies par les sucreries pour des siccités
intermédiaires allant de 10 à 20% nous conduisent aux expressions d’énergie :aux pressoirs W = 1,95 104 x4,36 en kWhe /t de pelletsaux séchoirs Q = 0,05 x-1 – 0,057 en tep/t de pellets D’autre part le fonctionnement des séchoirs consomme pour la rotation des tambours une quantité d’énergie indépendant de la siccité et dont la valeur moyenne est de 0,006 tep/t de pellets.
• - Electricité achetée à EDF : facteur de conversion 0,27 tep/1000kWhe prix 0,03 euro/kWhe
• - Electricité autoproduite : facteur de conversion 0,124 tep/1000kWhe prix 91,5 euro/tep
>> Cycle optimal d’entretien d’un équipement
>> Cycle optimal de remplacement d’un matériel
Maintien en état de l’existant
Fatigue et usure
Rendement h
ho
Durée du cycle fonctionnement / entretien
Durée du cycle fonctionnement / remplacement
remplacementtemps
entretien
h = P / M
fatigue
usure
Système indusM P
M - P
Evolution du rendement : avec t la durée de « demi vie »
Evolution du débit de matière première :
Coût de la matière première pour N jours de fonctionnement :
t
1
10.
Cycle optimal d’entretien
tP
M 10
.2..
2
0.0.N
MpNMpCm mm
Coût de base sans vieillissement Surcoût du au vieillissement
Coût de la régénération :
Coût total d’un cycle fonctionnement + entretien :
Coût unitaire (« par unité de produit » et par jour) :
.2.'..
2
00N
MpMpCg gg
2)'(...
2
000N
MppNMpMpCCC gmmggmT
.2
'
.. 000
Nppp
N
p
NP
CC
gmmgTUN
Optimiser le cycle Minimiser le CUN
Durée optimale du cycle :
'
..20
gm
gUN
pp
pNopt
dN
dC
Cycle optimal d’entretien
Coût de la matière première pour N jours de fonctionnement :
Coût de remplacement :
Coût total d’un cycle fonctionnement + remplacement :
Coût unitaire du cycle :
Cycle optimal de remplacement
.2..
2
0.0.N
MpNMpCm mm
0.MpCr r
2...
2
0.00N
MpNMpMpCCC mmrrmT
.2.. 000
Npp
N
p
NP
CC
mmrTUN
Durée de vie optimale du matériel :
m
rUN
p
pNopt
dN
dC ..20
• Entretien d’une chaudière à vapeur :
• Problème : • Une chaudière à vapeur doit produire 85 t/h de vapeur à
partir de fuel lourd.• Elle fonctionne 24h/24 et son rendement est passé de 0,85
à 0,8 en 150 j du fait de l’encrassement des surfaces d’échange. Un nettoyage coûtant 1500 euro, quelle est la périodicité optimale du cycle fonctionnement/entretien ?
• Données : • - Pour le calcul de la puissance utile à la chaudière on
prendra : hv – hl = 2000 kJ/kg• - PCI du fuel = 40000 kJ/kg• - prix du fuel = 0,3 euro/kg
Optimisation d’un cycle d’entretien
1) Références d’un calcul économique
2) Méthodologie
3) Temps de retour brut
4) Exemple d’application
Choix d’un investissement optimal
Références d’analyse économique
Décideur borné / parieur
« Produits miracles? »
• Économies d’énergies par suréquipement
Risque d’un bilan total ~ 0
Contenu énergétique ou énergie grise
!
Bilan énergétique capteur solaire thermique
Matériaux Masse/m2 CE/EG(kWh/kg) CE/EG(kWh/m2)
Acier 4,5 11,6 / 7,7 52,3 / 36,7Aluminium 6,5 69,7 / 70 453,1 / 455Cuivre 2,5 29 / 15,9 72,5 / 39,8Plastique 6,8 23,2 / 21 157,8 / 142,8Verre 8,8 7,2 / 16,3 63,4 / 143,4Divers 0,1 8,1 0,8Total ++++++++
++++++++++ 799,9 / 818,5
Assemblage 10% +++++++++ 80 / 82
880 / 900 kWh/m2
~ Deux ans de « remboursement » avant production effective !!!!
• Exprimer chaque poste de dépense (investissement, fonctionnement, entretien..) en fonction du paramètre caractéristique du problème (e isolant, T° fluide, D conduite..)
• Coût total de l’opération CT(x) = (S différents coûts)
• Investissement optimal obtenu pour dCT/dx = 0 on obtient xopt et CTmin
• Conclusion sur le choix du système en prenant le produit commercialisé le plus proche de xopt.
Méthodologie
Temps de retour brut
Deux problématiques
Rentabilité d’un système économe
Choix entre différents systèmes
I = investissement
E = économie annuelle
tr = I / E
SI = surinvestissement
E = économie annuelle
tr = SI / E
! Si tr > durée de vie du système !!
Optimisation d’un investissement• Ligne de transport d’huile légère :
• Problème : concevoir une ligne de transport d’huile légère (conduite à installer, puissance du groupe moto-pompe).
• On recherchera le diamètre optimal de conduite permettant de minimiser le coût total de l’installation calculé sur la durée de vie de l’ensemble (investissement + fonctionnement de la pompe).
• Données du problème : • Huile légère : - Longueur de la ligne de transport : 1000 m • - débit massique d’huile transportée qm = 50 kg/s. • - masse volumique r = 800 kg/ m3
• - viscosité cinématique n = 95. 10-6 m2/s.• - Rendement de la pompe h = 0,35.• - Durée de vie de l’installation estimée à 30000h.• - Coût d’achat C1 du groupe moto-pompe fonction de sa puissance Pp (en W) :
C1 = 3200 + 0,026.Pp• - Prix du mètre de conduite fonction du diamètre D (en m) : pc = 82.D – 2,94• - Prix de l’énergie électrique : pw = 0,05 euro/kWhe
• Rappels : • Puissance d’une pompe : Pp = qv.Dp/h en W• Perte de charge dans une conduite : Dp = l.L.r.V2/2.D en Pa• Coefficient de perte de charge (Blasius) : l = 0,316 Re-0,25
• Nombre de Reynolds : Re = V.D/n
• Mécanisme de l’effet de serre– Bilan thermique terrestre– Forçage radiatif– Principaux GES – progression des
émissions– Conséquences– Emission limite par individu
• Pouvoir de réchauffement global d’un gaz– Equivalent carbone– Facteur d’émission – ex d’application– Etude de cas
Introduction au bilan carbone
source : GIEC
Mécanisme de l’effet de serre
49
342 W/m2
7730
67
350
40
24168
Bilan nul
324
78
165
30
IR
Forçage radiatif
15°C au lieu de -18°C
G E S
Actuellement : Bilan = + 1,5 W/m2
Qu’est ce qu’un gaz à effet de serre ?
Définition :
Un gaz à effet de serre est un gaz présent dans la troposphère (la basse atmosphère) qui intercepte une partie du rayonnement terrestre (essentiellement composé d’infrarouges).
Son efficacité :le forçage radiatif, définit quel supplément d’énergie (en watts par m2) est renvoyé vers le sol par une quantité donnée de gaz dans l’air.
50Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Exemple de forçages radiatifs
+ 1 ppm CO2
+ 14 mW/m2
+ 1 ppm CH4
+ 370 mW/m2
51Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Les principaux gaz « à effet de serre »
Gaz Origine
H2O – Eau Évaporation
CO2 – Gaz carbonique • Combustion pétrole, gaz, charbon • Déforestation
CH4 – Méthane; « Gaz Naturel »
• Décomposition anaérobie de composés organiques (Bovins, rizières, décharges…) • Pyrolyse des composés carbonés (combustibles fossiles, brulis… )
N2O – Protoxyde d'azote
Engrais azotés - industrie chimique
HFC – PFC – SF6
Hydrocarbures Fluorés (CFC, HCFC…)
Gaz réfrigérantsProcédés industriels divers (expansion des mousses plastiques, composants électroniques, appareillage HT, électrolyse de l’alumine…)
O3 – Ozone Pas d'émission directe - réaction C.O.V. + NOx
Kyo
toM
on
tréa
l
52Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
2010
Concentrations atmosphériques du CO2, CH4, N2O sur les 650.000 dernières années
(Source GIEC, AR4, 2007)
Début de la révolution industrielle
Concentration sur les 2000 dernières années(Source : GIEC, AR4, 2007)
Evolutions des émissions dans l’atmosphère
2100 ? (550 ppm)
2100 ?(1000 ppm)
53Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Quelles conséquences ?
• Océans :– Augmentation du niveau des océans, – Evolutions des courants marins, – Evolution du pH de l’eau.
• Modification des phénomènes extrêmes• Ecosystème :
– Disparition, affaiblissement, migration, renforcement d’espèces
• Santé humaine :– Vagues de chaleur ou de froid, déplacement des
zones endémiques de maladies…– Insuffisance alimentaire, pressions aux frontières… ?
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
A court terme, l’évolution est scellée.Source : Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, IPCC, 2007
Evolution de la température moyenne
Évolution régionale de la température moyenne par rapport à [1980-1999] pour 3 scénarii. (B1 = émissions constantes ; A1B = émissions qui doublent, A2 = émissions qui quadruplent).
55Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Source: Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, GIEC, 2007
Zone blanche = pas de consensus entre modèles
Pointillés = plus de 90% des modèles d’accord sur le sens de l’évolution
Apports en pluieEvolution des précipitations en 2090-2099 par rapport à la moyenne 1980-1999.
Moyenne inter-modèles pour deux scénarii (pas de couplage avec le cycle du carbone).
56Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Modification de la circulation océanique
Ralentissement du Gulf Stream en Atlantique nord lié à :– Forte précipitation sur cette zone (eau douce)
– Déstockage des glaces du Groenland (eau douce)
57Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Puits et sources
Sous l’effet du réchauffement, des systèmes absorbant les GES de l’atmosphère pourraient les restituer.•Forêts :
– Ralentissement de la photosynthèse lié au stress hydrique / espèces inadaptées : captage
– Accélération de l’activité microbienne de digestion avec l’augmentation de température : émissions
•Pergélisols :Des hydrates de méthane sous un couvercle de sol gelé .
•Océans :Dégazage (partiel) des carbonates en solution suite à une
augmentation de température : HCO3- + H+ CO2 + H20
Autre influence : pH.
58Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
L’arrêt des perturbations n’est pas immédiat après la stabilisation de la concentration en CO2, notamment à cause de la « durée de vie » de ce dernier dans l ’atmosphère
(Source : Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC)
Élévation du niveau des océans due à la fonte des glaces
Élévation du niveau des océans due à la dilatation de l’eau de mer
Température moyenne
Concentration en CO2
Hypothèse : évolution des émissions de CO2
Une très forte inertie
59Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Atmosphère
Biosphère Océans
Lithosphère
Flux Anthropiques
Atmosphère
Biosphère Océans
Lithosphère
Flux Naturels
Bilan des flux de carbone annuelsEn Gtonne de C/ an
61,5 60 92 90
0,8 0,04
Émissions totales : 150 GtCSéquestration : 153.5 GtC
1.0
6.0
Émissions totales : 7 GtC Séquestration : 0 GtC
60Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Émissions de CO2 par habitant en 2003 en teq Carbone et « droits maximaux à émettre sans perturber le climat »(Source WRI pour les émissions par habitant, sur données AIE et UN)
Droit maximal à émettre si nous voulons diviser les émissions mondiales de CO2 par 2, avec 7 milliards d’habitants
Idem si nous voulons diviser les émissions mondiales de CO2 par 3, avec 9,3 milliards d’habitants
Facteur 4
Ton
ne
s e
q C
/ a
n
500 Kg C
Qu’émettre au plus pour arrêter d’enrichir l’atmosphère en CO2?
61Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
(Source : Jancovici, 2001)
Que faire avec un droit de 500 kgeqC ?
En l’état actuel des technologies, pour émettre ce «droit», il suffit de faire l’une des choses suivantes :
faire un AR Paris-NY en avion,
ou consommer 3 700 kWh d'électricité en Grande Bretagne ou 3 200 kWh en Allemagne, mais 24 000 kWh en France (consommation annuelle moyenne par Français : environ 8 000 kWh),
ou acheter 50 à 500 kg de produits manufacturés,
ou construire 4 m² de logement en béton,
ou parcourir 6 000 km en 6CV en zone urbaine,
ou brûler 7 200 kWh de gaz naturel (quelques mois de chauffage d'une maison).
62Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Quantification et comptabilisation des émissions de GES
Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Forçage radiatif au cours du temps d’une tonne de gaz émise à l’instant 0 (axe horizontal : en années -échelle logarithmique ; axe vertical : forçage radiatif en W/m² – échelle logarithmique)
Source : D. Hauglustaine, LSCE
La durée de résidence des gaz dans l’atmosphère peut évoluer à l’avenir
(notamment pour le CO2)
Forçage radiatif et durée de résidence
64Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Une équation compliquée, mais une signification « très simple » !
PRGFgaz (t)dt0
NFCO2
(t)dt0
N
Le Pouvoir de Réchauffement Global : combien de fois le CO2 ?
Pouvoir de réchauffement global d’un gaz : PRG
65Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
PRG = équivalent CO2
(GIEC, 2007)
Gaz Formule PRG à 20 ans PRG à 100 ans
Dioxyde de carbone CO2 1 1
Méthane CH4 72 25
Protoxyde d’azote N2O 289 298
Hydrofluorocarbures CnHmFp 440 à 12 000 124 à 14 800
Perfluorocarbures CnF2N+2 5 210 à 8 630 7 390 à 12 200
Chlorofluorocarbures CnClmFp 5 300 à 11 000 4 750 à 14 400
Pouvoir de Réchauffement Global des gaz à effet de serre
66Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
L ’unité de mesure des physiciens : l’équivalent carbone
Notion d’équivalent carboneCO2 CX 12/44
X 44/12
(d’après GIEC, 2007)
Gaz Formule kg éq C/kg kg éq CO2 /kg
Dioxyde de carbone CO2 0,27 1
Méthane CH4 6,82 25
Protoxyde d’azote N2O 81,3 298
PFC CnF2N+2 2 015 à 3 330
7 388 à 12 210
HFC CnHmFp 34 à 4 040 124,6 à 14 813
Hexafluorure de soufre SF6 6 220 22 806
67
12 + 2 x 16 = 44 g/mol12 g/mol
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Emissions de GES : calcul ou mesure ?
• Impossibilité de mesure directe systématique
• Construction de facteurs d’émissions– Mesure initiale des émissions (kg de gaz) d'une
situation « standard »,Ma vache émet 40O g de méthane /jour
– Conversion en impact à l’aide des PRG,Ma vache a un impact de 400*25 = 10 kgeqCO2/jour
– Utilisation de ce ratio pour des situations similaires.Les vaches comme la mienne ont un impact de 10 kgeqCO2/jour
68Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Le référentiel Bilan Carbone®
Matériaux entrants fabrication initiale
Energie & Processtransformation
Transport fret amont
Transportfret aval
Déchets fin de vie
Transport personnes
Transportfret interne
Produits finis utilisation
Immobilisations
69
Les gaz pris en compte
Tous les gaz émis par l’homme et ses activités qui ont un impact sur l’effet de serre :
• Gaz de Kyoto (CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6),
• CFC (Montréal),• Eau relachée en altitude,• C.O.V., NOx… (faible PRG)
Utilisation du PRG à 100 ans (enjeux climatique 2100, période de résidence du CO2)
Ozone non pris en compte. faible durée de résidence, incapacité à calculer les émissions indirectes, peu d’émissions directes.
70
• Le gazole est un hydrocarbure CxHy de composition moyenne massique : 86% de Carbone, 14% d’Hydrogène. L’IFP a déterminé que pour produire une « tep » de gazole, les émissions liées à l’extraction et au transport du brut sont de 60 kgéquiC/tep, les émissions liées au raffinage sont de 31 kgéquiC/tep.
• 1) Déterminez le facteur d’émission du gazole et les fractions relatives (en %) dues aux différentes opérations : extraction et transport, raffinage, combustion.
• 2) Sachant qu’une tep de gazole correspond à 1183 litres, en déduire le facteur d’émission du gazole exprimé kgéquiC/l.
• Emissions liées à la combustion : 1 tep produira : 1000x0,86 = 860 kgéquiC/tep.• Facteur d’émission du gazole par tep = 60 + 31 + 860 = 951 kgéquiC/tep dont 6,3%
pour l’extraction et transport du brut, 3,3% pour le raffinage et 90,4% pour la combustion.
• Facteur d’émission du gazole par litre = 951 / 1183 = 0,80 kgéquiC/l.
Exemple de calcul de facteur d’émission
kg équivalent carbone par tonne équivalent pétrole, en analyse de cycle de vie(ADEME)
Facteurs d’émission relatifs aux combustibles fossiles utilisés par les
sources fixes
Gaz natu
rel
Gaz natu
rel liq
uéfié (
GNV)
Gaz de p
étrole
liquéfi
é (GPL)
Pétrole
brut
Kérosèn
e
Fioul d
omestique
Gazole
Fioul lo
urd
Coke de p
étrole
Coke de h
ouille
Coke de l
ignite
Gaz de h
aut fo
urnea
u 0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
651 651 731833 845 856 856 890
1,0961,222 1,233
3,060
Facteur d'émissions pour quelques combustibles fossiles, kgeqC/tep
72Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Grammes équivalent CO2 par kWh (sortie de centrale) pour divers producteurs européens, pour les seules émissions liées à l’utilisation de l’énergie primaire (European Carbon Factor, 2007)
Facteurs d’émission par kWh électrique
Allemag
ne, En
BW
Allemag
ne, Eo
n
Allemag
ne, RW
E
Autrich
e, Verb
und
Belgique,
Electr
abel
Danem
ark, E
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Danem
ark, e
nergi E
2
Espag
ne, En
desa
Espag
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cantab
rio
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ne, Union Fe
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Espag
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Finlan
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CNR
France,
EDF F
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France,
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GB, Briti
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GB, Drax
GB, EDF E
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GB, Eon UK
GB, RW
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GB, Sco
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Southern
Grèce,
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Italie
, Endesa
Italia
Italie
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n
Italie
, ENEL
Norvège
, Stat
kraft
Pays-B
as, Es
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Portuga
l, EDP
Républiq
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CEZ
Suèd
e/All,
Vatten
fall
0
200
400
600
800
1000
1200
242
410
807
131
319
436
677
538
872
241
549
822
56126
048
919
105
829 806
709 679
486
993
500575
501
0
474
589554
410
Facteur d'émissions pour quelques producteurs européens d'électricité, geqCO2/kWh
73Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Grammes équivalent carbone par passager.km pour divers modes de transport, en ordre de grandeur
(Source ADEME)
Facteurs d’émission approximatifs par passager.km
Train SNCF Train Royaume Uni Bus Voiture, route Avion, long courrier
Voiture, ville Avion, court courrier
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
3
20
27
58 60
88
69
Facteur d'émissions pour quelques modes de transport, geqC/(passager.km)
74Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
kg équivalent C par kg d’aliment pour divers produits agricoles,(Source Manicore/ ADEME)
Facteurs d’émission de quelques aliments
75Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Apprendre à compter
Exercices
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Objectifs
• Problème posé :– Une situation initiale et une évolution– Quel(s) impact(s) ?
• Objectifs– Quantifier des émissions pour faire le bilan de
la situation : hypothèses, méthodologie, ordres de grandeur,…
– Conclure en resituant le cas particulier étudié dans un contexte global
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Exercice 1 : énoncéTransport fluvial et/ou routier
R ouen
Paris
Paris vers Rouen Papier à recycler
RouteFleuve et
route
Situation initiale 80 000 t
Situation envisagée 80 000 t
Projet : remplacer la route par le fleuve
Travail à réaliser : quantifier l’impact « carbone » du projet
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Exercice 2 : énoncéValorisation de méthane (d’origine fossile)
Projet : depuis 1990, au gré des réglementations le traitement des effluents gazeux a évolué.
Travail à réaliser : quantifier les émissions de « carbone » à chaque étape de traitement
R e je tsg azeu x5 0 0 N m 3 /hC H 4 : 4 0 %
U n ité in d u s tr ie lle
D ég ag em en tà l 'a tm o sp h è reju sq u 'en 1 9 9 7
C o m b u stio nen to rch è re
d ep u is 1 9 9 7
M o teu r à g azg ro u p e é lec tro g èn e
A lte rn a teu r
79Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Exercice 3 : énoncéRestaurant de l’INSA de Lyon
??? g équ.C
Un groupe d’étudiants a effectué le Bilan Carbone® de la cafétéria de l’INSA de Lyon. Les informations en partie traitées doivent permettre de connaître le contenu « carbone » de l’assiette.
Travail à réaliser : quantifier ce contenu et les différentes proportions des émissions de « carbone »
80Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Exercice 3 : éléments de réponseRestaurant de l’INSA de Lyon
Autres produits alimentaires
25%
Energie19% Déchets
13%
Viande32%
Fluides frigorigènes
3%
Amortissement4%
Transports4%
650 g équ.C
« Mangez moins bête ! »
1 repas alternatif par semaine
81Support pédagogique élaboré par le groupement Climat Mundi, Cm3e et AlternConsult pour l’ADEME
Valorisation de chaleur perdue
Analyse exergétique
Economies d’énergie par modification du schéma de
fonctionnement
Qualité d’une énergie
BESOINS & NIVEAU DE TEMPERATURE
• Rejets thermiques• Déchets de production• Pertes thermiques directes
et h anormal
Disponibilités à Td
Besoins – Utilisations à Tb
Rejets à Tr
Expertise énergétique
Diagramme (T,H )Température °C Puissances kW
Fluide entrée sortie donneurs accepteurs
1 220 40 1800
2 320 200 2400
3 140 40 800
4 100 100 1200
Four 1900
5 20 320 6000
6 220 220 600
aéroréfrigér 1500
Quelques infos supplémentaires
Le « MELTIDE K » !Matière première
Energie
Labeur
Temps
Information
Dimension
Eau
Capital monétaire
SYSTEME INDUSTRIEL
BIENS ET SERVICES
UTILISATEURS
SOUS PRODUITS
RE-EMPLOIREJET DANS L’ENVIRONNEMENT
EMPREINTE ENVIRONNEMENTALE !!
Le contenu énergétique
« L’Energie grise » !
Usage et Fin de vie
Clientèle
Transformation
Distribution
Conversion Stockage
Transport
Raffinage
Extraction
Combustible
Matériaux
Analyse du Cycle de Vie : ACV
Exemples d’énergie grise
Matière première Egrise
Fer à béton 9 kWh/kgAcier inox 12 kWh/kgAluminium 0% recyclé 53 kWh/kg
Aluminium 100% recyclé 5 kWh/kg
Cuivre 15,5 kWh/kg
Lamellé collé 2,8 kWh/kg PVC 17,5 kWh/kg Bois 0,55 kWh/kg
Béton lourd 0,4 kWh/kg (900 kWh/m3)
Eau 1,7 .10-3 kWh/kg
Canette alu 0,9 kWh100 feuille A4 8,1 kWhMouton régional 18 kWh/kgMouton NZ 80 kWh/kgPain 14,7 kWh/kg
(4,9)
Bœuf 15,1 kWh/kg(8,8)
Veau 40,3 kWh/kg (21,6)
Poulet 2,23 kWh/kg(1,1)
Lait 0,82 kWh/kg(1,1)
(Egrise/v nutritive)
Et aussi ... !!
• Vue plus globale : développe le sens critique
« produit miracle » éthique de vie
• Données difficiles d’accés et variables• Calculs longs et délicats
Avantages - Inconvénients
« Etude de l’impact climatique »
Données ACV à la base des facteurs d’émission utilisés dans un comptage carbone
• Matière première Egrise kWh/kg Facteur d’émission kg équ.C/kg
• Fer à béton 9 0,87• Acier inox 12 0,87• Aluminium 0% recyclé 53 2,68• Aluminium 100% recyclé 5• Cuivre 15,5 0,8• Lamellé collé 2,8• PVC 17,5 0,515• Bois 0,55 0,01• Béton lourd 0,4 0,1• Eau 1,7 .10-3 • Pain 14,7 0,13• Veau 40,3 16• Bœuf 15,1 7,3• Poulet 2,23 0,8 à 1,3• Lait 0,82 0,33
Quelques valeurs…