Quelles énergies pour demain ? Christian Ngô

Présentation au sujet: "Quelles énergies pour demain ? Christian Ngô"— Transcription de la présentation:

1 Quelles énergies pour demain ? Christian Ngô
CEA

2 L’énergie Pour le physicien Pour ce qui nous intéresse ici
Les processus élémentaires qui gouvernent notre monde macroscopique sont régis par une loi dans laquelle une quantité, appelée énergie, est conservée pour un système isolé Origine de cette loi : l’uniformité du temps Pour ce qui nous intéresse ici Un corps ou un système possède de l’énergie s’il peut fournir un travail.

3 L’énergie est fondamentale pour l’homme
L’homme a besoin d’énergie : pour se nourrir, pour se chauffer, pour se déplacer, pour travailler, etc. .... pour vivre et accroître son bien-être Il ne faut pas la gaspiller ; il faut aussi prévoir l’avenir et penser à nos enfants. de à

4 L’énergie Plusieurs aspects Scientifiques Economiques Politiques
Sources, stockage, transport, conversion, etc. Economiques Prix, taxes, projection dans le futur, etc. Politiques Indépendance énergétique, acceptation du public, etc. Environnementaux Pollutions locales, globales, gestion des déchets, etc.

5 L’énergie est indispensable à la vie
est un élément majeur du développement de l’humanité L’énergie Consommation électrique mondiale : Twh Population : 6 milliards d’individus Puissance moyenne consommée : P=230 watts (pour la France P=940 watts) 4 milliards d’individus sont au dessous de cette moyenne On constate que : le taux de mortalité infantile croît lorsque P<500 w/habitant (2,2/1000 -> 150/1000 pour les très faibles consommations) L’espérance de vie chute brusquement lorsque P<180 w/habitant (elle descend à 36,5 ans pour les très faibles consommations)

6 Répartition de la consommation d ’électricité
(kWh) ONU (1997) Puissance = 1 watt ; consommation = 8,77 kWh 1600 kWh => seuil des 180 watts 4400 kWh => seuil des 500 watts

7 Evolution de la population mondiale
1987=5 2100=10-12 1961=3 1925=2 =8 1820=1 2000=6 1976=4

8 L’énergie dans le monde
source OCDE

9 L’énergie dans l’Union Européenne
source OCDE

10 L ’énergie en France 1997 Source OCDE En 1796 28 millions d ’habitants, 0,3 tep/habitant En 1995 4,15 tep/habitant (14 fois plus avec une bien meilleure efficacité énergétique) Source DGEMP

11 Origine de l’électricité en France
Hydraulique : 56% en 1960

12 Evolution des sources d’énergie
<19ème siècle : bois, hydraulique, éolien, traction animale 19ème siècle : charbon, machine à vapeur 20ème siècle : Pétrole, gaz, nucléaire

13 Consommation d’énergie primaire par habitant et par an

14 Les différentes sources d’énergie
Charbon Pétrole Gaz Nucléaire Energies renouvelables : Hydraulique Solaire (thermique, photovoltaïque) Eolien Biomasse (houille verte, déchets) Géothermie (conduction, convection) Le problème pour certaines sources : la disponibilité et le stockage de l’énergie.

15 % Autres Charbon Pétrole Gaz Electricité

16 D’où vient l’énergie ? La majeure partie provient du soleil : réactions thermonucléaires gravitation de la radioactivité terrestre L’énergie provient essentiellement de réactions nucléaires. Les réactions chimiques interviennent dans les transformations d’énergie

17 Le soleil Rayon : 696 000 km Masse : 1,99 1030 kg
Température à la surface : 5780 K Température à l’intérieur : 15,6 millions K 71% H, 27% He, 2% éléments lourds Age : 4, 55 milliards d’années Durée de vie restante : 5 milliards d’années Energie libérée : 0,2 mW/kg soit fois moins que le métabolisme humain ( cellules). (Homo Habilis (2 millions d’années), Homo erectus (1millions ans), ..., Homo sapiens sapiens ( ans)

18 Le marché de l ’énergie Le prix de l ’énergie est un élément déterminant pour choisir une source d ’énergie. Mais d ’autres critères peuvent intervenir (sûreté d ’approvisionnement, indépendance énergétique, valeur ajoutée dans le pays, sécurité de distribution, …) Le prix d ’une énergie n ’est pas simple à déterminer si l’on inclut les nuisances générées (externalités).

19 Les problèmes à venir Les réserves des énergies fossiles L’effet de serre

20 Réserves de pétrole

21 Réserves de charbon

22 Réserves de gaz

23 Les réserves Ces chiffres sont indicatifs.
Seul l ’ordre de grandeur est important. Les réserves

24 Ordre de grandeur des réserves
(CME 1993) Charbon Gtep Lignite Gtep Pétrole Gtep Gaz Gtep Schistes bitumineux + sables asphaltiques centaines de Gtep Hydrates de méthane > 1000 Gtep Uranium (REP) 80 Gtep Uranium (surgénérateurs) 8400 Gtep (mais d ’autres gisements)

25 L’effet de serre S’il n’y avait pas d’effet de serre la température moyenne de la terre serait à -18°C alors qu’elle de +15°C. Notre planète utilise en moyenne 240 W/m2 pour se réchauffer. Depuis le début de l’ère pré-industrielle l’effet de serre a augmenté de 2,45 W/m2 , soit 1%. Entre 1850 et 1995, la température moyenne a augmenté de 0,3 à 0,5°C. Si l’on ne fait rien on prédit que la température moyenne augmentera de 1 à 3,5°C entre aujourd’hui et 2100.

26 Les gaz à effet de serre CO2 -> 1,56 Wm-2 CH4 -> 0,5 Wm-2
N2O-> 0,1 Wm-2 CFC -> 0,3 Wm-2 34% de l’électricité de l’Union Européenne est produite par le nucléaire. CO2 évité = émissions des 200 millions de véhicules.

27 Rejet en CO2 Comparaison pour une quantité donnée d’électricité :
Gaz 450g - 650g Charbon 900g g Pétrole 700g - 800g Nucléaire 40g Combustibles fossiles : plus il y a d ’hydrogène, moins il y a d ’émission de CO2 Centrale de Porcheville Emission annuelle en CO2 par habitant (tonnes): USA 5,2 tonnes GB 3,0 France 1,8 RFA 3,2 Japon 2,1 Centrale de Chooz

28 Le charbon 1000 ans avant Jésus-Christ les chinois utilisaient le charbon pour cuire la porcelaine. XIIème siècle : le bois est cher (constructions, marine) mais on utilise peu le charbon car il est sale, il empoi-sonne l’air, attaque les poumons, sent le soufre...Le roi d’Angleterre l’interdit, la Sorbonne est aussi contre,... XVIIème siècle : on lève ces interdits car le bois se fait rare Le charbon s’est formé à partir du carbonifère (~ -350 millions d’années) à partir de végétaux engloutis sous les mers. Plus le charbon est vieux, plus la carbonification est riche (anthracite, houille, lignite, tourbe,....)

29 Le pétrole Le pétrole s’est formé à partir du plancton qui, lorsqu’il meurt se dépose au fond de la mer. Recouvert de sédiments, ces déchets se transforment en pétrole. On le trouve dans des roches poreuses. Connu depuis l’antiquité («huile de pierre») 1830 : le pétrole jaillit par hasard d’un puits 1859 : premier puits de pétrole (Drake). Le pétrole est actuellement irremplaçable pour les transports. (8 milliards de tonnes de produits pétroliers sont transportés chaque année en France, 57% sont transportés par la route, ils interviennent dans 79% des accidents avec épandage de matières dangereuses)

30 Les transports En France : environ 25% de la consommation totale d’énergie (50 Mtep). Elle a été presque multipliée par 4 depuis 1960 (entre 1960 et 1973, augmentation de 7% par an). Plus de 60% de la consommation pétrolière (1/3 en 1973) Facture pétrolière 1997 : 77,9 GF pour une facture de 85,6 GF Que se passera-t-il lorsqu’il n’y aura plus de pétrole ? Par quoi remplacer les véhicules actuels ? Voiture électrique Voiture hybride Moteur à hydrogène Piles à combustible Le carburant ?

31 Le gaz Essentiellement constitué de CH4
C’est une des énergies les plus intéressantes pour produire de l’électricité. Avec les centrales à cycle combiné, couplant une turbine à vapeur à une turbine à combustion, on obtient des rendements supérieurs à 50% Le gaz est le combustible fossile qui dégage le moins de CO2 (environ 2 fois moins que le charbon) Entre 1960 et 1997, la consommation française a été multipliée par 13. Nos fournisseurs : Algérie, Norvège, Russie Transporté par gazoducs ou méthaniers (le gaz liquide, à -160°C, occupe un volume 600 fois plus petit)

32 L’hydraulique P = 8*débit*hauteur Coûteuse en investissements
Économique en fonctionnement Environnement et accidents (1,5 million de personnes déplacées aux 3 gorges, morts en 1979 (barrage de Morvi en Inde)) Potentiel théorique : TWh Potentiel exploitable : TWh Consommation actuelle : TWh Potentiel Asie (27%), Amérique du sud (24%), ancienne URSS (24%) En France, en 1960, l ’hydraulique représentait 56% de la production totale Marées (usine de la Rance) Vagues (1W/m2, 50 KW/m de côte) Énergie thermique des océans (très coûteux mais 100 fois le potentiel des vagues)

33 Le solaire thermique (effet de serre) Le photovoltaïque
avantages : fiabilité, modulaire, faible coût de fonctionnement, non polluant en fonctionnement. Très intéressant pour les sites isolés inconvénients : fabrication (coûteux en énergie), rendement, compétitivité économique stockage de l’énergie. Fin de cycle Si cristallin, ou amorphe, 1 cellule -> 1 à 3 W, <1V 1982 5MWc, MWc

34 Le photovoltaïque Il arrive environ 1kW/m2 sur la terre. En France de l ’ordre de 1500 kWh/m2/an. Mais le rendement des cellules 13-14% (silicium). Deux scénarios pour la France Scénario 1 : on stocke pour une journée et on veut couvrir la consommation à toute époque de l ’année km2=250km*250km ( GF) Scénario 2 : on a une capacité de stockage de 4 mois km2= 50km*50km ( GF) fois le nombre de batteries du parc automobile français. Le problème du photovoltaïque : le stockage de l ’énergie (environ 30% du prix de l ’installation) Photovoltaïque spatial ?

35 L’éolien La puissance est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Efficace si v>5m/s (force 3). Il faut v=15m/s (force 7) 25% de la surface du globe pourrait être utilisée, mais seulement 4% des sites possibles sont utilisables sur les terres. A 50m de haut la vitesse du vent est supérieure de 25 à 35 % par rapport à 10m (puissance multipliée par 2). Potentiel TWh (consommation mondiale TWh). Hormis l ’hydraulique, c ’est une des énergies renouvelables la moins chère. Sensible aux intempéries Le vent ne souffle pas toujours à 15m/s

36 L’éolien Pour une éolienne de 750 kW on a :
750 kW pour un vent de 15m/s (54km/h) 28 kW pour un vent de 5m/s (18km/h) En moyenne environ 150 à 200 kW. Il ne faut pas confondre puissance installée et puissance récupérée Pour remplacer un réacteur nucléaire de 1000 MW, il faudrait donc plus de éoliennes. A raison d ’un éolienne tous les 50 m cela fait environ 250 km de côte Perspectives Éolien off-shore (vent plus fort et plus régulier)

37 biocombustibles, biocarburants L’énergie solaire est diffuse,
La houille verte Végétaux -> biocombustibles, biocarburants L’énergie solaire est diffuse, intermittente. La plante permet de stocker cette énergie et consomme du CO2. Faible rendement énergétique (1% zones tempérées, 2-3% zones tropicales). Bois : il ne brûle pas, il se décompose (pyrolyse) Carbonisation, gazéifaction Biocarburants (bioéthanol, ester d’huile végétale) environ 3 fois plus cher que le pétrole.

38 La houille verte Rendement en France pour le bois : 3,6 à 7,2 tep/ha
Pour remplacer une centrale nucléaire de 1GW : plus de 2500 km2 de forêts Les biocarburants : 3 fois plus chers que les combustibles fossiles. Il faut 1litre de carburant fossile pour produire 1,5 litre de bioéthanol ou 2 litres d ’ester de colza. Par contre le bilan CO2 est intéressant.

39 Fermentation anaérobie Biogaz (mélange CO2, CH4)
L’énergie des déchets Fermentation anaérobie Biogaz (mélange CO2, CH4) Déchets d’élevage, Effluents industriels, Boues des stations d’épuration, Ordures ménagères, Incinération des déchets Ordures ménagères (1kg/jour par habitant en Europe) Déchets industriels spéciaux Résidus agricoles L’incinération de tous les déchets conduirait à 1% de l’énergie consommée en France.

40 Origine : radioactivité
La géothermie Origine : radioactivité 0,06 W/m2 soit 3500 fois moins que le flux solaire. Gradient géothermique = 3,3°C par 100m Mais il existe des zones favorisées géothermie basse énergie géothermie moyenne et haute énergie H2S, corrosion

41 La terre reçoit une puissance d'environ 120×1015W
La terre reçoit une puissance d'environ 120×1015W. Environ 1% sont transformés en énergie mécanique (vent), soit 1,2 × 1013w Environ la moitié est utilisable pour la photosynthèse Pour la photosynthèse, le rendement théorique maximum est  5,5%, en fait il excède rarement  1-2%. L ’énergie du soleil

42 Nucléaire versus chimique
A poids égal, la fission libère environ 2,4 millions de fois plus d’énergie que la combustion de carbone (charbon). 1g d’uranium naturel équivalent à 17 tonnes de charbon. 1g d’uranium fissionné = 1MWj. Le premier réacteur nucléaire était naturel (Oklo, il y a 2 milliards d’années).

43 Production d’électricité
Ordres de grandeur 1 kg de bois sec -> 2kWh 1 kg de fuel (ou 1m3 de gaz) -> 6 kWh 1 kg d’uranium naturel centrale avec U seul -> kWh centrale avec MOX -> kWh surgénérateur -> kWh Les réactions chimiques élémentaires libèrent des énergies qui se chiffrent en eV, les réactions nucléaires en MeV. Pour une même masse, l ’énergie nucléaire libère environ un million de fois plus d ’énergie que les énergies chimiques. La masse des déchets générés est aussi réduite dans cet ordre de grandeur.

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45 Développement de l’électronucléaire

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48 1970 : la dépendance énergétique de la France est proche de 80%
Vers l’indépendance énergétique de la France 1970 : la dépendance énergétique de la France est proche de 80% 1973 : c’est le premier choc pétrolier avec le prix du pétrole multiplié par 2 Le 6 mars 1974 : programme Messmer (accélération du programme nucléaire français) La facture pétrolière est passée de 14,4 GF en 1973 à 134 GF en 1981 1995 : La dépendance énergétique est de 51,4% et 76% de l’électricité provient du nucléaire

49 Capacité nucléaire Française

50 Les réacteurs à neutrons rapides
Dans un réacteur à neutrons lents, on ne se sert que de 0,5%, au mieux 1% après retraitement, de l ’uranium naturel. Dans un réacteur à neutrons rapides on utilise 60% de l ’uranium naturel. Comme pour les réacteurs à neutrons lents, on peut imaginer plusieurs types de réacteurs à neutrons rapides, avec des fluides de refroidissement comme l ’hélium, le sodium, le plomb-bismuth,…

51 Préserver l’environnement
Lors de la formation de la terre (4,5 milliards d’années) l’atmosphère était composée de H2, NH3, CH4, H2O. les rayons du soleil étaient mortels, la radioactivité importante et les rayons cosmiques dangereux Il y a 3,8 milliards d’années apparition de plantes unicellulaires les premiers «pollueurs» Photosynthèse (O2) et bouclier protégeant des rayons mortels du soleil -350 millions d’années : la vie sort de l’eau -63 millions d’années : disparition des dinosaures et de nombreuses espèces. Préserver l’environnement c’est garder un environ-nement qui permette à la race humaine de survivre.

52 La gestion des déchets La dilution Le confinement Christian Ngô

53 La production d’énergie
C’est la dose qui fait le poison Toute activité humaine génère des déchets Actuellement la demande en énergie est con-sidérable. Quel que soit son mode de production l’environnement est fortement perturbé. Ainsi même une centrale thermique a des rejets radioactifs (14C du pétrole). La radioactivité rejetée par une centrale au charbon est bien supérieure à celle d’une centrale nucléaire (elle dépend du charbon utilisé). L’homme n’est plus, quel que soit ses activités, une perturbation pour le système naturel. Il doit en tenir compte dans tous les choix qu’il fait, qu’ils soient énergétiques ou autres.

54 La production d’énergie
Une centrale au charbon de 1000 Mw fonctionnant 6600 heures par an rejette : 1 500 tonnes de poussières tonnes de CO2 tonnes de SO2 tonnes de NOx 1g d’235U permet de produire autant d’électricité que 2,4 tonnes de charbon. Pas de CO2, SO2 ni NOx mais des déchets radioactifs dont il faut prendre beaucoup de soins. Pour produire moins de déchets il faut consommer moins d’énergie. Mais qui veut diminuer sa consommation, donc son confort ?

55 Quelques ordres de grandeur
Par personne et par an , en France Déchets inertes et ménagers 2200 kg Déchets industriels kg dont 100 kg de déchets fortement toxiques Déchets nucléaires 1 kg dont 10 grammes de haute activité

56 Volume moyen par tranche électronucléaire des déchets radioactifs conditionnés
année

57 Les 3 classes de déchets

58 Les déchets radioactifs

59 GESTION DES DÉCHETS : la loi du 30 DÉCEMBRE 1991
Objectif : les déchets contenant des éléments à vie longue et à haute activité (catégories B et C) Trois axes de recherche et développement : La recherche de solutions permettant la séparation et la transmutation des éléments radioactifs à vie longue présents dans ces déchets L'étude des possibilités de stockage réversible ou irréversible dans les formations géologiques profondes, notamment grâce à la réalisation de laboratoires souterrains L'étude des procédés de conditionnement et d'entreposage de longue durée en surface de ces déchets Durée d’application de la loi : 15 ans Rapport global d'évaluation et projet de loi. Rapport annuel d'avancement adressé au Parlement par le Gouvernement Commission nationale d ’évaluation

60 Les ordres de grandeur Relâchement dans l’atmosphère de 239Pu
Essais nucléaires aériens : 4,2 tonnes Accident de Windscale : 0,6 kg Accident de Tchernobyl : 12 kg Radioactivité (1curie= 3, Bq) émission par les volcans : curies de 210Po injection annuelle de radon dans l’atmosphère : 1,7 milliard de curies Bilan 1976 (après décroissance) des essais aériens : 16 millions de curies en 90Sr Tchernobyl : curies de 90Sr

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63 Groupe diffuseurs à Eurodif
Bateau de transport Transnucléaire

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65 Quelques chiffres sur le nucléaire (rapport Galley-Bataille)
455 GF d’investissement EDF=62%, COGEMA=25%, CEA=12%, recherche COGEMA=1% Total recherche nucléaire = 54,6 GF ; à titre de comparaison la recherche aux USA sur les énergies renouvelables = 49,3 GF (elles représentent <5% de leur énergie primaire). une production annuelle = 88 Mtep Économie totale de 600 GF d’importations et 4,3 Gtonnes de CO2 ; solde exportateur 316 GF de 1976 à 1997 une indépendance énergétique améliorée de 20,4% en 1973 à 49,6% en 1997 facture énergétique : 5,6% du PIB en 1973, 1,3% en 1997 Environ emplois directs et liés

66 Pour la France, le nucléaire c’est :
30 milliards de Francs d’économie sur les importations de combustibles fossiles 18 milliards de francs d’exportation d’électricité (en 1996 ventes d’électricité = 17,7 GF ; facture des importations de gaz = 17,2 GF) 10 milliards de francs d’exportation pour le cycle du combustible plus de emplois liés à l’exploitation des centrales nucléaires Pour remplacer le nucléaire, il faudrait trouver 60 milliards, soit 1000 Frs par français et par an ou environ 5000 frs par foyer fiscal.

67 Énergies alternatives
Le CEA et l ’énergie L ’énergie avec l ’électronucléaire et les énergies alternatives est un axe stratégique du CEA Électronucléaire Rendre le nucléaire plus compétitif et plus sûr en améliorant le présent (amont, réacteurs, aval) en préparant le futur (réacteurs du futur,…, fusion) avec une recherche fondamentale de qualité Énergies alternatives Recherches, dans nos domaines de compétence, pour les rendre économiquement compétitives

68 Un effort de R&D en forte croissance
Trois grandes lignes de programme Piles à combustible et hydrogène Stockage électrochimique de l ’énergie Maîtrise de l ’énergie et solaire photovoltaïque

69 Programme piles à combustible
Pile à combustible Type PEM (poursuite des études) Type SOFC (études) Analyse du cycle de vie Hydrogène Production (reformage par plasma froid, hydrogénases, hydrures) Stockage (réservoir, nanotubes, sûreté)

70 Programme stockage de l ’énergie
Champ couvert Batteries lithium-ion Batteries lithium métal Batteries au plomb Piles (non rechargeables) Supercapacités

71 Programme maîtrise de l ’énergie et solaire photovoltaïque
Utilisation rationnelle de l ’énergie (Greth, échangeurs, cogénération à partir de nouveaux combustibles, etc. Supraconducteurs haute température Solaire photovoltaïque Système (Genec) Cellules photovoltaïques (semi-conducteurs)

72 La fusion, l ’énergie d ’avenir
Essayer de reproduire le type de réactions nucléaires qui ont lieu dans le soleil : la fusion de deux noyaux légers (sur terre deutérium-tritium pour commencer) La fusion thermonucléaire est sans doute l ’énergie non renouvelable de l ’avenir car l ’ordre de grandeur des réserves se chiffre en millions d ’années fission : milliers d ’années Combustibles fossiles : centaines d ’années Encore au stade de la recherche La réalisation industrielle ne devrait pas se faire avant le XXIIème siècle

73 Le stockage de l ’énergie
C ’est le point faible de la filière énergétique Exemples Batteries au plomb 30 Wh/kg Batteries Nickel-NiH 75 Wh/kg Batteries ion-lithium Wh/kg Des ruptures technologiques sont nécessaires pour augmenter de manière significative les capacités de stockage Si l ’on avait des moyens de stockage permettant de stocker 10 ou 100 fois plus d ’énergie, le paysage énergétique pourrait être complètement transformé Pour stocker un million de fois plus d ’énergie : isomères de forme, mais on ne sait pas récupérer cette énergie à la demande

74 Remarques finales Durée de vie de la terre : 5 milliards d ’années
Durée de vie de la race humaine : ? Les énergies renouvelables sont inépuisables à cette échelle mais elles sont diluées. Il faut les rendre compétitives économiquement. Ceci nécessitera des ruptures technologiques, en particulier pour le photovoltaïque. Les combustibles fossiles seront sans doute encore présent pendant de nombreuses centaines d ’années. Le nucléaire, avec surgénération, peut être utilisés pendant quelques milliers d ’années. La fusion sera nécessaire pour le très long terme.

75 Remarques finales L ’hydrogène est un carburant qui devrait peu à peu s’imposer, en particulier pour les transports (piles à combustibles) mais aussi ailleurs pour lutter contre l ’effet de serre. Par ailleurs il est pratiquement inépuisable. Utilisation du nucléaire ou des énergies renouvelables pour l ’obtenir à partir de l ’eau. Le problème de l ’eau douce nécessitera aussi de l ’énergie : nucléaire et énergies renouvelables . Des ruptures technologiques peuvent fortement changer le paysage énergétique (stockage de l ’énergie, nouvelles sources,…). Mais l ’homme saura s ’ adapter

76 L’énergie Utiliser au mieux les ressources renouvelables et non renouvelables Économiser i.e. optimiser les sources d’énergies en tenant compte des spécificités de chaque pays. Mener des recherches pour diminuer le coût de l’énergie, diminuer la consommation et faire des ruptures technologiques