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1 Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production délectricité J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMA Ancien Directeur.

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1 1 Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production délectricité J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMA Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS Ecoles doctorales SI-MMEA et S2IM Université de Poitiers – 4 Juillet 2013

2 2 Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production délectricité « renouvelable »

3 3 Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production délectricité « renouvelable »

4 4 Les fossiles: 70 % (Monde 80 %) Données factuelles Renouvelables 13 % Hydraulique 3.5 % Bois +biomasse 6.4 % Eolien 0.6% Solaire 0.1 %...

5 5 Combustion = CO 2 (C n H m ) CO 2 +H 2 O

6 6 Émission de CO2 Les gaz à effet de serre

7 7 Crise de lénergie et crise environnementale ? Effet de serre Changement climatique Raréfaction des ressources Conséquences économiques, sociétales, géopolitiques

8 8 Verre Serre 1) Lénergie solaire traverse le verre 2) La serre se réchauffe : elle émet du rayonnement dans linfra rouge Données: Le verre est transparent dans le visible Il est opaque dans lInfra rouge 3) Donc lénergie réémise par la serre ne peut pas sortir: elle est piégée dans la serre, qui séchauffe beaucoup plus que si il ny avait pas la plaque de verre

9 9 Plus il y a de CO 2, plus latmosphère devient opaque à linfra rouge réémis par le sol, et plus la terre se réchauffe Latmosphère joue pour la terre le rôle de la vitre La terre et leffet de serre

10 10 Deuxième Elément crucial: Le CHANGEMENT CLIMATIQUE

11 11 Nombre de jours anormalement Changement climatique et CO2 froids chauds 1°C Accroissement de la température

12 12 Pluies et innondations Niveau des mers Changement climatique et CO2 Niveau moyen des mers en mm

13 13 La concentration des populations augmente dans les zones côtières, alors que le risque dû à une élévation du niveau de la mer sy accroît Menaces sur les deltas côtiers Changement climatique et CO2

14 14 Australie décembre 2010 Glissement de terrain Mexique septembre 2010 Déluge Afrique du Sud février 2011 Pluies diluviennes au Brésil mi janvier 2011 CO2, réchauffement, innondations :

15 15 Mesures Naturel + Anthropique Naturel Réchauffement : origine antrhopique (JL Demenet)

16 16 Peut-on quantifier lampleur du réchauffement admissible ?

17 17 Effets dun réchauffement au-delà de 2°C ? Fusion de la glace des calottes polaires Montée du niveau des mers Fusion des glaciers Assèchement des rivières (Himalaya) Libération du méthane du permafrost (Sibérie)… Dérèglements climatiques: inondations…

18 18 Evolution du glacier de Chacaltaya (Andes, 5400 m) entre 1994 et IRD-B. Francou Anomalies Groenland Réduction des glaces pluri annuelles de lArctique : de 62 à 32 % de la surface totale(Nasa )

19 19 La concentration en CO2, la température, le niveau de la mer continuent de progresser bien après la réduction des émissions Léchelle des temps Dilatation Fonte des glaces Température Concentration CO2 Emissions CO2

20 20 Troisième élément crucial : la raréfaction des ressources

21 21 Raréfaction des ressources Gaz Charbon Uranium Indium Platine Lithium … Le peak Oil

22 22 Quatrième aspect de la crise : ses conséquences Economiques, Sociétales, Géopolitiques

23 23 Renchérissement du coût de lénergie, Augmentation prix de revient des produits manufacturés riches en énergie: acier, automobile, ciment …) accroissement des déficits, de la dette France Budget : 300 Milliards (dép); Déficit: 60 Milliards Fossiles :70 Milliards ; IRPP :77 Milliards Réponse? Politique daustérité ??? Instabilités Economique

24 24 Précarité énergétique = Un ménage est considéré en situation de précarité énergétique lorsquil éprouve des difficultés à chauffer dans son logement (ressources et conditions dhabitat). Sociétal Facture énergétique/revenu disponible > 10% France : 15% de la population Ain :13 % Poitou Charentes: 18%

25 25 Une mise en cause des besoins vitaux des hommes : Canicules, innondations, moustiques (Dengue, Chicungunia…): santé publique Géopolitique Inondations, sècheresse, désertification : quel territoire pour les réfugiés climatiques ? Fonte des glaciers de lHimalaya: premières estimations 2060,Gange, Indus, Mékong, Yang Tseu: désertification : eau Altération des cultures et alimentation : nourriture Nouveaux conflits géopolitiques

26 26 1) Les effets sur les changements futurs dans le climat des actions que nous entreprenons aujourdhui se feront sentir à retardement: Action maintenant : effet limité sur le climat des 50 ans à venir. Action dans les 10 /20 ans : effet profond sur le climat dans la seconde moitié de ce siècle et au siècle suivant Rapport STERN :2006 2) Les bénéfices dune action forte et rapide sur le changement climatique dépassent considérablement les coûts…

27 27 Nous sommes dans un contexte durgence (diviser par un facteur 4 les émissions à effet de serre) et de contrainte: fin du pétrole bon marché + Stern Peak oil + …

28 28 Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production délectricité « renouvelable »

29 29 ppm CO 2 Référence 450 Scénario ppm cest 0.045% de CO2 Rappelons un scénario de transition possible vers un monde plus sobre (AIE) Il stabilise ( # 2050, 2060) la concentration en CO2 dans latmosphère à 450 ppm En fait, il offre une de probabilité de 50 % de limiter le réchauffement à 2°C

30 30 Le Scenario 450 Des clés ! Agence Internationale de lEnergie (IAE) Evolution des émissions annuelles mondiales de CO 2 (Giga tonnes)

31 31 1) Efficacité 2) Energie décarbonnée AIE : Agence Internationale de lEnergie Les Pistes 50 %

32 32 Réduire la demande: isoler Améliorer les rendements Cycles combinés Cogénération Récupérer Améliorer lefficacité

33 33 Production délectricité de la France # 500 TWh On évalue à 43 TWh lénergie qui peut être économisée dans lindustrie en systématisant la variation de vitesse et à 5 TWh en améliorant lefficacité des moteurs, Des gains allant jusquà 40% sont envisageables pour tous les appareils utilisés dans le résidentiel 120 TWh La marge de progrès dans léclairage (50 TWh) est considérable : plus de 50% et sans doute davantage avec les diodes électroluminescentes Identifier les gisements de gain en énergie 10 % 5 % 10 % Efficacité et Génie électrique

34 34 Composants: Eclairage France 10 % consommation électrique (500 TWh) # 5 tranches nucléaires Lampe à incandescence: Planck rendement lumineux 5 % (tungstène) LED : Transitions radiatives entre niveaux énergétiques discrets: ( Al Ga In N…) Gain pratique actuel estimé : 50% soit 2 tranches Avantages Potentiel de gain Durée de vie ( h) Faible demande en énergie Pas de mercure, UV OLEDs Inconvénients Monochromatique, directionnel reproductibilité Production peu écologique ( semi conducteurs) Santé ?

35 35 Nouveaux matériaux: Mois de pertes magnétiques, Moins de pertes diélectriques Électronique de puissance: limiter léchauffement Récupérer la chaleur : cas des grands centres de calcul Piloter la vitesses des machines ( 10 % gain )… Exemples de pistes de recherche Génie électrique

36 36 Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production délectricité « renouvelable »

37 37 1) Efficacité 2) Energie décarbonnée AIE : Agence Internationale de lEnergie Les Pistes ENR # 25 %

38 38 Consommation Fossiles Recharge quotidienn e Renouvelable Consommation Soleil Pas de Recharge! Le caractère renouvelable : idée dun grand réservoir

39 39 Au commencement de lUnivers, il y a # 14 Milliards d années Au commencement de la terre, il y a # 4.5 Milliards d années Aujourdhui, les énergies primaires de notre société Les ENR: les différentes formes Lénergie du Big Bang (?) Lénergie thermonucléaire du soleil La Radioactivité stockée dans la terre Lénergie mécanique du système solaire Solaire Eolien Biomasse Combustibles fossiles Houle Energie nucléaire, fission Géothermie Marées

40 40 Electricité Les ENR sont associées aux vecteurs usuels

41 41 Carburant Chaleur ENR et vecteur usuels Hydrogène Décomposition de leau : Par action du soleil sur des algues Ou par électrophotocatalyse

42 42 Intermittence Production régulière Hydraulique Géothermie Biocarburants Hydrauliennes

43 43 Intermittence Production irrégulière Eoliennes Solaire PV Solaire Thermique Solaire Thermodynamique Houle

44 44 ENR : Avantages Le Réservoir potentiel dénergie primaire est gigantesque: Géothermique : 25 % consommation monde Hydraulique: 50 % consommation monde (elec) Eolien : 100 fois consommation monde PV : fois consommation monde Impact environnemental faible (?) Vent, soleil, mer : assez bien distribué Exploitable à petite échelle

45 45 ENR : Inconvénients Couts élevés, Surface au sol, Intermittence Impact environnemental, Acceptabilité Voir tableau suivant CO2, Besoin de stocker Discuté en conclusion /MWh Hydro20Gaz77 Charbon44Eolien60 Nucléaire50Solaire2 à 400

46 46 Investissement (Milliards ) Surface (ha) EPR Eolien20 parcs14600 PV61 fermes EPR : 1600 MW, 82 %, 11.5 Milliards kWh, 8.5 Milliards Eolien Quatre Faux:330 MW, 20%, 578 Millions kWh, 700 Millions 1 EPR = 20 parcs = 14 Millions PV Toul : 143 MW, 15 %, 188 Millions kWh, 450Millions 1 EPR = 61 fermes solaires = 27 Millions ENR: Investissement

47 47 Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production délectricité « renouvelable »

48 48 Eolien H=135 m 7.7 MW 12 Les quatre Faux

49 49 Fin 2011 : 3700 machines soit 6,7 GW Horizon GW : 6000 nouvelles machines à 2 MW anciennes 2.5 fois plus quaujourdhui :Un carré de 2500 km2 soit ½ département Offshore : + 10% soit en tout 22 GW et 45 TWh : 10 % conso Le déploiement de léolien en France ? Données: France : 500TWh Eolienne : 25 à 30 % du temps Les contraintes: Vent « suffisant » Distance respectueuse les zones urbaines et sites protégés Passages oiseaux Servitudes techniques ( radar météo) Quel % du territoire est –on prêt à consacrer aux éoliennes ?

50 50 Matériaux: aimants au Nd-Fe-B Limiter ou remplacer la terre rare (ici le Néodyme): Hexaferrite Usure des pales ( pluie, grains de sable du Sahara…) Prédictibilité de la production Analyse détaillée de la distribution des vents (direction, module, variabilité, distribution à petite ( 1 mn) et grande échelle de temps (1h, 1 j 1 an et plus), lois statistiques, modélisation Intermittence et stockage: Air comprimé, batteries (Li-ion, H2),STEP Quelques problématiques scientifiques

51 51 Stockage Air comprimé avec récupération de chaleur de compression (thèse A. Bertin juin 2013 IPGP)

52 52 Photovoltaïque Centrale de Toul –Rosières (Nancy) 2012 – 143 MWc 367 ha 450 Millions

53 53 Puissance crête dun panneau : # 100Wc/ m2 (pour 1000 W/ m2 solaires incidents) Ensoleillement typique en France: 1000kWh /an /m2 1000h équivalentes à la puissance crête Une maison de 10 m2 de panneaux 1kWc 1000 kWh Une ferme de 1 MW m2 de panneaux 1000 MWh =1 GWh et 2 ha au sol Quelques points de repère

54 54 Quel déploiement du PV en France ? Pour 500 TWh : 500 GW, km2 soit 2% du territoire, 2 départements Pour 10 % de la consommation nationale: 0.2 départements Avec les pertes et lintermittence: ½ département En réalité, en fin 2011 : 4 GW en France ( < 1 % cons) 32 GW en Allemagne 100 GW au monde

55 55 Production de Silicium Couches minces Organique Nanostructurés PV concentré Quelques problématiques scientifiques

56 56

57 57 Silicium cristallin Purification du silicium métallurgique par procédé plasma Interaction plasma silicium Interaction entre éléments dans le silicium Lapprovisionnement Modification des bandes… Lanthanides Down convertion: un photon de grande énergie donne deux photons de plus faible énergie Up convertion: deux photons de faible énergie donnent un photon de plus grande énergie Nanostructuration

58 58 PV Concentré CPV avec cellules multi-jonctions GaInP/GaAs/Ge : 40 % Empilement infini :théorique 86 % InGaP (1.82 eV) InGaAs (1.4 eV) Ge (0.5 eV) Cellule chère Concentrer Ir is Cellule

59 59 Extraction RéductionRécup chaleur four QSRecyclage SiCl4 Plaquette Sciage, épaisseur 350-->180µ; 100*100 --> 160*160 mm Cellule Décapage, antireflet dopage connectique ModuleRaccordement encapsulation Cas du Silicium cristallin Temps de retour énergétique: de 15 à 3 ans Action sur les procédés Gain en 15 ans

60 60 En Guise de Conclusion Lurgence simpose pour tenter de résoudre les problèmes majeurs de la crise environnementale causée par lusage des fossiles pour produire notre énergie. Sajoute le raréfaction rapide de ces ressources fossiles Quelques clés ont été identifiées: Améliorer lefficacité énergétique Développer les ENR Agir sue le CO2 (CCS) Développer un nucléaire « maitrisé »…

61 61 En Guise de Conclusion Même si le réservoir peut apparaitre gigantesque, en matière délectricité issue des dENR il ny a pas de solution miracle, et la production délectricité ne peut senvisager par les seules ENR. Un problème majeur, lintermittence: perspectives et besoin de R/D, stockage, smart grids… Les matériaux Substitution aux terres rares Nanostructuration, solaire PV concentré

62 62 Conclusion (fin) Mais ne pas oublier certains aspects relevant des Sciences humaines et sociales Acceptabilité Les surfaces occupées, laltération du paysage Obstacles à la diffusion des nouvelles technologies Education Juridique, aménagement du territoire: règlementation, subventions Les modes de consommation (réduire la demande) Et, à un autre niveau, la préparation des négociations à linternational…

63 63 Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production délectricité J. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMA Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS Merci pour votre attention

64 64 Encrassement des Echangeurs pertes = 2 % énergie mondiale = conso France Froid industriel : 2 % consommation électricité mondiale ( 2000TWh = 4 * France) Frottement Automobile: 360 Mtep =3% Energie mondiale A 15 ans réduction de 60% + 50 % Améliorer lefficacité

65 65 Monde (Mega tep) TotalTransportsAgrocarburants à 500 Où Placer le curseur ? Les surfaces : 125 Mha /1130 :10% La contribution CO2 : Gtonnes C soit % La contribution en énergie: 4 tep /ha 500 Mtep, 2.5 % total mais 20 % carburants Les agrocarburants : une concurrence aux cultures vivrières ?

66 66 Données 300 Millions de personnes en danger de mort 100kg de blé à 150 $ la tonne: 15 $ La faim dans le monde Les calculs 1) Pour 300 millions : 4,5 milliards $ Les PIB: F : 2000 Milliard ; USA: Milliards ; monde : Milliards $ Les paradis fiscaux: 500 fois le PIB mondial 2) Les quantités: La production de blé : 780 M Tonnes dont 180 restent dans les stocks Il faut : 30 Millions de tonnes !

67 67 Eolien + PV : 2 % de TWh


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