Climat et Energie Depuis environ un siècle, on constate que la température moyenne du globe terrestre augmente. La suite essaie d'expliquer les raisons.

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1 Climat et Energie Depuis environ un siècle, on constate que la température moyenne du globe terrestre augmente. La suite essaie d'expliquer les raisons et donne un avis sur la gestion de l'énergie utilisée dans les activités humaines et des modifications raisonnables de cette gestion. Anomalies par rapport à la moyenne Températures mondiales moyennes réelles estimées (°C)

2 Bilan radiatif terrestre
Le soleil envoie en moyenne, sur la sphère terrestre 342 W/m2 (1368 W/m2 sur une section perpendiculaire aux rayons) : c'est la source principale de l'énergie sur Terre. Une partie est réfléchie vers l'espace, une partie est absorbée par la surface et l'atmosphère. La surface de la terre est chauffée et réémet du rayonnement infrarouge qui est renvoyé par l'atmosphère. La vapeur d'eau, le CO2, le méthane et d'autres gaz absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface de la terre et gardent cette énergie : c'est l'effet de serre. Sans lui, température moyenne de la terre serait de l'ordre de -18°C.

3 Le rayonnement solaire varie au cours des millenaires
Il y a plusieurs effets astronomiques qui font varier l'intensité du rayonnement reçu par la Terre. L'axe de rotation de la Terre est inclinée par rapport à l'axe perpendiculaire à son orbite d'un angle (I) qui change et tourne autour de cet axe (précession : P). La forme de l'orbite terrestre (l'excentricité E) change aussi : Ces effets sont bien connus et s'appellent les "cycles de Milankovic"

4 Le rayonnement solaire varie au cours des millenaires : suite
On peut reconstruire, par la connaissance de ces cycles, l'intensité du rayonnement solaire sur des milliers d'années (kiloyears Before Present) - la variation a pu atteindre plus de 100 W/m2. Ces variations très fortes ont causé les glaciations. On peut aussi calculer avec précision l'évolution future (kiloyears After Present), en ce qui concerne l'énergie rayonnée vers la Terre. Pendant les prochains millenaires, la tendance est à l'augmentation de l'intensité entrante. Même en gardant l'effet de serre constant, le bilan d'énergie changera et il est très probable que la température moyenne de la Terre augmentera.

5 Principe de l'équilibre rompu
Masses égales des deux côtés Ou : Autant d'énergie gagnée (par rayonnement solaire entrant et absorbé par effet de serre) que perdue (rayonnée vers l'espace) Déséquilibre : Une faible masse en moins d'un côté fait pencher la balance Ou : Un peu moins d'énergie perdue vers l'espace, par absorption dans les gaz à effet de serre, et la température augmente.

6 Rôle du dioxyde carbone ou gaz carbonique, CO2
Le CO2 est le gaz à effet de serre le plus fort, par son abondance, après la vapeur d'eau. D'autres gaz comme le méthane (CH4) ont un pouvoir d'effet de serre plus important mais sont présents en plus faible quantité. Plusieurs facteurs interviennent sur la teneur en CO2 dans l'atmosphère : le volcanisme émet du CO2, les océans et les sols l'absorbent. L'activité humaine a contribué à l'augmentation de la teneur en CO2, essentiellement par combustion de combustibles fossiles. Beaucoup de mesures ont été faites à différents endroits de la Terre. Le diagramme montre l' évolution de la teneur en CO2 de 1973 à 2001, à 4 latitudes différentes (71°N, 19°N, 13°S et 90°S), avec les variations saisonnières.

7 Facteurs connus influençant le bilan thermique de la Terre
Ces gaz ont des puissances d'absorption de rayonnement infrarouge très variés, leur durée de vie dans l'atmosphère est très différente et ils sont absorbés et émis par des mécanismes très différents. L'océan absorbe une grande quantité de CO2, davantage si l'eau est plus froide. Le rôle des volcans et de l'activité humaine a déjà été mentionné. Du méthane est piégé au fond de l'océan, (par des clathrates) ainsi que dans les sols gelés des régions arctiques (pergélisol), et peut être réémis en cas de fusion du pergélisol ou de lâchage par les clathrates. Des bactéries digèrent la matière organique et lâchent du méthane, aussi bien dans les sols, dans les décharges d'ordures que dans les estomacs des ruminants. Les engrais se décomposent dans les sols et produisent de l'oxyde nitreux N2O, un autre gaz à effet de serre puissant. Le pouvoir de réflexion des sols ("albedo") varie en fonction de leur nature. La neige pure renvoie plus de rayonnement que la terre, les champs, la forêt ou les routes. Les nuages réflechissent également le rayonnement solaire mais renvoient du rayonnement infrarouge vers la Terre. Des poussières et aérosols dans l'atmosphère renvoient les rayonnements, soit vers la Terre, soit vers l'espace. L'interaction de tous ces facteurs est extrêmement complexe et leur importance n'est pas toujours connue avec précision. Les scientifiques recueillent autant de données que possible, dans des stations de mesure terrestres et par satellite. Ces mesures ont des imprécisions et doivent être comparées entre elles. Les climatologues utilisent ces données et des équations couplées pour bâtir des modèles, de plus en plus complexes. Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), organisme créé par l'ONU et l’Organisation météorologique mondiale, rassemble périodiquement les données et les modéles publiés dans des revues scientifiques et en tire des conclusions, provisoires et parfois controversées. Les rapports dont le dernier est sorti en 2007 sont édités en accord avec des délégués des gouvernements participants. Le prochain rapport est prévu en 2014.

8 Vue sur les facteurs influençant le climat

9 Evolution des modèles climatiques et facteurs pris en compte

10 Vérification de modèles par des températures du passé connues
Le modèle est appliqué sur les années 1900 à 2005 où les températures globales sont bien connues. Les éruptions volcaniques majeures influencent la température de la Terre par l'effet écran des poussières et aérosols émis. Si on tient compte des effets de serre dus à l'activité humaine, le modèle correspond assez bien aux données observées. Si on les ignore, on voit bien que les effets naturels seuls ne peuvent pas expliquer la montée de la température globale par rapport à la moyenne des températures entre

11 Conclusions (provisoires) du GIEC
Les scientifiques du GIEC et de nombreux autres climatologues sont majoritairement d'accord que le rechauffement terrestre est dû en partie significative aux activités humaines et que la poursuite de ces activités "comme d'habitude" peut conduire à des évolutions auxquelles nos civilisations ne pourront pas résister. Ces conséquences probables sont des manifestations météorologiques extrêmes plus fréquentes et plus graves (inondations, sécheresses) ; la fonte des masses glaciaires (Groenland, Antarctique...) et l'expansion thermique de l'eau conduiront à une élevation du niveau des océans avec des disparitions de régions côtières habitées. Les modèles pris en compte dans le rapport de 2007 prévoient des valeurs du réchauffement terrestre selon différents cas d'émissions de gaz à effet de serre, avec des incertitudes importantes (mais ces modèles reproduisent bien les températures moyennes du passé).

12 Que faut-il faire maintenant ?
Même avec les incertitudes connues et sans tenir compte de polémiques, il est évident que l'humanité ne peut pas continuer à influencer le climat comme c'est le cas actuellement. Les conséquences seront très difficiles à supporter dans quelques dizaines d'années. Pour réduire l'émission des gaz à effet de serre, en particulier du CO2, la première chose à faire est la réduction des gaspillages d'énergie. En même temps, ceci réduit les dépenses inutiles et permet de réduire la dépendance de vecteurs d'énergie comme le pétrole ou le gaz. L'effet des autres gaz à effet de serre peut être réduit pas d'autres moyens (modification des techniques agricoles par exemple) qui ne seront pas développés dans la suite. Notre civilisation occidentale, a besoin d'énergie pour vivre d'une manière acceptable pour nous.Elle est de plus en plus imitée dans son comportement d'utilisation d'énergie par les autres civilisations, en particulier en Asie et en Amérique Latine, Il faut donc utiliser des énergies qui influencent le moins possible le climat.

13 Sources d'énergie disponibles à l'homme
La source principale de toute énergie utilisée par l'homme est le soleil, en majorité par voie indirecte et historique. L'énergie solaire permet le développement des plantes et animaux qui forment la biomasse et sont, en se décomposant, l'origine des combustibles fossiles - gaz naturel, pétrole, tourbe, lignite et charbon qui deviennent des vecteurs d'énergie. L'évaporation de l'eau et sa reprécipitaiton permet l'utilisation de l'énergie hydraulique, le deséquilibre de l'atmosphère et des océans du au chauffage solaire crée des circulations comme le vent, les vagues et les courants marins. Finalement, le rayonnement solaire peut chauffer directement des objets (en particulier des lieux d'habitation et la nourriture), chauffer un caloporteur comme les chauffe-eaux solaires et produire de l'électricité par effet photovoltaïque. D'autres sources d'énergie sont les marées, dues à l'effet gravitationnel essentiellement de la lune, la géothermie (due à des processus radioactifs dans les profondeurs de la Terre), la fission et la fusion nucléaires. Pour réduire l'effet de serre dû aux émissions de CO2, il convient d'analyser en détail l'impact de chaque vecteur d'énergie. Brûler des combustibles fossiles produit immédiatement du CO2 (et aussi de la vapeur d'eau qui rentre dans le cycle atmosphérique de l'eau, et souvent des polluants comme du soufre, du mercure...). On désigne par énergies renouvelables les vecteurs d'énergie dont le bilan en CO2 (et autres matières entrantes) est, en première approximation, nul. Toutefois, il faudrait établir des cycles de vie complets pour établir exactement l'impact en gaz à effet de serre dû à l'utilisation d'un vecteur d'énergie particulier. Par exemple l'utilisation de béton pour construire les installations doit être prise en compte (la fabrication de ciment émet des quantités importantes de CO2), ainsi que le transport de matériel de construction. Et, évidemment, le facteur de coût joue un rôle important dans les décisions à prendre.

14 Cas de la production d'électricité : émissions de CO2 en g/ kWh
Analyse du cycle de vie pour diverses énergies kg équ C émis par tep Cas de la production d'électricité : émissions de CO2 en g/ kWh charbon à 1050 suivant technologie cycle combiné à gaz 430 nucléaire hydraulique biomasse bois sans replantation Photovoltaïque à 150 (*) éolien à 22 (**) Source : Jean-Pierre BOURDIER, La Jaune et La Rouge de Mai 2000 (*) le CO2 provient surtout de la fabrication des cellules des panneaux, mais aussi de la batterie qui stocke l'électricité la nuit. Suivant que ces panneaux sont fabriqués au Danemark (électricité très majoritairement au charbon) ou en Suisse (électricité quasi totalement nucléaire et hydraulique), le contenu en CO2 est très différent. L'amortissement se fait en 20 à 30 ans suivant les variantes. Toutefois en "cycle fermé",c'est à dire en utilisant tout le long du cycle (fabrication, transport, etc) le plus possible d'énergies à "zéro émission intermédiaire", et avec des technologies "sobres" pour la fabrication (de type couches minces) on arriverait probablement à bien moins. (**) suivant lieu de fabrication, idem ci-dessus. (1 tonne équivalent pétrole = kWh = 42 milliards de Joules). Pour les moyens purement électriques (hydroélectricité, éolien, nucléaire) les valeurs indiquées sont pour kWh électriques.

15 Quelques faits sur l'éolien
L'énergie électrique fournie par une éolienne est fortement variable au cours du temps. Une éolienne ne délivre sa puissance maximale (ou nominale) que dans une fourchette de vitesses de vent assez restreinte. Une éolienne ne produit pas de l'électricité tout le temps, et pas toujours au taux maximum. Pays puissance installée production Equivalent heures en MW (2002) (GWh) à pleine puissance Allemagne Espagne Danemark Italie Total Union Eur Par surface, une éolienne produit en moyenne 20 GWh/an/km2 (avec 10 MW/km2 ) Courbe de puissance délivrée en fonction de la vitesse du vent pour une éolienne Jeumont 750 kW

16 Consommation d'énergie en France : 276 Mtep 2007

17 Consommation d'électricité en France : 486 TWh en 2008
Si toute cette énergie électrique devrait être produite par l'éolien, il faudrait environ km2, soit environ 5% de la superficie de la France métropolitaine...

18

19 Production totale nette d'électricité en France
GWh solaire photovoltaïque (relié au réseau ; 5 GWh en 2007) éolien petite hydraulique hydraulique incl. pompage nucléaire 1990 1999 2007

20 Un exemple du mix énergétique pendant une semaine-type en France en hiver
Consommation momentanée le nucléaire permet une modulation - assez rapide - entre 50 et 55 GW de puissance délivrée pour l'ensemble du parc (malgré sa réputation de fourniture d'une puissance constante, ), le thermique à flamme (charbon, fioul, gaz) sert surtout à la modulation à l'échelle de la semaine ou de la journée, et assez peu de l'heure, les barrages permettent d'assurer "l'hyper pointe", c'est-à-dire la variation à l'échelle de l'heure ou moins, c'est l'hydraulique modulable. Source : EDF

21 Evolution de la radioactivité de déchets nucléaires (en provenance du combustible nucléaire civil
GBq (Giga- Becquerel) En comparaison, l'activité d'un être humain est de l'ordre de becquerels (= 10-5 GBq) L'essentiel de la radioactivité du combustible usé (des produits de fission, dont de l'iode), repasse en moins de ans sous celle du combustible initial. Les centrales nucléaires françaises produisent environ 200 tonnes de déchets de haute activité par an. Le plutonium est le responsable essentiel de la caractéristique "longue durée de vie", mais après retraitement il disparait des résidus, et peut servir de combustible dans les filières Mox, ou celles communément appelées "surgénérateurs" (dont Phénix et Superphénix sont des prototypes). Dans les déchets industriels spéciaux, qui mobilisent d'ordinaire moins l'attention, il y a des composés chimiques dont la "durée de vie" est aussi très importante (les polluants organiques persistants, par exemple), voire infinie. Nous dispersons dans le même temps tonnes de pesticides de synthèse dans la nature, dont la toxicité aiguë est parfois proche de celle des déchets nucléaires.

22 Fourniture totale en énergie primaire
Union Européenne des 27 2000 Chine Mtep 1990 2007 1990 2007 charbon pétrole gaz nucléaire hydraulique renouvelable/déchets géothermie/solaire/éolien tourbe

23 Consommation finale d'énergie par utilisateurs et sources
Industrie Transport résidentiel, commerce,agriculture, administrations,divers charbon pétrole gaz électricité renouvelable/déchets géothermie/solaire thermique/ tourbe cogénération

24 Sources d'informations supplémentaires