Académie des technologies

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LES 2 GRANDS PROBLEMES DE L’ENERGIE AU XXIème SIECLE : GEOPOLITIQUE ET CLIMATIQUE. QUELLES SOLUTIONS ? Gilbert RUELLE Académie des technologies Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Académie des Technologies - Commission Energie
Il est maintenant clair que le développement énergétique actuel n’est pas durable Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

l’énergie est pourtant un facteur de santé publique et de développement Pour la santé publique : un minimum de 0,5 tep/an est nécessaire Pour entrer dans le développement : 1,5 à 2 tep/an Un accès de tous à un minimum d’énergie est une exigence éthique Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Mais certaines conséquences sont négatives
Pollutions locales et régionales, relativement maîtrisées dans les pays développés, avec un surcoût connu. risques d ’accidents régionaux (Tchernobyl, marées noires), risques géopolitiques, et surtout un risque mondial dominant : la dérive climatique Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Même si ce risque climatique n’existait pas, pourrait-on poursuivre un tel développement de la consommation d’énergie ? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les énergies fossiles ne sont pas inépuisables
Estimations des réserves mondiales Pétrole environ 40 ans Gaz naturel environ 60 ans Charbon de l ’ordre de 2 siècles d’après BP Amoco 2000 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Et les risques géopolitiques du pétrole et du gaz sont bien là
Les plus grandes réserves de pétrole et de gaz sont concentrées au Moyen-Orient, en Asie centrale et en Russie pétrole gaz Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

La dépendance énergétique mondiale
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Le monde doit donc vivre avec deux contraintes principales
Le risque géopolitique, dominant à court et moyen terme du à la raréfaction de ces énergies fossiles et à la hausse de leurs prix (dépendance énergétique) Le risque climatique, dominant à plus long terme, par la nécessité de continuer à utiliser majoritairement les énergies fossiles faute d’autre solution avant 2050 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Exemples de dépendance et émissions de CO2 en Europe

A quoi risque de ressembler 2100 ?
Par rapport à l’ère préindustrielle de 1800 (scénario «as usual») : La population sera multipliée par 10 ? La consommation d’énergie par terrien sera aussi multipliée par 10 ? La consommation globale d’énergie sera donc multipliée par 100 ? La concentration de CO2 dans l’atmosphère aura doublé ou triplé ? Une grande partie des énergies fossiles sera épuisée. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

L’extrapolation sur le siècle
MAIS LE CO 2 ??? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Quelle sera la demande d’énergie d’ici 2050
En limitant la prospective à 2050, les estimations du besoin global d’énergie à cette date se situent entre 14 et 20 Gtep, Les énergies fossiles dont seul le pétrole sera en déclin pourraient probablement en fournir encore 11 ou 12, mais la contrainte carbone les limitera peut-être en dessous. Les autres énergies (renouvelables et nucléaire) pourront-elles combler une différence probable de 3 à 5 Gtep ? Elles ne « pèsent » actuellement qu’environ 1 Gtep Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

La gestion de ces contraintes s’articule autour de quelques questions-clés Saura-t-on séquestrer le CO2 émis par les énergies fossiles que nous serons condamnés à utiliser? Les énergies renouvelables pourront-elles prendre une part significative dans la réduction du risque climatique? Pour satisfaire le besoin transport, quand et dans quelles conditions économiques se fera le basculement du pétrole conventionnel vers les pétroles non conventionnels? Les nations pourront-elles réduire leur dépendance énergétique? Devra-t-on recourir largement à l’énergie nucléaire? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

KYOTO 1 NE SUFFIRA PAS La mise en œuvre du protocole de kyoto est un premier pas nécessaire, mais il faudra un Kyoto 2, un Kyoto 3….dans le cadre d ’un objectif de réduction mondiale des gaz à effet de serre de 50% à l ’horizon 2050. Pour les pays développés qui sont les principaux émetteurs, l ’objectif visé est une division par 4 des émissions de CO2 . C ’est le facteur 4 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Que penser de l’objectif d’une division par quatre des émissions de CO2 en 2050 ? (dans les pays industrialisés) C ’est un objectif d ’une ambition colossale Avec beaucoup de discipline, une forte utilisation des EnR dans le secteur chaleur, le facteur 2 paraît possible avec les technologies actuelles Pour passer de 2 à 4, il faudra une révolution du secteur transports pour réduire sa dépendance au pétrole (biocarburants, électricité « verte », hydrogène « vert », et/ou dérivés), ce qui appelle des technologies nouvelles demandant beaucoup de développement Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Comment rendre compatibles économie et écologie ?
1. A croissance économique zéro, pour diviser par 2 les émissions de CO2 d ’ici 2050, il faut les réduire de 1,6 % /an. C ’est déjà beaucoup plus sévère que Kyoto 1 2. Toujours à croissance zéro, pour diviser les émissions par 4 d ’ici 2050, il faut réduire les émissions de 3,2 % /an. 3. Aucun pays ne sait gérer sa société sans croissance économique. Si les pays développés veulent conserver une croissance de 2 % par an, il devront réduire les émissions d’environ 5 % /an. Qui sait le faire? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

3 fronts dans ce combat meilleure maîtrise de l’énergie : sera largement conditionnée par son prix, toute hausse majeure encourageant les progrès techniques et des comportements individuels plus responsables réduire l'usage des énergies fossiles et / ou séquestrer le CO2 : dépendra de la généralisation du protocole de Kyoto (pénalisation des émissions de GES) et des dates de plafonnement des productions pétrolière et gazière développer les énergies sans GES (renouvelables et nucléaires) : dépendra de leurs coûts et de leur acceptation sociale Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

On ne pourra pas passer rapidement de 85% d ’énergie fossile à moins de 50% La première action à court terme consiste donc à économiser l’énergie Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Répartition de la consommation d’énergie en France en 2005

Les bâtiments, domaine majeur des économies d’énergie
Le bâtiment consomme la moitié de l’énergie en France, dont 2/3 pour les ménages, 1/3 pour le tertiaire. Beaucoup d ’économies sont encore possibles, mais moins appliquées que chez nos voisins : vitrages à isolation renforcée chaudières modernes programmées et sans veilleuse éclairage par lampes basse consommation chauffage au bois - etc Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les transports : peu d’espoirs d’économies à court terme
Malgré des progrès réguliers sur le rendement des motorisations, les économies globales sont freinées non seulement par l’accroissement du parc, mais par des facteurs contraires: Le goût des acheteurs, qui privilégient d’autres critères : style 4X4, climatisation, assise haute, confort acoustique lié au poids... L’évolution du mode de vie : habitat éloigné des centres villes, loisirs accrus, vacances fragmentées …. contribuant à des déplacements plus nombreux Le trafic camions qui croît toujours au détriment du rail, encouragé par la pratique du flux tendu dans la production industrielle ..Et même la réglementation sécuritaire (deux rétroviseurs latéraux consomment autant qu’un accroissement de poids de 50kg) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Un meilleur usage des énergies fossiles

Les énergies fossiles (85%) sur le court et moyen terme
Nous y sommes condamnés, Mais elles sont toutes porteuses de contradictions Charbon : Environ 2 siècles de réserves bien réparties sur la planète sans risque géopolitique, mais c'est le plus grand pollueur Gaz naturel : produit deux fois moins de CO2 que le charbon à énergie égale. Sa consommation s’envole, mais son prix augmentera sur le long terme car les réserves sont de plus en plus lointaines Pétrole : dédié aux transports, secteur d'activité qui croît le plus vite, mais c’est la source d’énergie fossile dont l’épuisement est le plus proche, grand émetteur de CO2 sans possibilité de capture, et présentant le plus grand risque géopolitique. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

les usages fixes L’avenir du charbon ? D’ici 2020, sa croissance sera de 35 à 40%.. 90% de cette croissance de consommation se fera en Chine et Inde, dont il est la clé du développement. Il faut donc apprendre à vivre avec . Il est aussi la clé de la sécurité énergétique des Etats-Unis. Son sort est lié à la possibilité de séquestration du CO2, Les recherches pour un charbon propre doivent impérativement aboutir, mais cela va coûter cher en perte de rendement et en investissements. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

les usages fixes L’avenir du gaz ? La croissance très rapide du gaz-énergie a conduit récemment à un sentiment d’euphorie qui ne doit pas retarder des décisions drastiques sur l’évolution du bouquet énergétique vers des sources plus propres, et disponibles avec une sécurité plus grande. Les Etats-Unis viennent de sortir de cette euphorie avec plus de 200 GW de centrales à gaz construites et ne fonctionnant que 30% du temps car le gaz est devenu trop cher. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

les usages mobiles L’avenir du pétrole ? La raréfaction des sources de pétroles conventionnels, et une exploitation plus coûteuse, augmenteront nécessairement le coût du pétrole Le maintien ou la croissance des prix élevés permettra une certaine extension de la ressource par les pétroles non conventionnels Mais la pénalisation des émissions de CO2 va handicaper le pétrole plus que les autres énergies fossiles, car les émissions des transports ne peuvent être capturées Nous disposons d’un petit demi-siècle pour développer des motorisations des transports tenant compte de ces contraintes, et créer des carburants de synthèse peu carbonés Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Trois axes de réflexion sur le pétrole
. Quelle est la perspective réelle d’épuisement des réserves de pétrole ? . Dans quelle mesure et à quel délai peut-on espérer trouver des substituts au pétrole ?. . La pénalisation du CO2 émis ne limitera-t-elle pas l'usage du pétrole plus vite que son épuisement? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

1. Quelle est la perspective réelle d’épuisement des réserves de pétrole ? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Accroissement possible des réserves de pétrole naturel
Par un meilleur taux de découverte En 1970 : 1 découverte pour 10 forages En 2000 : 1 découverte pour 4 forages grâce aux progrès de la géophysique (écho sismique 3D), et de la géochimie (modélisation de l’évolution des bassins sédimentaires), mais la taille moyenne des nouveaux gisements a baissé de 50% Par un meilleur taux de récupération, amélioré d ’environ 1/3 dans les derniers 30 ans, en moyenne mondiale, grâce aux progrès de la géophysique des gisements et des procédés de forage (forages horizontaux et intelligents) Mais on découvre chaque année moins de pétrole qu’on n’en consomme Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les autres réserves non conventionnelles
Les sables bitumineux (Canada et Vénézuéla), porteurs d’huiles lourdes de forte viscosité, constituent une réserve énorme (550 Gtep), dont l’exploitation n’était envisageable que pour un cours du pétrole supérieur à 40 $/b, mais les progrès techniques récents permettent minenant de s’accomoder d’un cours de 15 $/b, alors qu’entre temps le marché est passé de 15 à 40. Les schistes bitumineux, contenant un pétrole incomplètement transformé, constituent une ressource potentiellement importante, mais dont l’exploitation est très consommatrice d’énergie et trop coûteuse actuellement. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les fluctuations de l’estimation des réserves
Source : BP Statistical Review 2004 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Prévision pour l’ensemble des pétroles C+NC
Source : M. Alazard, DEE, IFP 2004 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

2. Quels substituts au pétrole ?

Remplacement du pétrole pour les transports ?
Les avantages des hydrocarbures naturels sont immenses : La plus haute densité énergétique des sources primaires bas coût d ’extraction jusqu’à présent facilité et bas coût de transport, de distribution et d’emploi liés à l’état liquide et à la haute densité énergétique relative sécurité d’usage Ni biocarburants, ni gaz, ni électricité, ni hydrogène ne réunissent tous ces critères. Les hydrocarbures de synthèse peu carbonés pourraient être des candidats favoris, mais la route sera longue. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le remplacement du pétrole sera très difficile
source P-R Bauquis Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

3. La pénalisation du CO2 limitera-t-elle l'usage du pétrole avant l’épuisement des ressources? Le coût actuel du pétrole est un coût interne qui n'intègre pas le coût externe de dégradation de l'environnement par les émissions de gaz à effet de serre. L’internalisation de ce coût externe va bouleverser le classement des diverses énergies, avantageant celles qui ne sont pas émettrices de GES (énergies renouvelables et énergie nucléaire), au détriment des énergies fossiles. Il se peut que la pénalisation d'émission de CO2 (50 à 200 €/tC) dépasse le prix du carburant consommé par le moteur. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

D’où une nouvelle perspective pour les carburants
La pénalisation du CO2 va pousser au développement d ’hydrocarbures riches en hydrogène et contenant peu de carbone. Le carburant idéal serait bien sûr l'hydrogène lui-même dont la combustion ne rejette que de l ’eau, s'il n'était handicapé par ses propriétés thermodynamiques et physiques Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Regard transversal sur les énergies fossiles, toutes émettrices de CO2
Que peut-on faire contre le CO2 ? (à part réduire l’usage des combustibles fossiles) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le CO2 est le principal gaz à effet de serre

Les flux de carbone d’après Watson et al 2000 Les océans et la biosphère continentale ne peuvent absorber tout le CO2 produit, l’atmosphère accumule donc le CO2 restant dont la concentration augmente Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Parviendra-t-on à séquestrer le CO2?
La séquestration souterraine est activement étudiée. Son développement est très soutenu par les USA où c’est un impératif pour continuer à exploiter les ressources charbonnières. Ce sera aussi un impératif pour la Chine et l’Inde. L’Europe du nord y porte également un grand intérêt par les possibilités de séquestration en aquifère salin sous la mer du nord. Le projet européen CASTOR conduit à la centrale d’Esbjerg (DK) une expérience de capture du CO2 à la source Cette capture-séquestration pésera sur le coût de l’énergie fossile Problème : on ne pourra jamais séquestrer le CO2 des transports Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Séquestration artificielle du CO2
L’imagination humaine est riche, mais seul le stockage souterrain est sérieusement étudié (gisements de pétroles épuisés et aquifères salins) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Quel est et que pourra devenir le coût du stockage souterrain
Les 3 composantes du coût sont : La capture, dont le coût varie selon le type de centrale charbon, la concentration et les volumes traités, de 30 à 60 $/t CO2 . Un objectif de 10$/t est fixé par le DOE pour Le transport, de 2 à 4 $/t CO2 par 100 km Le stockage, de 5 à 15 $/t CO2 , pouvant être beaucoup plus cher pour des stockages massifs en aquifères. GHGT7 Vancouver 2004 a indiqué un objectif global de 27 $/tCO2, qui accroîtrait le coût de l’électricité de 1 à 2 c$/kWh pour des centrales à gaz et 2 à 3 c$/kWh pour des centrales à charbon Mc Kinsey 2008 prévoit 30 à 50 euros / tCO2 en 2030 pour des centrales nouvelles (plus coûteux pour des rénovations) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le principal espoir : exploiter davantage les énergies sans émission de GES les énergies renouvelables et l’énergie nucléaire Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les énergies renouvelables peuvent-elles nous sauver du réchauffement tout en sauvegardant l’économie? Quelques vérités Quelques ordres de grandeurs Quelques espoirs Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

De par leur nom, les énergies renouvelables sont à priori sympathiques
Renouvelables = leurs réserves ne s’épuisent pas comme celles du pétrole et du gaz, elles se renouvelleront tant que le soleil existera. De plus elles ne produisent pas ou peu de CO2 Elles portent donc une valeur symbolique, comment ne pas leur être favorable ? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Elles se développent pourtant moins rapidement que les énergies fossiles Evolution mondiale des EnRé sur 10 ans (1995 / 2005) Elles ont progressé de 22 % en valeur absolue Mais leur part dans la production électrique globale a baissé de 10 % (de 20,2 à 18,1) parce que les fossiles ont augmenté de 40 % pendant la même durée. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Que pèsent les EnR dans la production électrique mondiale ?

Pourquoi les EnR dites nouvelles occupent-elles une part si faible?
Parce que ce sont des énergies très diluées 3 caractéristiques : 1. Leur prix élevé 2. leur faible potentiel comme ressource 3. leur manque de prévisibilité (intermittence) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

1. Leur prix élevé Les lois de la physique imposent qu’extraire une énergie diluée est plus coûteux en investissements (volume de matériaux, complexité, emprises au sol) Aussi, en dépit d’une énergie entrante gratuite, le coût de l’énergie produite est plus élevé que celui de l’énergie fossile. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

2. Leur potentiel est limité: Renouvelable ne signifie pas inépuisable
En France où la consommation d’énergie primaire va être dans la décennie qui vient d ’environ 300 Mtep* alors que les potentiels d ’EnR exploitables sont d’environ : - biomasse ~ 40 Mtep (chauffage et biocarburants), soit 13 % - solaire thermique ~10 Mtep (eau chaude sanitaire), soit 3 % - géothermie ~10 Mtep, (pour le chauffage),soit 3 % - éolien potentiel ~70 TWh, probable ~20 équipable soit 4 % de l’électrique Ces quantité sont toutefois déjà appréciables pour chacun de leurs usages * dont ~500 TWh* sous forme d ’énergie finale électrique (1 tep = 11,6 MWh) 500 TWh ~ 43 Mtep Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

3. Leur manque de prévisibilité ( pour éolien et solaire)
Les éoliennes ne fonctionnent que 20 à 30% du temps en équivalent pleine charge, on doit donc disposer d’une réserve de puissance 3 à 4 fois plus grande que la puissance installée en éoliennes, De plus, il faut que la mise à l’arrêt de cette réserve lorsque le vent souffle présente un intérêt écologique et si possible économique, donc que le kWh éolien évite une émission de CO2 et soit si possible moins cher Ces conditions sont remplies pour l’Allemagne dont 60% de la production électrique est basée sur le charbon Elles ne le sont pas pour la France dont 80% de la production électrique est nucléaire (sans émission de GES et 2 à 3 fois moins chère par kWh), et 10% hydraulique. C’est pourquoi Il ne peut y avoir une politique européenne de l’éolien mais seulement des politiques nationales Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

L’hydraulique La reine des énergies renouvelables (92% du total des EnRé mondiales) Assure l’indépendance énergétique pour les pays qui disposent de cette ressource Investissement lourd, mais de très longue durée de vie et d’exploitation peu coûteuse, assure une énergie compétitive, souple d’emploi (stockable et mobilisable très rapidement par démarrage rapide) produit l’énergie électrique de base aussi bien que de pointe selon les sites Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Où peut-on encore équiper des sites hydroélectriques ?

La biomasse, première EnR primaire, à tout seigneur tout honneur
4 procédés pour en extraire de l’énergie : La combustion : le plus ancien, 50% du bois mondial y est consacré. C ’est la seule source d’énergie des populations rurales des pays émergents (2,6 milliards) La méthanisation : la fermentation anaérobie des déchets ménagers, déjections animales, algues, donne du biogaz (50 à 60% CH4, 35 à 40% CO2) La fermentation alcoolique ou l’esterification de matières sucrées, amylacées ou oléagineuses donnent de l’éthanol et du biodiesel pour biocarburants verts. rendement énergétique est de l’ordre de 1,4 à 2 kWh/kWh consommé. La transformation thermochimique par gazéification des bois et pailles, produit un gaz de synthèse (H2+CO) pour carburant futur(?). C ’est le procédé qui présente le meilleur rendement énergétique (2,5 à 4 kWh/kWh). Demande encore beaucoup de R&D Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

La combustion, le bois énergie
La forêt des zones tempérées s’accroît (la France est passée de 8 à 15 millions d ’hectares en 200 ans) La forêt mondiale se réduit par la déforestation tropicale ( la forêt mondiale a perdu 135 millions d’hectares depuis 1980) La moitié du bois mondial est brûlée pour le chauffage et la cuisine dans les PVD, sans souci suffisant de reforestation. En Europe, la reforestation bien gérée permet d’en tirer une énergie renouvelable de 47 Mtep en 2000 ( France en tête 9,8 Mtep, Suède 8,3, Finlande 7,5, Allemagne 5….),presque totalement thermique soit 2.6 % de l’énergie consommée ( 3,9 % pour la France) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le biogaz Unités de méthanisation sur décharges, stations d’épuration, lisier, produits agricoles… environ 3500 en Europe, produisant 2,3 Mtep, soit moins de 1 /1000 de la consommation d’énergie annuelle. Ambition européenne de 15 Mtep en 2010 (soit ~ 1/100) Royaume Uni en tête 0,9 Mtep, Allemagne 0,5, France 0,17 Fort potentiel de développement avec les décharges et stations d ’épuration (en France 3,5 Mtep pour 0,17 actuel) Objectif d’injection dans le réseau de gaz naturel ne pourra être atteint que si le biogaz est épuré (composition fluctuante et risque corrosion) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les biocarburants L’éthanol/ETBE*, par transformation alcoolique de produits amylacés ou sucrés (canne au Brésil 20 %, maïs aux USA 1 %, betterave, blé, maïs en France 0,5 %) pour la filière essence dont la France a trop et exporte 20 Mt/an aux USA. Le biodiesel, ester d’huile végétale (colza, tournesol…) mélangé à <5 % au gazole, 1 % de la consommation de gazole, en croissance. La France en manque et importe 20 Mt/an de Russie. Objectif français : 8% en 2010, 10% en 2015 une filière en développement le biodiesel à partir des ligno-cellulosiques par thermochimie ou enzymatique : ressource accrue, meilleur rendement, pas de concurrence avec l ’alimentaire, filière en développement Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Apport possible de la biomasse en biocarburants
En France, la consommation d ’énergie par les transports est de l ’ordre de 50 Mtep Les biocarburants bien développés pourraient apporter entre 10 et 20 Mtep Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Ordres de grandeur du potentiel énergétique de la biomasse
Production d’énergie possible par la biomasse végétale : sur terres arables : oléagineux, céréales, betteraves environ 0,7 tep/ha/an en biocarburants sur terres pauvres : forêt 1 tep/ha/an en bois de chauffage, ou 0,5 tep/ha/an en électricité, ou 0,7 (à 2 ou 3 si filière LC) tep/ha/an en biocarburants Le remplacement du pétrole (3,5 Gtep/an) exigerait 2 à 3 milliards d’hectares de terres arables. La planète n’en comporte que 1,5 milliards, et il faut aussi se nourrir. L’apport énergétique de la biomasse végétale restera limité. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

L’énergie solaire Au niveau du sol, le flux solaire est de 1000W/m² sur un plan normal aux rayons du soleil, ce qui permettrait d’espérer une énergie annuelle (8760h) de 8760 kWh/m² sans la nuit. En fait, le défaut d’angle, la nuit, les nuages, abaissent ce chiffre à 2500 (soit moins de 30%) dans les meilleurs déserts, 800 au Canada ou nord Europe (< 10%) L’extraction de cette énergie en chaleur (chauffe-eau) se fait avec un rendement de 25%, soit 200 à 625 kWh/m².an L’extraction sous forme électrique (photovoltaïque) a un rendement de 13%, ce qui permet 100 à 300 kWh/m².an Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Solaire : 3 voies d’extraction
Solaire thermique pour l’eau chaude sanitaire et le chauffage des habitations Solaire thermodynamique par concentration du rayonnement sur une chaudière et production d’électricité (fluide primaire huile 250 °C, ou sels fondus 800°C) Coût de l’ordre de 10 à 20 c/kWh (électrique). Solaire photovoltaïque déjà largement utilisé sur les parkings et autoroutes pour économiser câblages et tranchées. Largement subventionné, il se développe rapidement en Europe,connecté au réseau qui assure continuité du service. Espoir de développement à moyen terme pour la production locale de petites puissances dans des sites isolés où le coût d’un réseau de distribution serait prohibitif, mais nécessite un stockage qui double ou triple le prix sur la durée d’exploitation. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le solaire thermique Pour l’eau chaude sanitaire et le chauffage partiel des habitations, se répand largement grâce à des aides publiques. Prix du kWh 3 à 10 c€/kWhth (thermique) si très ensoleillé, sinon 8 à 20 c€/kWhth. Mais l’hiver n’est pas la période de meilleur ensoleillement, il faudrait un stockage intersaisonnier utopique. Le chauffage solaire ne permet généralement de couvrir que 20% des besoins (en demi-saison). La géothermie de surface peut apporter une aide. L’architecture d’habitats solaires passifs (bioclimatiques) est à développer pour des ensembles neufs (disposition et choix des vitrages, superisolation, ventilation contrôlée) Le chauffage solaire ne représente encore que ~ 2/1000 de la consommation mondiale d’énergie. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le solaire photovoltaïque et son prix
Prix de la partie cellule (environ 3 à 6 €/Wc) pourrait tomber vers 1 à 3 €/W en Le Japon couvre 46 % de la production, les USA 26 %, l’Europe 20 %. Système connecté au réseau, en unités de 500 W à 5 kW (90 % du marché actuel) avec très fort taux de croissance (30 à 35 % par an). Prix actuel de l’ordre de 7 €/Wc, prix du kWh de ~ 0,3 €, pourrait tomber à 0,15 vers 2020 Système autonome, en unités de 50W à 1 kW. Prix du kWh de l’ordre de 1 € dont les batteries représentent la moitié sur 20 ans Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

La géothermie L’énergie géothermique est une énergie nucléaire, provient de la désintégration des éléments radioactifs à longue période. Dans les parties stables du globe, l’énergie migre vers la surface par conduction (~ 0,06 W/m², gradient ~ 40°C/km) exploitation thermique seulement (bassin parisien) Dans les zones actives, des fluides la transfèrent par convection (~ 1 W/m², gradient ~ 300°C/km) exploitation électrique et thermique Les zones volcaniques sont donc largement privilégiées, Philippines, Italie, Mexique, Indonésie, Japon, N. Zélande, Islande Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

La géothermie On n’exploite actuellement que les sites où des roches chaudes sont imprégnées d’eau, le potentiel résiduel est important en pays volcaniques Sites profonds dépassant 200°C permettant une production d’électricité ( ~ 50 TWh = 0,4 % de la production mondiale). Coût 3 à 7 c/kWh Sites moins chauds ( 80 °C ) sont utilisés pour le chauffage (40 TWh) Les roches chaudes sèches ouvriraient des perspectives plus étendues de tels sites (d ’environ 25 MW) sont plus nombreux /2030 ?. Coût 5 à 9 c/kWh ? Géothermie de surface + pompe à chaleur : en fort développement Avantage de la géothermie : énergie disponible à tout moment, contrairement à l’éolien et au solaire, à suivre. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

L ’apport des énergies renouvelables
Hydraulique: La reine des énergies renouvelables électriques (92% ), à développer dans les pays où subsistent des sites (plus en France) Biomasse: Encourager le chauffage au bois. Développer intelligemment les biocarburants, mais leur part restera modeste. Solaire: thermique, prendra une part significative dans le chauffage PV, rend des services locaux fortement subventionnés, le progrès lui permettra-t-il des applications non subventionnées vers 2030? Eolien: apporte un peu d’énergie verte dans les pays à énergie sale Géothermie : à suivre, mais restera longtemps marginale L’ensemble EnR restera un moyen modeste de lutte contre le réchauffement Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

L’énergie nucléaire Si l’envolée de consommation d’énergie continue, Si des moyens massifs de stockage du CO2 ne sont pas développés rapidement, Les économies d’énergie et les énergies renouvelables contribueront à réduire l’écart entre demande et production, mais ne suffiront pas à le combler seules, ni à lutter suffisamment contre la dérive climatique. Quelle autre source d’énergie que le nucléaire pourra faire face aux besoins après 2030 ?, et réduire suffisamment les émissions de GES ? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les atouts du nucléaire
Apte à une production massive d’énergie sans effet de serre à un coût compétitif et stable (environ 3 c/kWh) Ne présente pas de risque géopolitique, l’offre d’uranium étant large et répartie (le prix de l’uranium avait baissé de moitié en 20 ans, vient de réaugmenter récemment). Possède un potentiel d’évolution technique très important vers des filières encore plus performantes en sécurité, déchets et coût, ouvrant des débouchés sur des secteurs plus vastes de l’énergie. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les 3 familles de réacteurs ayant acquis de l’expérience
Très large expérience : réacteurs à neutrons thermiques (essentiellement REP), brûlant 235U avec vocation à la production d’énergie, utilisent mal le 238U , produisent du plutonium et des actinides mineurs (AM) Expérience plus modeste : réacteurs rapides à sodium (RNR), valorisent les ressources en brûlant le 238U (99,3% des ressources). La ressource se compte alors en milliers d’années réacteurs à haute température (HTR), brûlent Pu accumulé et pourraient dans l’avenir produire de l’hydrogène par dissociation thermochimique de l’eau. (En avant-projet : RNR à gaz, hybrides, sels fondus, cycle thorium) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Génération III Réacteur européen EPR 1600 MW
Prolongement des réacteurs REP actuels dont il bénéficie de la large expérience, il innove sur quelques points essentiels : Sécurité accrue : fusion accidentelle du cœur sans conséquences extérieures au site chute d’un avion gros porteur prise en compte dans la conception résistance aux séismes accrue Efficacité augmentée : meilleure utilisation du combustible UO2 ou MOX (70GWj / t) coût du kWh ~ 2,9 c(incluant les améliorations sur la sécurité) durée de vie 60 ans Déchets réduits : peut fonctionner avec 50% de MOX au lieu de 30% Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le coût du kWh nucléaire avec les filières ayant de l’expérience
REP de 1 à 1,5 GW : coût total environ 3 c/kWh (y compris tous les coûts externes, dont la gestion des déchets, chiffre DGEMP conforté par l’étude finlandaise récente) RNR de 1 à 1,5 GW environ 4 à 5 c/kWh HTR de 200 à 300 MW environ 4 à 5 c/kWh A comparer au cycle combiné gaz : coût interne environ 3 c/kWh (+ coût externe CO2 1 à 2,5 c/kWh : 4 à 5,5 c/kWh) Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Réacteurs à haute température (industrialisation vers 2020/2030 ?)
Réacteurs à haute température pouvanr brûler le plutonium civil et militaire, et visant les marchés des 100 à 300 Mwé, et de la production d’hydrogène par thermochimie. Deux projets actifs, différant essentiellement par la forme du combustible : PBMR 110 MW (Allemagne, RSA ESKOM, UK BNFL) GT-MHR 285 MW (USA Général Atomics, Russie, Framatome) Le combustible, enrichi en plutonium, est fait de particules enrobées de plusieurs couches dont une de carbure de silicium, tolère une température de 1600°C, ce qui rend impossible la fusion du cœur, et constitue la première barrière de sécurité. Refroidissement par hélium comprimé entraînant une turbine à gaz. La cuve à hélium constitue la seconde barrière, la troisième étant le bâtiment lui-même. La puissance résiduelle en cas d’incident est évacuée passivement par convection. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Réacteurs à neutrons rapides (disponibles vers 2040)
Leur intérêt majeur est de mieux utiliser la ressource en uranium naturel en brûlant le 238U qui en constitue 99,3 % Ils ouvrent donc la perspective d’un développement durable avec une énergie propre (réserve se comptant en milliers d’années) La démonstration de faisabilité a été faite à Phénix et Superphénix Ils ne sont pas aujourd’hui nécessaires vu l’abondance et le prix raisonnable de l’uranium, mais leur réapparition est inévitable dans l’hypothèse d’un développement général du nucléaire après 2030 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Les séquences du nucléaire
Le nucléaire actuel (filière REP/EPR) assure le moyen terme avec un risque très inférieur au risque climatique et au prix le plus bas. A partir de 2030/2040, le nucléaire de génération IV ouvre d ’autres horizons que la production électrique (carburants), réutilise une partie des déchets existants, en produit beaucoup moins et de durée plus courte A partir de 2080 ? la fusion nucléaire contrôlée entre peut-être en piste, soit dans sa version à confinement magnétique, soit dans sa version à confinement inertiel, et ne fait appel qu ’à des matières premières non radioactives existant en quantité illimitée et ne rejetant que des déchets recyclables après 100 ans Quelle autre filière offre de telles perspectives? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Portrait d’une énergie idéale
Une énergie émettant peu ou pas de gaz à effet de serre Une énergie renouvelable (ou dont la réserve se compte en siècles ou en millénaires) Une énergie à un coût économiquement acceptable Une énergie dont l’approvisionnement est assuré Une énergie induisant le minimum de risques comment se rapprocher de ce portrait robot ? Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Classement des énergies selon ces critères

Le classement des sources d’énergie selon leurs risques

Pour assurer une production massive et propre d’énergie :
l’hydraulique et le nucléaire viennent en tête Le grand hydraulique est renouvelable, mais les sites sont épuisés dans la plupart des pays développés. Les pays qui possèdent encore cette ressource doivent l ’exploiter en priorité. Le nucléaire est une énergie fossile (cosmique, non terrestre), mais utilisé en filière RNR, sa réserve est de plusieurs milliers d’années. L’énergie nucléaire s’avère la mieux adaptée pour répondre à la demande énergétique des années 2030/2050, réunissant les meilleures notes en écologie, concentration, économie, indépendance et santé. Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Que deviendront les énergies fossiles ?
Le charbon peut dominer le paysage énergétique si la séquestration du CO2 aboutit, sinon son usage sera limité aux grands pays charbonniers émergents avec des améliorations limitées de sa propreté. Le pétrole conventionnel a encore quelques décennies devant lui et sera progressivement accompagné de pétroles non conventionnels issus des huiles lourdes, puis de pétroles synthétiques (charbon?, ou nucléaire par la voie hydrogène?). Sa consommation pour les transports sera limitée par le développement de véhicules hybrides biénergie et des biocarburants. Le gaz naturel va connaître une expansion difficile à contrôler, qui exigera que le problème de la séquestration du CO2 se pose pour lui comme pour le charbon Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Pour assurer une production complémentaire ou décentralisée d’énergie
Eolien, biomasse, solaire et géothermie ont leur rôle Dans les zones d’habitat dispersé, où la rentabilité d’un réseau électrique ne peut être assurée et où l’énergie est renchérie par l’éloignement et la faible densité, le coût élevé de l’éolien et du solaire est moins pénalisant, surtout si une taxation des émissions de carbone qui les avantagera est mise en place. Il y a là un créneau leur permettant un développement plus facile que dans les pays à forte consommation où elles luttent difficilement contre les énergies concentrées. Mais elles seront encore quelque temps encore en compétition économique avec le pétrole ( petits diesels ). Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Mais n’oublions pas qu’en 2050, les questions d’énergie vont se jouer en Asie et USA Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Quelle part de l’énergie mondiale est électrique?
Consommation mondiale d’énergie primaire ~11 Gtep Part transformée sous forme électrique : environ 40 % ~ TWh*, 40 fois la consom.Françe (500 TWh) prévu TWh en 2020, TWh en 2030 Puissance électrique installée dans le monde : ~ 4000 GW (équivalent de 4000 centrales nucléaires) * 1 Mtep ~ 4,5 TWh (recommandations CME, OFE) * 1 TWh équivaut approximativement à 0,222 Mtep Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Où sont installés ces 4000 GW ?
Amérique du nord ~ dont 1000 aux Etats-Unis Europe ~ 800 dont en France Asie+Océanie ~ dont en Chine ex-URSS ~ 340 Amérique latine ~ 220 Moyen-Orient ~ 130 Afrique ~ 110 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

L ’électricité n ’est pas une source d ’énergie, c ’est un vecteur
Un vecteur est une forme de l’énergie directement utilisable pour le besoin final. Avec quelles sources d’énergie est faite l’électricité? Charbon % Pétrole % Gaz naturel % Nucléaire % Hydraulique % Autres + EnR % Chiffres monde 2004 Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

Le passage des sources aux besoins finals par les vecteurs

L’électricité est le meilleur vecteur d ’énergie
C ’est le plus multi-sources et le plus multi-usages C ’est pourquoi sa croissance restera élevée (+ 30 % d ’ici 2020 au niveau mondial) Il n’a qu’un gros défaut : il n’est pas stockable, ce qui rend difficile la gestion des réseaux électriques, car à tout instant on doit produire très exactement l ’électricité demandée par les consommateurs ce qui ne permet pas sa large utilisation comme source d’énergie autonome sur des véhicules de transport Cadarache 30 janvier 2009 Académie des Technologies - Commission Energie

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