Sustainable development and energy production

The following article is the fruit of a thorough reflection in the field of power productive plants on the objectives to achieve for fitting with the best criteria of sustainable development. It is obvious that the Total Cost of Ownership (TCO) of energy production plants would soon become the standard.

L'article ci-après est le fruit d'une réflexion approfondie sur les objectifs à atteindre dans le domaine des centrales de production d'énergie pour répondre parfaitement aux meilleurs critères du développement durable. Il est évident que le coût total de possession des centrales de production d'énergie deviendra bientôt le standard.

Read / Lire: "Critères du développement durable et de la Production d'Energie" ( French / Français )

Criteria of sustainable development - Critères du développement durable

Criteria relating to efficiency of energetic production ways

• 1)- REN (RENewable) - sans dimension, exprimé en pour cent
  This parameter defines whether the machine uses a renewable energy or not. The fossil fuel potential energy is non-renewable, while the energy supplied by the sun, wind or hydropower is renewable. When the primary energy is from fossil fuel type, working hours to make available this fuel are included in the calculation of the SEC factor. Ce paramètre définit si la machine utilise une énergie renouvelable ou non. L'énergie potentielle fossile est non renouvelable, tandis que l'énergie fournie par le soleil, le vent ou l'hydraulique est renouvelable. Lorsque l'énergie primaire est de type combustible fossile, les heures de travail pour mettre à disposition ce combustible sont intégrées dans le calcul du facteur SEC. Pour une installation utilisant 30% d'énergie fossile et 70% d'énergie renouvelable, REN= 70%.
  
  
• 2)- COP (Coefficient Of Performance) - sans dimension >1
  Le coefficient de performance d'une machine en fonctionnement stable est le rapport sur une période de temps suffisamment longue de la somme des énergies nettes fournies par la machine par la somme des énergies entrantes effectivement payées par l'utilisateur. Il caractérise l'aptitude de la machine à fournir plus d'énergie que celle payée par l'opérateur. Une partie de l'énergie entrante, non payée par l'utilisateur, est extrait du milieu environnant. Globalement, la somme des énergies sortantes égale la somme des énergies entrantes. Une machine dotée d'un COP élevé permet d'obtenir un kWh économique puisque le coût final pour l'opérateur est égal à:  Coût final kWh = Coût Initial kWh / COP.
  
  
• 3)- COE (Coefficient of Energy) - sans dimension >=1
  Le coefficient d'énergie d'une machine en fonctionnement stable est le rapport sur une période de temps suffisamment longue de la somme des énergies sortantes de la machine par la somme des énergies entrantes. Il caractérise le rapport d'amplification de la machine. Ce coefficient est couramment égal à l'unité sauf dans le cas de machines à énergie libre, dites surunitaires, pour lesquelles ce coefficient est supérieur à un. Il caractérise donc la capacité d'une machine à amplifier l'énergie entrante. Pour obtenir un COE>1, il faut que le conception de la machine crée une dissymétrie et un état instable permettant de créer une énergie excédentaire grâce un champ de potentiel. Il en résulte alors une violation de la 3ème loi de Newton et la réaction n'est plus égale à l'action.
  
  
• 4)- EFF (EFFiciency) - sans dimension, exprimé en pour cent
  C'est le rendement de la machine. Il caractérise l'aptitude d'une machine à restituer une part plus ou moins importante de l'énergie sortante sous une forme utilisable. Les pertes sous forme de chaleur rejetées dans le milieu ambiant créent par ailleurs des atteintes à l'environnement, particulièrement dans le cas d'une production très centralisée de centrales de grande puissance (centrales nucléaires: 3000 MW de chaleur rejetée à la rivière pour une production nette électrique de 1500 MW ). Un mauvais rendement est donc synonyme de pollution calorifique. Lorsque l'énergie primaire utilisée est d'origine fossile (charbon, gaz), un mauvais rendement entraîne également le rejet d'une plus grande quantité de gaz à effet de serre par MW produit.
  
  
• 5)- AVF (AVailability Factor) - sans dimension, exprimé en pour cent
  Ce facteur est le rapport du nombre d'heures de production annuelle de l'installation par le nombre d'heures annuelles. Une centrale robuste et simple  de conception a généralement un facteur de disponibilité élevé dans le cas de l'utilisation d'énergie fossile. Pour les énergies renouvelables, on peut prendre en compte les valeurs suivantes :
  
  • Eolien onshore bien venté : 25 %
  • Eolien offshore bien venté : 35 – 40 %
  • Solaire photovoltaïque : 12,5 %.
  Ce paramètre influe sur la quantité de GES produite, sur l'appauvrissement des matières premières et sur le coût du kWh.
  
  
• 6)- DUR (DURability) - Unité [ année ]
  La durabilité est la durée, exprimée en années, depuis la mise en service du produit jusqu'à la survenance de la période dite de ruine, au delà de laquelle une réparation s'avère trop coûteuse pour l'utilisateur. Ce critère influe sur la quantité de GES produites, sur l'appauvrissement des matières premières et sur le coût du kWh.
  
  
• 7)- MDP (Mass Divided by net output Power) - Unité [ T / MW _net ]
  Ce facteur est le rapport de la masse de la machine ou de l'installation (la quantité de matière utilisée) par la la puissance nette fournie. Il donne une information sur la quantité de matières utilisées pour la construction d'une installation produisant une puissance de 1 MW. Un faible MDP correspond à un faible coût de construction de la machine et une faible quantité de GES produite. Le plus mauvais ratio est à porter au crédit des centrales nucléaires: >100T/MW net.
  
  On a la relation suivante entre les coefficients MDP et SPP (SPecific Power) exprimé en MW/T:
  

  SPP = 1 / MDP

• 8)- MDE (Mass Divided by net output cumulated Energy) - Unité [ kg / MWh ]
  Ce facteur est le rapport de la masse de la centrale de production d'énergie (la quantité de matière utilisée) par l'énergie produite au cours de la durée de vie de l'installation. Il se calcule à partir du coefficient MDP de la manière suivante:

  MDE = MDP / ( 8.766 * AVF * DUR )

  Exemple:
  
  MDP= 100 T/MW, AVF=0.92, DUR=40 ans
  Alors: MDE = 100 / (8.766 * 0.92 * 40) = 0.31 kg/MWh
  
  
• 9)- DEF ( DEcentralization Factor = [ mean distance of actual network - distance of new installation ] / mean distance of actual network ) - Unité: without dimension, expressed in per cent
  Les distributeurs d'électricité connaissent parfaitement les pertes en ligne qui peuvent représenter 10 à 15 % de la production globale (En France en 2011: 34.9 TWh pour une production globale de 478.2 TWh soit 7.3 %). Pour une production de X TWh, on peut donc calculer la distance moyenne entre la source de production et le consommateur, puisqu'elle correspond à des chutes de tension en ligne (corrigé des pertes liées aux transformateurs de puissance). Ce paramètre définit la proximité des moyens de production et du consommateur final. Un coefficient élevé réduit les pertes en ligne, le nombre de lignes haute tension et donc l'empreinte sur l'environnement. Le rapprochement de la source de production et du consommateur final permet d'utiliser des centrales de cogénération qui ont des rendements beaucoup plus élevés que de simples centrales de production d'électricité.
  
  Exemple :
  Distance moyenne du réseau actuel : 280 km - distance du réseau d'un autoconsommateur : 0,030 km, alors:

  DEF = (280 - 0.030) / 280 = 100 %

  These economies of scale began to fail in the late 1960s and, by the start of the 21st century, central plants could arguably no longer deliver competitively cheap and reliable electricity to more remote customers through the grid, because the plants had come to cost less than the grid and had become so reliable that nearly all power failures originated in the grid. Thus, the grid had become the main driver of remote customers power costs and power quality problems, which became more acute as digital equipment required extremely reliable electricity. Efficiency gains no longer come from increasing generating capacity, but from smaller units located closer to sites of demand. For example, coal power plants are built away from cities to prevent their heavy air pollution from affecting the populace. In addition, such plants are often built near collieries to minimize the cost of transporting coal. Hydroelectric plants are by their nature limited to operating at sites with sufficient water flow. Low pollution is a crucial advantage of combined cycle plants that burn natural gas. The low pollution permits the plants to be near enough to a city to be used for district heating and cooling.

Criteria relating to depletion of material and water resources

• 10)- MRF (Materials Recycling Factor) - sans dimension, exprimé en pour cent
  Ce paramètre définit le pourcentage de matières récupérables en fin de vie du produit. Pour les centrales nucléaires démantelées, une partie des aciers ne pourront pas être réutilisés du fait de leur taux d'irradiation. Un facteur MDP élevé et un faible facteur MRF contribue à l'épuisement des ressources de matières premières. La crainte de manquer de matières premières dans le futur est une raison principale pour inclure ce paramètre dans les critères du développement durable.
  
  
• 11)- SFC (Specific Fuel Consumption) - Unité [ kg fuel / kWh ]
  Ce ratio est le rapport de la consommation de combustible par kWh d'énergie produit par la machine ou l'installation. Il caractérise l'appauvrissement des ressources de combustibles par kWh électrique produit. Pour une centrale électrique de rendement global EFF on peut calculer SFC de la manière suivante:
  

  SFC = ( 1 - REN ) / ( LHV * EFF )

  avec LHV (low calorific value - kWh/kg)

  Pour le pétrole: LHV = 11,628 kWh/kg. Avec un rendement de 37% et un pourcentage d'énergie renouvelable de 70%, il vient: SFC = (1 - 0,7) / (11.628 * 0,37) = 0.07 kg/kWh

• 12)- MDF (Material Depletion Factor) - Unité [ kg / MWh ]
  Ce ratio est le rapport de la quantité de matières premières consommées (non réutilisables après recyclage de l'installation) par le nombre de kWh produits. Il caractérise l'appauvrissement des ressources en matières premières. On calcule le ratio MDF à partir de MDE de la manière suivante:
  

  MDF = MRF * MDE

  Exemple :
  
  MDE = 0.31 kg/MWh, MRF = 80%
  Alors: MDF = 0.31 * 0.8 = 0.25 kg/MWh.
  
  
• 13)- WCR (Water Consumption Ratio) - Unité [ m³ / kWh ]
  Ce ratio correspond à la quantité d'eau consommée par une centrale électrique durant sa durée de vie divisée par le nombre de kWh produits durant cette période. Les m³ d'eau évaporés durant le processus ou rejetés dans l'environnement sans traitement minimum sont à prendre en compte dans le calcul. Par exemple, on comptabilisera l'eau évaporée dans une tour de réfrigération à tirage naturel, l'eau consommée pour extraire le combustible fossile de la mine.

Criteria relating to consumption of space

• 14)- SPF (Surfacic Power Factor) - Unité [ MW / ha ]
  Ce facteur correspond à l'empreinte au sol d'une centrale d'énergie de puissance d'un MW et est le rapport de la puissance de l'installation par la surface occupée au sol. Pour le solaire photovoltaïque, on peut considérer que l'empreinte est nulle lorsque les panneaux sont intégrés au bâti existant.
  
  
• 15)- SEF (Surfacic Energy Factor) - Unité [ MWh / ha ]
  Ce paramètre correspond au quotient de l'énergie annuelle produite par la surface au sol occupée par l'installation. Il complète le  facteur précédent en prenant en compte le facteur de disponibilité AVF de l'installation. Il vient donc:

  SEF = SPF * 8766 * AVF

Criteria relating to pollution emissions

• 16)- GGO (Greenhouse Gases in Operation) - Unité [ TCO² eq. / MWh net ]
  Ce paramètre correspond à la quantité de gaz à effet de serre produite lors du fonctionnement de l'installation (ce ratio est élevé pour des centrales hydrauliques installées en zone tropicale car la retenue d'eau produit du gaz méthane).
  
  
• 17)- GGM (Greenhouse Gases produced during Manufacturing process) - Unité [ TCO² eq. / MWh net ]
  Ce paramètre est la quantité de gaz à effet de serre émise pour fabriquer, transporter et monter l'installation: exprimée en T CO² / MWh. Ce ratio résulte de la puissance massique d'une part, des exigences sécuritaires (plus de matière), du lieu de fabrication par rapport au lieu destination finale (transport) et de la durabilité du produit. Le coût global d'émission de gaz à effet de serre est égal à:
  



• 18)- HEH (Harmfull materials for Environmental and Health) - Unité [ g / MWh net ] ou [ g / TEP ]
  Ce paramètre est la quantité de matières nocives pour l'environnement et la santé, produites par les machines de production d'énergie et les processus amont/aval liés au combustible durant l'exploitation de l'installation. Les matières sont classifiées par type: mercure, dioxine , pyralène, matières radioactives. Les coûts de nettoyage des terres, des rivières (accidents), de retraitement et de conditionnement des matières dangereuses produites par les industriels doivent être incorporés dans le prix de l'énergie afin de ne pas favoriser artificiellement une technologie non respectueuse de l'environnement. Chaque matière dangeureuse est classifiée suivant une échelle calculée en fonction du coût de réparation de l'impact sur l'environnement ou la santé (indemnisation aux victimes potentielles). Les particules fines PM10 et PM2.5 sont intégrées dans ce paramètre. Le coût global d'émission de ces polluants est égal à :
  



• 19)- EIR (Environmental Infringement Ratio)
  Ce paramètre représente le coefficient global d'atteinte à l'environnement et à la santé. En fonction des critères définis en toute impartialité par un organisme international indépendant, chaque pollution est affectée d'un degré de susceptibilité à l'environnement et à la santé. Il cumule donc les impacts environnementaux de la pollution calorifique (EFF), des gaz à effet de serre (GGO et GGM), des matières concentrées nocives pour l'environnement et la santé (HEH) ainsi que le facteur de recyclage (MRF) puisque les matières entreposées en décharges peuvent sur le long terme polluer les nappes phréatiques. Ce coefficient global permet de classifier immédiatement l'impact sur l'environnement et la santé des différentes technologies de production de l'énergie.
  
  
• 20)- SEC (Social Effort for Creation of the machine) - Unité [ hours / MWh ]
  Ce paramètre est égal au nombre d'heures totales de travail pour créer le produit divisé par le nombre de MWh produits par l'installation durant sa durée de vie. Ce sont les heures totales incluant la mise à disposition des matières premières (extraction des minerais, transport, fonderie), la maintenance des matériels et leur recyclage après démantellement de la centrale. Ce facteur représente le nombre total d'heures de travail annuelles dépensées par la collectivité pour pourvoir à son indépendance énergétique et s'exprime en heure/an.
  
  
• 21) - GED (Grey Energy Debt) - Unit [ kWh ]
  The grey energy debt is the amount of energy consumed for manufacturing a finished product, for its use and finally its recycling. Grey energy is generally the sum of :
  
  
  • The energy expended in designing the product or service,
  • The extraction and transport of raw materials,
  • The preparation of raw materials before their use,
  • The manufacture of the product / the establishment of the service,
  • Marketing the product or service,
  • The use and maintenance of the product or service,
  • Recycling.
  
  
  Grey energy is the energy debt of a product before it begins to produce energy.
  
  
• 22)- EDF (Energy Debt Factor) - Unit: no dimension, expressed in percent
  This factor equals the ratio of the total energy produced by the plant during its lifetime to the sum of grey energy. The ratio of the lifetime DUR of the product to EDF factor used to calculate the repayment period of the initial energy debt.

  Repayment period = DUR / EDF

• 23)- ENI (Energytic Intensity) - Unit [ MWh / € million ]
  This parameter is used by companies to measure their energy consumption based on sales turnover. Energy sobriety goes in the direction of increasing the profitability of the company. For a given consumption of fossil fuels, reducing ENI factor increases the GDP of a country.