Le transport de l'énergie

Pour résoudre le problème planétaire de l'énergie et réussir la transition énergétique que la planète appelle de ses vœux il faudra que l’homme s'implique dans de multiples aspects.
Pour bien appréhender les problèmes qu'il lui faudra aborder :

Il devra tout d'abord considérer qu’il y a une relation étroite entre l'énergie et le climat.

Il lui faudra aussi considérer non seulement la façon dont il produit l'énergie de son choix au travers des chaînes énergétiques, mais également la façon dont il la consomme. Vu le caractère aléatoire des énergies renouvelables, il lui faudra prendre en compte comment il est capable de la stocker et par la suite de la transporter vers les lieux d'utilisation sur de grandes distances.

 

 

Le transport des combustibles

 

La consommation mondiale de pétrole est estimée à 30 milliards de barils par an, soit puisque 1 baril=159 litres et la densité du pétrole de 0,8 une masse de pétrole de quelque 3,8 1012 kg. Cette masse correspond à la capacité de quelques 15 000 supertankers d'une capacité moyenne actuelle  de 250 000 tonnes. Les 8000 supertankers qui sillonnent les mers pour l’approvisionnement du monde en pétrole effectuent donc approximativement entre 4 et 5 allers retours par an. La consommation optimum d'un moteur thermique avoisinant 200 g/kWh, cette masse de pétrole représente une énergie considérable de 46,4 1012 kWh. Les gazoducs qui assurent le transport du gaz sont aussi du domaine de la démesure. La longueur totale des gazoducs dans le monde est estimé à plus de 1 million de km soit 25 fois la circonférence terrestre. Leur vulnérabilité aux actes de sabotage dans les zones de conflits ainsi que les trop grandes distances entre les gisements et les zones de consommation ont conduit à développer un mode de transport sous forme liquide. C'est ainsi que le gaz naturel liquéfié (GNL) moins volumineux qu'à l'état gazeux est transporté à -160°C et à la pression atmosphérique par les navires méthaniers. Un autre « combustible » peu volumineux  est lui aussi transporté : Il s’agit de l’uranium 

 

Vue aérienne Google Earth du site d’Arlit au Niger où est extrait depuis 1969 et par AREVA une bonne partie de l’uranium utilisé comme combustible dans nos centrales nucléaires. Moins vulnérable aux actes de sabotage que les gazoducs ce site a néanmoins été victime d’un enlèvement de son ancien directeur par la branche algérienne d’Al-Qaïda

 

 

Le transport des énergies
 électrique et thermique
.

 

S'il n'y avait les pollutions extrêmement graves en cas d'accident, un avantage du transport des combustibles par voie maritime semble tenir au fait qu'il s'effectue sans pertes d'énergie importantes. Ce n'est pas le cas du transport de l'énergie.

L'énergie, qu'elle soit électrique, hydraulique ou plus particulièrement thermique n'échappe pas aux pertes de puissance en ligne.

Même les circuits Haute tension (90 000 Volts) voire très haute tension des liaisons internationales (400 000 Volts) dans lesquelles circulent une intensité électrique moins importante n'échappent  pas à ces pertes égales à  W = R I² t pour une puissance transportée  P watt = U volt  x  I ampère. Seule l’apparition des supraconducteurs permettrait de les supprimer.

 

- Elles sont toutefois raisonnables et le transport de l'énergie électrique sur de grande distance est envisageable 1) 

- On peut aussi transporter dans de bonnes conditions l'énergie hydraulique dans des canalisations. L'eau a en effet une faible viscosité cinématique (1 centistoke) qui confère à l'écoulement dans la tuyauterie des pertes de charges très raisonnables 2)  (le lecteur peut se reporter au site www.oces.fr qui lui permet d'effectuer la vérification des calculs en ligne).

- En raison de sa chaleur spécifique élevée, l'eau est également un excellent véhicule thermique. La puissance thermique pouvant être délivrée par la même conduite d'eau est importante 3) et a pour valeur P = Q T c , T étant la température en degré Kelvin et Q  le débit de fluide circulant dans cette tuyauterie (c étant la chaleur spécifique de l'eau).

- Toutefois, les tuyauteries métalliques ne sont pas bien adaptées au transport de l'énergie thermique en raison des déperditions thermiques qui peuvent être redoutablement élevées si l'on néglige l'isolation de la tuyauterie 4).

 

Type d'énergie

1) Electrique

2) Hydraulique

3)  Thermique

Puissance P Watt

P=U I

P= Q p /360

P=Q T c

Unités

P en watt avec

- Tension U en volts

- Courant  I  en Ampère

 

P en kW =Q p /360 avec
- Q débit en  l/mn

-  p  pression en bar

P en kW avec

- Débit Q en kg/s

- Température T  (° Kelvin)

- c chaleur spécifique du fluide

c= 4,18 kJ/kg et °C

Pertes de puissance

DP= I(U1- U2)

U=RI

DP= Q(p1- p2)

DP= Q (Te- Ts) c

Remarque

Chute de tension en ligne

 par effet joule U1- U2

Pertes de charge

p1- p2 en ligne

Chute de température

en ligne Te-Ts

 

1) En matière d'énergie solaire, l'Allemagne et l'Algérie ont signé  en 2008 un projet de coopération novateur consistant à relier la ville algérienne d'Adrar et la ville allemande d'Aix la Chapelle par un câble électrique de 3000 km baptisé "clean power from desert"

 . 
L’Allemagne serait-elle championne des énergies propres 

 

2) A titre d'exemple une tuyauterie de diamètre intérieure D=5'' (125mm) est capable de véhiculer un débit d'eau de 1400 l/mn (23 kg/seconde)  sur 0,5 km avec une perte de charge limitée à environ 2 bar  (alors que l'on se trouve pourtant en régime turbulent) La puissance perdue en perte de charge (voisine de 4 kW) est donc très faible par rapport à la puissance thermique pouvant être véhiculée par la tuyauterie.

 

3) En effet, en prenant par exemple comme hypothèse Te = 70°C et Ts = 30°C on a Te – Ts = 40°C . Soit P = Q (Te –Ts) c = 23 x 40 x 4,18 = 3850  kJ/s équivalent à  3850 kW. Cette même tuyauterie serait donc suffisante pour alimenter par de l'aquathermie profonde une vingtaine d'immeubles d'une centaine de petits appartements de deux pièces. La puissance à développer en raison de la hauteur de charge dans le cas de la géothermie profonde où l'eau chaude est prélevée à environ 1000 m de profondeur est moins importante qu'on pourrait le penser et égale à environ 8kW pour une courbe piézométrique à -20m. (Voir figure 18)

 

4) Dans l'hypothèse où cette même tuyauterie de 5'' est en acier non isolée avec une température extérieure de 18 °C, les déperditions thermiques ne sont pas négligeables et ont effet pour valeur, sur la base d'une déperdition thermique de 15 watts/m² °C et une surface extérieure de la tuyauterie  S= πDL = π x 0,130 x 500 = 205 m². Soit une perte de puissance de P= 15 x (70 – 18) x 205 = 160 000 watts soit près de 160 kW ce qui impose de prévoir une isolation. (Voir aussi les pertes sur le réseau ECS d'un immeuble)

Ces pertes thermiques en ligne expliquent pourquoi les centrales thermiques du chauffage urbain utilisant pas exemple la combustion des ordures ne peuvent être trop éloignés des bâtiments à chauffer. Elles expliquent aussi pourquoi les centrales nucléaires calogènes se sont peu développées pour le chauffage urbain en raison de la proximité du réacteur par rapport aux habitations. Ces pertes thermiques en ligne semblent par contre très intéressantes dans le cas du chauffage thermodynamique géothermique et on a du mal à comprendre pourquoi les matériaux utilisés pour la circulation du fluide caloporteur dans les puits de forage sont encore en PEHD (polyéthylène haute densité) matériaux de synthèse ayant une faible conductibilité thermique  alors que des tuyauteries métalliques ayant une plus grande conductibilité semblent mieux adaptées pour transmettre les flux thermiques. Pour cela, des matériaux inoxydables comme le cuivre ou l’aluminium semblent mieux adaptés. Aves des surfaces d'échanges plus faibles les puits de forage seraient moins nombreux ce qui réduirait les frais d'installation.