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Les consommations dénergie dans le monde : quelles perspectives en 2014 ? Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux (Université de Gabès) Enseignement Intégré.

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1 Les consommations dénergie dans le monde : quelles perspectives en 2014 ? Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux (Université de Gabès) Enseignement Intégré de Science et Technologie (EIST) Classes de 5 ème - Collège Madame de Sévigné Perpignan – 28 février 2014 Institut de Mécanique et dIngénierie - Bordeaux

2 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

3 Quelques unités de base k (kilo ; 10 3 ), M (méga ; 10 6 ), G (giga ; 10 9 ) Million Milliard Deux unités pour le travail (énergie) : le Joule (1 calorie = 4,18 J), unité internationale le kilowatt-heure, kWh = J, unité courante Deux unités pour la puissance (énergie/temps) : le Watt, W = 1 Joule / 1 seconde, unité internationale la 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 : rendements 100 % !

4 Quelques ordres de grandeur de puissance Une lampe déclairage : 20 à 100 W Un marcheur en montagne : > 1 W par kilo (360 mètres de dénivelé par heure) Ration alimentaire (2700 cal/hab.j) : 130 W Une voiture : 50 – 100 kW TGV : 10 MW Une « tranche » de centrale électrique : environ 1000 MW Un tir dAriane 5 : 50 GW Reçu du soleil (albédo non déduit) : 1, GW

5 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

6 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 environ habitants de plus ! Milliards dhabitants 7,2 Février ,7 (INED)

7 transports, habitats, industrie (agriculture) 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, celles ingérées par un herbivore, diverses formes de séchage « naturel », Des difficultés de métrologie pour toutes les deux

8 Les besoins énergétiques de lhomme

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

10 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

11 Tunisie Consommations dénergie par habitant, en tep/(hab.an) Maroc

12 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

13 Depuis 1973, une stabilisation, par habitant

14 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

15 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

16 2008 – 12,45 Gtep/an [ Rendement conversion électricité/tep : 38 % ]

17 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 -).

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

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

20 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

21 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, ………...

22 240 W/m 2 Ensoleillement au sol (moyenne sur 24 heures) [au sol : ~ 2000 kWh/m 2.an]

23 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

24 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]

25 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)

26 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).

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

28 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,..)

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

30 Capteur cylindro-parabolique

31 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,…)

32 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)

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

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

35 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)

36 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)

37 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

38 Les différents modes de transfert de chaleur Conduction : dépend du « gradient thermique », T / H (loi de Fourier), via la conductivité thermique, Rayonnement : propagation dondes électromagnétiques (pas de matière), dépend de T 4 (en températures absolues, K), Convection : transport par fluides, chauds ou froids et contacts avec parois, Changement de phase : évaporation absorbe de la chaleur, condensation « dépose » de la chaleur.

39 Une large palette de techniques [Grands ensembles, Habitats individuels, Bureaux] Isolation, Eclairage (LED [1] et électronique), Chaudières à condensation, Combustibles « renouvelables » (pellets), Panneaux solaires (eau chaude), Panneaux solaires photovoltaïques, Géothermie (collective ou individuelle [2]), Matériaux adaptés (peu « énergivores » à la production : bois, paille, …), Recyclage de produits et systèmes (3], Cogénération, Bâtiments à énergie positive, Orientations adaptées, … [1] LED : Light Emitting Diode (lampes à diode électroluminescente) [2] Puits canadien, ou provençal, puits climatique [3] Recyclage de containers en fin de vie

40 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

41 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

42 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

43 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

44 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

45 un challenge, le développement de la géothermie : le chauffage collectif (région parisienne,…) le long de la vallée de la Têt : 45 MW le refroidissement deau chaude géothermique à El Hamma (près Tozeur, Tunisie), quel usage pour ces « calories » ?? Approches Intégrées « feu de tout bois »

46 Sommaire Quelques unités et ordres de grandeur Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » actuel Le rôle des énergies renouvelables Lénergie dans lhabitat Les principaux mécanismes de transfert Le « bouquet » des différentes techniques Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie En guise de conclusion…. d es contraintes autres que la seule énergie

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

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

49 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

50 Merci


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