Le cuivre et la société

Cuivre et carbone

Les contributions du cuivre pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre

Augmenter le diamètre des fils et câbles dans les caténaires et les bobinages des moteurs et des transformateurs peut améliorer considérablement leur efficacité énergétique. L’utilisation d’1 kg de cuivre supplémentaire peut permettre d’éviter l’émission de 100 à 7 500 kg de gaz à effet de serre (équivalent dioxyde de carbone : CO2eq). Dans le même temps, les économies d’énergie réalisées vont, dans la majorité des cas, permettre de diminuer les coûts sur l’ensemble de cycle de vie du système considéré.

Chaque élément conducteur d’un système électrique possède une résistivité intrinsèque. Cela signifie qu’une partie de l’énergie qu’il transporte est dissipée (donc perdue !) en chaleur. De plus, cette énergie électrique gâchée produit des émissions carbonées qui contribuent au réchauffement climatique.

Une décision primordiale, dans la lutte contre les pertes, est d’utiliser un conducteur en cuivre.

A diamètre équivalent, la différence de résistivité entre le cuivre et l’aluminium permet d’expliquer que les conducteurs en cuivre n’affichent que 61 % des pertes engendrées par les conducteurs en aluminium. Une fois que la décision en faveur du cuivre est réalisée, les pertes énergétiques peuvent encore être réduites en augmentant le diamètre du conducteur. Bien que la technique ait ses limites, il est possible de définir un optimum environnemental pour les bobinages des moteurs et des transformateurs, les câbles électriques et les caténaires, qui propose  des sections de conducteurs bien supérieures à celles décrites par les normes. De plus, l’augmentation du diamètre des conducteurs va permettre, dans la grande majorité des cas, de réduire le coût du cycle de vie du système.


Figure 1 : le diamètre de câble le plus économique est, dans la plupart des cas, 3 fois supérieur aux préconisations normatives

D'un point de vue environnemental et économique, investir dans des conducteurs contenant plus de cuivre est tout à fait justifié.

Les exemples suivants décrivent comment, en augmentant le diamètre des conducteurs en cuivre, il est possible de réduire les émissions carbonées :

Un moteur à induction de 15 kW peut éviter l’émission de 15 320 kg de gaz à effet de serre au cours de sa durée de vie

Un moteur de pompe à eau basse tension de 15 kW peut piloter un compresseur ou gérer un système de ventilation. Augmenter la performance de ce dernier d’une efficacité standard de 89,4 % à une efficacité de 91,8 % requiert une augmentation de la masse des conducteurs en cuivre de 8,3 à 10,3 kg. Considérant que la durée de vie du moteur est de 20 ans et qu’il travaille à 50 % de charge 6 000 heures par an, l’outil d’optimisation environnemental (eco-design) calcule une réduction des émissions de 15 320 kg  de CO2eq (en utilisant la moyenne du mix énergétique européen). Cela implique donc une réduction de 7 660 kg de CO2eq par kg de cuivre additionnel.

Ce modèle peut être très largement commenté en fonction des mix énergétiques locaux. En France, par exemple, où l’énergie nucléaire est prédominante, la réduction est de 1 550 kg de CO2eq par kg de cuivre additionnel. Tandis qu’en Pologne, où l’électricité est générée principalement par des centrales à charbon, elle est de 15 980 kg.

Un transformateur de 1,6 MVA peut éviter l’émission de 1 023 kg de gaz à effet de serre pour chaque kg de cuivre supplémentaire utilisé

Un transformateur refroidi à l’huile de 1,6 MVA est utilisé pour connecter un site industriel au réseau public haute ou moyenne tension. Faire passer l’appareillage de la classe AA’ à la classe CC’ ou bien utiliser un cœur en acier amorphe demandent respectivement 220 et 720 kg de cuivre supplémentaires. Considérant une durée de vie de 30 ans et une charge à 50 % pendant 8 760 heures dans l’année, l’outil d’optimisation environnemental (eco-design) calcule une réduction des émissions de 1 023 kg de CO2eq  pour chaque kg de cuivre additionnel pour la classe CC’ et 550 kg de CO2eq  pour chaque kg de cuivre additionnel pour le cœur en acier amorphe (en utilisant la moyenne du mix énergétique européen).

Les fils électriques utilisés dans un petit bâtiment de bureaux peuvent réduire les émissions carbonées de 6 000 kg

En utilisant un logiciel de dimensionnement classique, les fils électriques utilisés pour la construction d’un bâtiment de bureaux de 1 000 m² représentent 32,5 kg de cuivre. En passant au calibre juste supérieur, la masse de cuivre monte à 52,2 kg et évite l’émission de 6 000 kg de CO2eq (avec le mix énergétique européen) durant la durée de vie de l’équipement. Une réduction de 400 kg de CO2eq par kg de cuivre additionnel est donc ainsi obtenue. En optimisant encore le système vers son rendement le plus efficace, on obtient 114 kg de cuivre. Dans ce cas la réduction des émissions carbonées est évaluée à 11 100 kg sur la durée de vie des câbles soit 137 kg de CO2eq par kg de cuivre additionnel.

 
 

Figure 2 : comparaison de l’empreinte carbone de différentes tailles de câbles en fonction du volume du bâtiment. Le cas de ‘base’ correspond à la norme internationale. ‘S+1’ et ‘S+2’ correspondent à des câbles surdimensionnés respectivement de 1 et 2 grades par rapport au calibre normal. ‘Economic’ fait référence au plus bas coût sur le cycle de vie et ‘Carbon’ désigne l’empreinte carbone la plus basse.

La configuration la plus économique demande une augmentation significative du diamètre et conduit à une empreinte carbone proche de l’optimal.

Les caténaires des lignes de chemin de fer hollandais peuvent réduire les émissions carbonées de 93 kg par kg de cuivre additionnel

Les voies ferroviaires en Hollande utilisent des lignes à 1,5 kV en courant continu. L’augmentation du diamètre des caténaires de 500 à 800 mm² conduirait à l’utilisation de 2 670 kg de cuivre supplémentaire par km de voie. Ceci aurait pour résultat, considérant la moyenne du trafic ferroviaire du pays, d’abaisser les pertes de 488 MWh pendant la durée de vie du système. L’outil d’optimisation environnemental (eco-design) calcule, en utilisant le mix énergétique européen, une réduction de 93 kg de C02eq par kg de cuivre additionnel pendant l’ensemble de la durée de vie du système.

Des bénéfices environnementaux multiples

Comme ces exemples le démontrent, les réductions des émissions carbonées sont les plus hautes pour les appareils utilisés intensivement dans des pays où l’utilisation des énergies fossiles est majoritaire dans le mix énergétique. Cependant, même pour les systèmes utilisés moins fréquemment, les économies peuvent être réelles.

Côté production, approximativement 3 kg de CO2eq sont émis durant les opérations minières pour produire 1 kg de cuivre. Cela signifie que les économies en émissions carbonées générées par le suremploi de cuivre doivent être divisées 3 pour calculer le retour sur investissement du facteur environnemental.

Pour résumer, pour chaque kg de cuivre additionnel, les réductions des émissions carbonées et les retours sur investissement des facteurs environnementaux sont les suivants :

Application

Réductions des émissions CO2eq      

Facteurs environnementaux    

Caténaires ferroviaires

75 à 100 kg

25 à 33

Câblage des immeubles de bureau    

100 à 400 kg

33 à 133

Transformateurs

500 kg

166

Moteurs électriques

3 000 à 7 500 kg

1 000 à 2 500

Un autre bénéfice environnemental très important du cuivre concerne sa recyclabilté : le cuivre, quelle que soit sa provenance, est recyclable à 100 % sans perte de ses caractéristiques ni de ses propriétés. L’aluminium est également recyclable mais peut difficilement être réutilisé pour la fabrication de conducteurs neufs pour lesquels il faut employer du métal primaire.

 

En résumé

L’augmentation du diamètre des conducteurs en cuivre permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les bénéfices qui y sont associés comprennent un excellent impact environnemental, la réduction du coût du cycle de vie des systèmes et un potentiel de recyclage de 100 % à la fin de vie des équipements.

Références

[1] ECI, 2006, www.copper-life-cycle.org  : base de données sur les cycles de vie de produits clés
[2] EPD, mai 2000, Product Specific Requirements for Rotating Electrical Machines, disponible sur www.environdec.com
[3] Commission Européenne - DG TREN, 1999, Save: Technical, economical and cost-benefit analyses of energy efficiency improvements in industrial three-phase induction motors
[4] THERMIE, décembre 1999, THERMIE STR-1678-98-UK: the Scope for Energy Saving in the EU through the Use of Energy-Efficient Distribution Transformers, disponible sur www.leonardo-energy.org
[5] Leonardo ENERGY, R. Targosz (ed) et al, février 2005, Global energy savings potential from high efficiency distribution transformers, disponible sur www.leonardo-energy.org
[6] Frederik Groeman, juillet 2000, Optimal reduction of energy losses in catenary wires for DC railway systems, ref 98430138-TDP 00-12709, disponible sur www.leonardo-energy.org
[7] Frederik Groeman, novembre 2001, Benefits of upgrading the overhead line of a DC railway line in the Netherlands – a simulation case study, disponible sur www.leonardo-energy.org