Ordres de grandeur des énergies bas carbone
Les principales énergies bas carbone sont l’éolien, le photovoltaïque et le nucléaire, afin de pouvoir les comparer il faut trouver une base commune de comparaison. La puissance qu’elles peuvent produire sur un m² (W/m²) est présentée ci-dessous car elle permet d’avoir un ordre d’idée sur les ressources à mettre en œuvre pour alimenter la France en électricité.
Un autre intérêt d’utiliser la densité de puissance est d’éviter le tournis des nombres où, en matière d’énergie, les valeurs énormes sont difficiles à se représenter.
Par exemple, une personne à vélo (60 Kg et un rendement total de 85%) génère 150 W / m² d’électricité (source : puissance vélo).
Préambule pour différencier l’énergie de la puissance
On peut se représenter l’énergie comme un stock de force (électrique dans le cas d’une pile, thermique,…) et la puissance correspond à la vitesse à laquelle sort ce stock. Afin de se simplifier la vie et de pouvoir comparer les différentes formes d’énergies (électrique, thermique,…) , on utilise une seule unité : le Joule. La vitesse à laquelle sort cette énergie est le Watt soit 1 Joule par seconde.
Au final, la vitesse à laquelle sort cette force permettra soit d’allumer une ampoule (5 Joules/s) soit griller une tartine (1600 Joules/s).
Sur l’exemple ci-dessous, si une batterie contient 10 Joules d’électricité et qu’on utilise un câble permettant de transférer l’énergie à la vitesse de 1 J/s soit 1W, il faudra donc 10s pour remplir la seconde batterie.
Et les MW.h et autres kW.h ?
Un Joule correspond à élever 1g d’air sec de 1°C…cela est très faible comparé à nos modes de vie.
Par exemple, une personne dégage en permanence environ 100 Joules/s soit 8 640 000 Joules en une seule journée. Afin de simplifier les écritures, on parle en MegaJoules (1 000 000 Joules) voire GigaJoules (1 000 000 000 Joules). Pour une personne cela revient à 8.64 MJ.
Le « KiloWatt heures kW.h » est une autre façon de représenter le Joule, elle correspond au stock d’énergie constitué après avoir reçue 1 kJ/s pendant 1heure soit 1 kJ x 3600 s = 3600 kJ = 1 kW.h … idem pour le MW.h avec 1MJoules/s pendant 1h.
En ordre de grandeur, un foyer français consomme environ 14 MW.h d’énergie en 1 année soit 50 400 000 000 Joules.
Surface des éoliennes : entre une région et un département (entre 1 et 8W/m²)
Le parc moyen français génère 10 MW avec des 5 éoliennes de 2MW (source : gouvernement durable).
Exemple des éoliennes de Frénouville en Basse Normandie installées en 2008 (source : Windpower) : 12 MW pour 6 éoliennes.
Pour des éoliennes à proximité des habitations, la densité de puissance est de 1.5 W/m²
Etant donné que les éoliennes doivent respecter une distance minimale de 500m avec les habitations (source : ADEME), la surface occupée est de 2 km².
La puissance théorique maximale générée est donc de 6W/m² (12 MW / 2 km²).
En pratique, les éoliennes ne tournent que 1/4 du temps (facteur de charge moyen de 25% d’après RTE), donc ne génère que 1.5 W / m².
Sans se limiter par les habitations, la densité maximale de puissance est de : 7.5W/m²
Les surfaces bleues correspondent à une distance entre éoliennes d’environ 300m (source : gouvernement) soit au total 0.4km².
Pour 12 MW de puissance, la densité de puissance théorique devient 30 W/m² et diminue 7.5W/m² avec le facteur de charge.
La surface occupée peut être utilisée pour l’agriculture, cependant, à l’échelle d’un pays, la surface nécessaire sans habitation pour couvrir les besoins en consommation électrique (440 TW.h d’après gouvernement durable) est de 33 500 km² (1.5W/m² x 8760h x 33 500 km² = 440 TW.h).
Cela représente 5% du territoire (683 000 km²) soit l’équivalent des Pays de la Loire qui compte 4 millions de personnes à déplacer.
Pour une densité de 7.5W/m², la surface nécessaire est de 6700 km² soit l’équivalent d’un département.
Et le nucléaire ? Réponse : 21 km² avec 2300 W/m² pour alimenter la France
Par exemple, le site de Thionville est composé de 4 réacteurs de 1.3GW sur 155 hectares (source : mesure ci-dessous + confirmation ordre de grandeur sur la centrale de Chinon )
Son temps d’utilisation de 70% (facteur de charge source : RTE), permet de calculer une puissance générée de 2300 W/m² (4 x 1.3GW x 70% / 155 ha).
La surface nécessaire pour fournir les 440 TW.h consommées (source : cf Eolien) est donc de 21 km² (900W/m² x 8760h x 21 km² = 440 TW.h).
Surface du photovoltaïque : 2800 km² avec 18W/m² pour alimenter la France
D’après RTE, le solaire a produit en 2019 11.6TW.h pour 9.4GW installé soit un temps de fonctionnement de 3.3h / jour (facteur de charge = 14%)
Pour le calcul de facteur de charge de 14% :
- nombre d’heures de fonctionnement : 11.6TW.h / 9.2 GW = 1260 heures
- Nombre maximal d’heures dans une année : 8760h, 1260 heures représentent donc 14% du temps maximal
D’après le ministère de la transition, le nombre d’installations en mai 2020 est de 461 801 sites photovoltaïque pour 10 GW de puissance maximale. Un site moyen produit donc environ 21 kW.
Le parc du Centre Val de Loire est prix en exemple pour déterminer la puissance au m² (cf leur production en direct):
Avec 648MW.h produit en une année pour une puissance de 651 kW, leur facteur de charge de 11% est de l’ordre de grandeur du facteur de charge moyen en France.
La puissance produite en continue est donc de 74 kW (650 kW x 11%) sur une surface de 4 094m² revient à produire 18 W/m².
Pour produire les 440TW.h de la consommation française, il faudrait 2790 km² (0.5% du territoire).