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Lénergie dans le monde : où en sommes-nous en ce début dannée 2014 ? quels impacts à moyen terme sur le climat ? Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux.

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1 Lénergie dans le monde : où en sommes-nous en ce début dannée 2014 ? quels impacts à moyen terme sur le climat ? Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux (Université de Gabès) Journée de lEcole Doctorale ED 361 « Sciences et Technologies (ST)» Université de Technologie de Troyes 8 avril 2014 Institut de Mécanique et dIngénierie - Bordeaux

2 Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites Lactuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de lhydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables Lénergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

3 Les « triangles magiques » ! Energie Information Matériaux Démographie Environnement Energie Energie Eau Déchets

4 La population mondiale Hypothèses dévolutions après 2007 : un taux de fécondité égal à 2,07 (en 2150, avec un taux de 1,55 : 3 Ghab ; de 2,55 : 25 Ghab) Chaque jour, la Terre accueille un peu plus de habitants de plus ! Milliards dhabitants 7,17 0ctobre ,7 (INED)

5 Essaouira Marrakech

6 Calcutta

7 Hong Kong Aberdeen

8 Claude Levi-Strauss ( – ) Anthropologue, auteur de « Tristes tropiques », Séjour au Brésil, de 1935 à 1939, chez les indiens Caduevo, Bororo et Nambikwara (il existait encore des populations complètement isolées), Lun de ses derniers entretiens (*), Le Monde, 2005 : « Quand je suis né, il y avait environ 1,5 milliard dhommes sur Terre, quand jétais au cœur de ma vie professionnelle, il y en avait 3 milliards et demain 8 à 9 milliards », « Cest çà le problème fondamental de lavenir de lhumanité », « Je ne peux pas avoir beaucoup despoir pour un monde trop plein…». (*) « Loin du Brésil », 28 pages, Editions Chandeigne, juin 2005

9 Le Radeau de la Méduse – Théodore GERICAULT ( 1791 – 1856)

10 Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites Lactuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de lhydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables Lénergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

11 Implicites, Explicites Consommations explicites : celles dont on parle le plus généralement, quantifiables simplement (attention aux rendements !), Usuellement notées comme telles : charbon, pétrole, gaz, hydroélectricité, énergie nucléaire, et souvent « bois combustible » Consommations implicites : lénergie solaire pour la pousse des plantes, celle ingérée par un herbivore, les diverses formes de séchage « naturel »,… Des difficultés de métrologie pour toutes les deux

12 Les besoins énergétiques de lhomme

13 DEA Produits (kcal/hab/j) [Attention ! « grande calorie » = Cal = kcal] Source : FAOSTAT Un milliard dhabitants souffrent de famine !

14 Les apports alimentaires Disponibilité énergétique alimentaire (DEA) productions végétales terrestres 84% productions animales terrestres 15% productions aquatiques 1% 2700 kcal.hab -1.j -1 (données FAO) Surfaces émergées 29% Etendues d'eau 71% Terres cultivée s 10% Pâturages permanents 23% Autres terres 28% Glace 10% Forêts et surfaces boisées 28% Surface totale 510 Mkm 2 (dont déserts 18%) et les surfaces mises en jeu

15 Les trois grands usages de lénergie : transports, habitats, industrie (agriculture) Distinction à faire entre : Sources dénergie et Vecteurs Unités : k (10 3 ), Méga (10 6 ), Giga (10 9 ), Téra (10 12 ) ! US : « billion » = milliard (G), UK : « billion » = téra = (T ou MM) ! Deux unités de base, en puissance : Watt (une lampe : W, une voiture : kW, TGV : 10 MW, Ariane 5 : 50 GW) Une « tranche » (« virtuelle ») : environ 1000 MW Tonne déquivalent pétrole / an, t.e.p./an 1 t.e.p. = 42 GJ (PCS) 1 t.e.p./an = 1400 W Attention aux équivalences (Rendement : 100% ! )

16 Solaire Solaire Solaire thermique photovoltaïque thermodynamique Hydraulique Eolien Charbon Nucléaire Gaz (pétrole) Géothermie Courants Bois, biomasses 2100 Sources

17 Solaire Solaire Solaire thermique photovoltaïque thermodynamique Hydraulique Eolien Charbon Nucléaire Gaz (pétrole) Géothermie Courants Bois, biomasses 2100 Vecteur « électricité »

18 2008 – 12,45 Gtep/an [ Rendement conversion électricité/tep : 38 % ]

19 Tunisie Consommations dénergie par habitant, en tep/an Maroc

20 Ghab2.7 Ghab 6.0 Ghab 2.0 Population t.e.p./(hab.an) biomasse hydro nucleaire Pétrole 2000 Transport Gaz Charbon : une croissance forte, par habitant

21 Depuis 1973, une stabilisation, par habitant

22 Une grande stabilité globale, en proportions relatives…. Les combustibles carbonés : charbon, pétrole, gaz C(+H X ) -CH 2 - CH 4 (combustion complète CO 2 et H 2 O) Charbon : plusieurs siècles de réserves, Pétrole : réserves sensiblement comparables au gaz (une cinquantaine dannées ; non compris sables bitumineux, extraction gisements très complexes, schistes bitumineux…), Montée régulière, en proportion du gaz naturel, « le moins carboné des carbonés » (environ 50 ans de réserves ; réserves ultimes 4 à 5 fois plus environ). A voir, limpact des pétroles et gaz de schiste, Rôle privilégié du pétrole pour les TRANSPORTS, Stabilisation du nucléaire, à environ 600 Mtep/an (500 unités dans le monde ; montée en puissance de MW -, à GWe -).

23 Production annuelle délectricité nucléaire de 1960 à 2012 tWh Taux de charge moyen mondial « ancien » : 80 % A B

24 Les réacteurs nucléaires dans le monde

25 0 123 Energie utilisée par lhomme DEBUT aux environs de 1700 FIN aux environs de 2400 Source : Pimentel et Pimentel, 1979 Millions dannées Les combustibles fossiles dans lhistoire de lhumanité

26 Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites Lactuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de lhydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables Lénergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

27 Puissance supplémentaire à installer, chaque jour ! , soit > 400 MW en continu, soit presque 600 à 1000 MW de puissance nominale réelle supplémentaire à installer chaque jour pour plus de « tranches virtuelles », en continu, déjà en place Doù le rôle important, dans lurgence, des combustibles carbonés (malgré les problèmes de réserves et deffet de serre,….), mais aussi « faire feu de tout bois », avec, au premier rang de tout, les économies dénergie

28 Ecologie industrielle Démarche née dans le Nord de lEurope (Danemark, Norvège,…) Les activités humaines diverses doivent être considérées comme des éléments dun système vivant (doù le nom « écologie ») Lapplication à des activités industrielles met laccent sur tous les flux échangés, entre entreprises, lorsque, sur le point étudié, il ny a pas de problème de concurrence (ex : sur une zone industrielle) On fait alors une « optimisation globale » (dans le cas, par exemple, des réseaux délectricité) [la démarche « smart grid » relève de cette approche] Approches intégrées

29 Un exemple décologie industrielle : flux dénergie entre deux entreprises P. Sébastian TREFLE, 2008 Puissance échangée > 20 MW ! Distance entre les deux entreprises : 500 mètres

30 Analyses des cycles de vie Analyser de la manière la plus exhaustive lhistoire dun composé chimique, dun élément particulier, dun système, depuis sa «naissance», jusquà sa «mort» (?) (recyclage, combustion,..) Exemple : en nucléaire, stockage des déchets, mais aussi démantèlement !!! Ne pas perdre de vue tous les autres éléments matériels, énergétiques, mobilisés par le procédé et leur poids dans les produits Faire aussi des analyses de vie comparatives (e.g. cultures vs forêts) en multicritères ! Approches intégrées

31 Daprès « Les enjeux de lénergie, de la géopolitique au citoyen : état des lieux et prospective », 113 pages, E. Iacona, J. Taine, B. Tamain, DUNOD 2009

32 un challenge, le développement de la géothermie : les projets en balnéothérapie (lhôtel Oktor, à Korbous, Tunisie, ) le refroidissement deau chaude géothermique à El Hamma (près Tozeur, Tunisie), quel usage pour ces « calories » ?? Approches Intégrées « feu de tout bois »

33 Pétrole (récupération) Gaz, gaz de schiste Nucléaire fission Biocarburants Hydrogène par nucléaire….. Nucléaire fusion Quel futur ? ?

34 Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites Lactuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de lhydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables Lénergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

35 Constante solaire 1370 W/m 2 Rayonnement solaire diffusé vers lextérieur de la Terre (réflexion « optique » et diffusions diverses) Le reste « absorbé » par le système « S.T.A. » (Surface Terrestre Atmosphère) Rayon de la Terre : 6370 km Variations de la constante solaire : Annuelles, dues à lorbite terrestre, de 1320 W/m 2 lété (Hémi. Nord, 152 Mkm) à 1420 lhiver (147 Mkm) soit 3,3 % vs la moyenne, Période de 11 ans, variations denviron 0,1 % de la constante solaire, ………...

36 240 W/m 2 Ensoleillement au sol (moyenne sur 24 heures) [au sol : ~ 2000 kWh/m 2.an]

37 Les zones peuplées, éclairées la nuit, ne sont pas les plus ensoleillées

38 Albédo : 30 % (de 5 % à 85 %) Rappel (loi de Stefan) : Φ = σT 4 = 5,7 (T K /100) 4 Tous les flux en W/m 2

39 Alimentaire (ingestion) 130 W/hab Energie explicite W/hab Du Soleil (albédo déduit) W/hab Base Juin 2009 : 6,8 Ghab Consommations explicites (2008) : 12,4 Gtep/an (sans « biomasses ») Soit, environ 2500 W/hab Consommations Implicites

40 Deux approches complémentaires ! [1] - Consommation mondiale déner. explicites : Mtep/an (2008) [2] - Ressource solaire totale (albédo déduit) : 1, (x 0,69) W, soit 6700 fois plus que [1] [3] - Disponibilité alimentaire mondiale : 2700 kcal/(jour.habitant) [85 % végétaux, 15 % animal] soit 20 fois moins que [1]

41 Le bouquet des « énergies renouvelables » (en général dorigine solaire, parfois indirecte) : Solaire thermique (diffus et concentré), Photovoltaïque, Solaire thermodynamique (concentré), Hydraulique (500 Mtep/an, en 2005), Courants (hydroliennes), Houle, Eoliennes (>> 100 Mtep/an, 2010), Biomasses végétales (et donc animales) : bois et charbon de bois (400 Mtep/an, 2005), déchets de biomasses, biocarburants De plus : Marées - Géothermie (thermique, électrique)

42 Energie photovoltaïque : puissance installée dans le monde, en GWc Taux de charge mondial moyen : 12 %

43 Dans le monde, des projets nombreux, souvent de plus de 100 MW Substrat de polymère, Kornarka Inc. USA Le 8 septembre 2009, la Chine a signé, avec First Solar, pour un projet de centrale, en Mongolie Intérieure, au Nord de la Chine, de 2 GW (2000 MW) Le 30 janvier 2010, annonce dun projet japonais avec le Maroc pour une centrale 1 MW, la plus grande en Afrique, à Assa-Zag (5000 foyers).

44 Solaire « en direct » : thermique, thermodynamique Trois types principaux de systèmes à concentration (on peut y ajouter les réflecteurs de Fresnel) Thermique, tel quel pour des serres de types variés, soit par des capteurs plans, Thermodynamique, par des systèmes à concentration : systèmes paraboliques, cylindro-paraboliques, avec chauffage de fluide caloporteur, pour utilisation directe ou production délectricité, tours à concentration (Odeillo en F,..)

45 Four solaire dOdeillo (France) 10 à 30 kW Projets densemble de « solar dishes » de centaines de MW.

46 Capteur cylindro-parabolique

47 Centrale solaire de Kramer Junction, Californie (165 MWe) 5 SEGS (Solar Electric Generating System), chacun de MW Concentration de 30 à 100 fois (puissance totale « en pic » : 350 MW) Axe des miroirs : tubes métalliques avec une enveloppe de verre (vide entre les deux) Le fluide chauffé (~ 400 °C) :une huile synthétique Stockage qui permet une production continue (24 h.), complément gaz naturel Un système déchangeurs pour la production de vapeur De nombreux projets existent, souvent plus puissants (Etats-Unis, Maghreb, Israël,…)

48 Surface totale : 195 hectares (environ 2 km 2 ) 19,9 MW 2650 miroirs héliostats, orientables, de 120 m 2 chacun Au sommet de la tour (140 m), chauffage du fluide de travail (8500 tonnes dun mélange nitrate de potassium et nitrate de sodium), de 290°C à 565°C Stockage du sel fondu qui permet une production continue (24 h.) – 15 heures de restitution - Un système déchangeurs classique pour production de vapeur en amont du couple turbine/alternateur 40% Masdar (Abou Dhabi) et 60% Sener (Espagne) Inaugurée le 4 octobre 2011 Gemasolar (Andalousie)

49 From Dubrovnik sept (G. van Kuik, Delft University) Plus de 30 compagnies dans le monde fabriquent ce type déoliennes Un projet à 7 MW !

50 Source : Energie éolienne : puissance installée dans le monde, en GW Taux de charge moyen mondial : 25 %

51 32 AE 32, 10 AE 46, 1 AE 52 et 1 AE 61 [« AE n » : n Ø en m] Lavenir, léolien en mer : vents plus réguliers contraintes différentes Sidi Daoud (Tunisie)

52 Lénergie « biomasses », dans le monde, en 2000 (a) bois, (b) charbon de bois, (c) résidus de bois, (d) liqueur noire, (e) bagasse, (f) autres déchets Les biocarburants… La piste des micro-algues (2 à 40 μm), pour biocarburants terrestres Pour les carburants liquides, ne pas oublier le charbon : réaction Fischer-Tropsch (Allemagne, Afrique du Sud)

53 Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites Lactuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de lhydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables Lénergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

54 Et leau dans tout cela … Environs de Chenini ( sud tunisien ) Environs de Matmata ( sud tunisien )

55 Atmosphère /an Océans Activité humaine Biomasse 2000 Volcans ,03 Ressources fossiles 5000 Stocks en Gt C Flux en Gt C/an Cycle du carbone dans le système STA (2005)

56

57 ppm 1100 ppm 370 ppm ppm CO 2 (ppm) Elévation des températures de surface. Effet du gaz carbonique, du méthane, dautres gaz, de leau (gaz et nuages), aérosols Une nouvelle ère géologique : lanthropocène ! ? (Crutzen et Stoermer, 2000)

58 Sources de méthane : 250 Mt/an à 590 Mt/an Marécages Autres sources naturelles Exploitation du charbon Gaz + Pétrole Ruminants Rizières Combustion de la biomasse Décharges Mt/an 1990 préindustriel

59 ? 2200 ? Pétrole Gaz Nucléaire fission Biocarburants ? solaire, (fusion), charbon ?

60 Le bouquet des « énergies renouvelables » Solaire thermique (diffus et Photovoltaïque Solaire thermodynamique (concentré) Hydraulique Courants (hydroliennes), Eoliennes Biomasses végétales (et donc animales) : bois et charbon de bois déchets de biomasses, Géothermie (thermique, Marées

61 Parmi les clés … Les économies dénergie Toujours une longue chaîne de la source à lusage Doù lintérêt des approches intégrées : analyses systémiques, exhaustives et comparatives de cycles de vie, écologie industrielle, économie circulaire Lénergie un aspect mais pas le seul : alimentation, eau, matières premières Des problématiques multi échelles ( 5 + 5)

62 Le « » Maghreb : Mauritanie, Maroc, Portugal, Espagne, Algérie, Tunisie, Libye France, Italie, Ile de Malte

63 Parmi les clés … Les économies dénergie Toujours une longue chaîne de la source à lusage Doù lintérêt des approches intégrées : analyses systémiques, exhaustives et comparatives de cycles de vie, écologie industrielle, économie circulaire Lénergie un aspect mais pas le seul : alimentation, eau, matières premières Des problématiques multi échelles ( 5 + 5) Principe déconomie, principe de précaution Une ardente obligation : la réduction de inégalités Demain, 8,5 milliards dhommes (2035 – 2050) Eau, santé, alimentation, éducation

64 Merci

65 Quelques références perso sur ce type dapproche BONNET J.F., COMBARNOUS M. – Du rayonnement solaire à la production de biomasse végétale terrestre. Une vision schématique des flux dénergie. Revue Générale de Thermique, 35, , 1996 BONNET J.F., COMBARNOUS M. – Conversion du rayonnement solaire dans la production de biomasse végétale et animale. Une vision schématique des flux dénergie. Entropie, 233, 3-11, 2001 COMBARNOUS M., PRIEUR A. – Les consommations dénergie dans le monde : une méthode robuste de prévision de leur évolution à moyen terme ; premières conséquences. C.R. Géoscience, 335, , 2003 PRIEUR A., COMBARNOUS M. – Forêts et cycles de vie : aspects énergétiques, produits, carbone stocké. In : 12ème Congrès forestier mondial, Québec, septembre 2003 PRIEUR A., BONNET J.F., COMBARNOUS M. – Les surfaces boisées à léchelle de la planète : usages conjoints pour la séquestration du carbone et la production dénergie. C.R. Géoscience, 336, , /…

66 COMBARNOUS M., BONNET J.F. – World thirst for energy: how to face challenge (Conférence générale invitée). Colloque Advances in New and Sustainable Energy and Storage Technologies, I.U.C. Conference, in Proceedings pages 1-18, Dubrovnik, septembre 2006 Repris dans : Sustainable Energy Technologies: Options and Prospects », edited by K. Hanjalić, R. van de Krol, A. Lekić, Springer, 333 pages, pages 3-24, 2008 COMBARNOUS M. – Quelles tendances pour les consommations dénergie dans le monde : ressources, actions, long terme ? (Conférence générale invitée). 1ère Conférence Internationale sur la Conversion et la Maîtrise de lEnergie (CICME08). Actes publiés, pages 3-14, Sousse (Tunisie), avril 2008 COMBARNOUS M. - Les populations et leurs consommations dénergie en 2200 : quelles perspectives ? quelles actions à moyen et long termes ?. « Les défis du 21ème siècle ». Académie des Sciences (conférence et discussion sur le site ), Paris, mardi 6 octobre 2009www.academie-sciences.fr KHEMIRI A., LAGIERE Ph., COMBARNOUS M. – Energy savings in tunisian hotels: geothermal water as a partial substitution of energy sources, for sea and geothermal water therapy at Korbous. ISESCO Science and Technology Vision, vol 6, n°9, 11-18, may 2010 Académie des Sciences – Ouvrage collectif du Comité de prospective en énergie – La recherche scientifique face aux défis de lénergie. EDP Sciences, 250 pages, décembre 2012


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