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Energie : la science au charbon

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Présentation au sujet: "Energie : la science au charbon"— Transcription de la présentation:

1 Energie : la science au charbon
Jacques TREINER Université Pierre et Marie Curie, Paris SciencesPo Paris

2 Pourquoi s’intéresser à l’énergie ?

3 Population : les temps longs
10 milliards Projection 1 milliard Haut Moyen Age Age du fer Peste noire Age du bronze 100 millions 10 millions Révolution industrielle aléas climatiques Révolution néolithique 1 million aléas climatiques Innovations techniques du paléolithique supérieur Temps (milliers d’années)

4 Consommation d’énergie : projections
tep/hab/an 7 milliards d’hommes et 12 Gtep, soit 1,71 tep/hab/an Pour une population de 9 milliards, en conservant la même moyenne, cela fait 15,4 Gtep Dans les pays riches, consommation de 4,8 tep/hab/an (3,8 sans les USA). Pour 9 milliards, cela fait 43,2 Gtep (32,4) Gtep Estimation raisonnable pour 2050 : environ 20 Gtep (25 Gtep ?)

5 Quelques mots-clefs 1. Qu’est-ce que l’énergie ?
2. Energie et puissance 3. Energie concentrée / énergie diluée 4. Stocks et flux 5. Electricité : sources modulables / sources intermittentes 6. Energie et société : EROI 7. Pourquoi l’objectif des 2°C appartient au passé 5

6 1. Les pièges de la langue Nous avons besoin d’énergie Nous allons manquer d’énergie Il faut produire de l’énergie Le bien-être des sociétés s’est toujours accompagné d’une consommation croissante d’énergie Les aliments ont un contenu en énergie qui se lit sur la boîte Les physiciens disent volontiers que « la matière peut se changer en énergie » Nous parlons de l’énergie comme si c’était une chose …

7 Analyse énergétique des usages
Se nourrir : transformations chimiques synthétisant le matériel biologique, permettant de se maintenir à 37°C et d’exercer des actions physiques Se chauffer : combustible (biomasse, gaz, fioul) rayonnement solaire électricité Se déplacer : à pied, à vélo (transformations chimiques dans le corps) véhicule à moteur : brûler un combustible, électricité (batterie = transformation chimique), réseau électrique (trains) Industrie et agriculture , services: chaleur haute température, chaleur basse température chimie électricité (informatique)

8 L’énergie est une unité de compte des transformations de la matière
Un corps tombe : il perd de l’altitude, il gagne de la vitesse Question : y a-t-il un rapport entre cette perte et ce gain ? Énergie associée à la position relative de l’objet et de la Terre : énergie potentielle Énergie associée au mouvement : énergie cinétique

9 Conservation de l’énergie
L’énergie ne peut être ni créée, ni détruite : si l’énergie d’un système varie, c’est qu’il en a reçu ou en a cédé à son environnement. Comment peut-il y avoir un problème d’énergie ? Toutes les formes d’énergie ne sont pas équivalentes : Chaleur : transfert désordonné d’énergie Travail : transfert ordonné d’énergie Tendance à la dégradation des formes d’énergie, des formes ordonnées (nobles) vers les formes désordonnées (dégradées)

10 Exemples Chaleur perdue Chaleur entrante
Dans un moteur de voiture, la combustion des gaz (chaleur) anime un mouvement de rotation (travail). Le rendement est de l’ordre de 30%. Dans un réfrigérateur, un moteur (travail) faut subir à un fluide une série de compression/détente, ce qui permet de transférer de l’énergie de l’intérieur vers l’extérieur (chaleur) C’est aussi le principe des pompes à chaleur (très bon rapport Q/W).

11 2. Energie et puissance Promenade en montagne : dénivelé h, énergie mgh. La puissance caractérise la rapidité avec laquelle on dépense cette énergie. Si T est la durée de la ballade, P = mgh/T De façon générale : Puissance = Energie / Temps ou encore Energie = Puissance x Temps Unité officielle d’énergie : Joule (1 calorie = 4,18 Joule) Une masse de 1 kg tombant de 1m : 10 J

12 Unités Question délicate !
W, kW, MW, GW : unités de puissance Wh, kWh, MWh, GWh, TWh : puissance x temps = énergie 1 kWh = 3,6 MJ Et la tep ? Chaleur dégagée par la combustion d’un tonne de pétrole. 1 tep = 42 GJ Correspondance MWh – tep 1 MWhe = 3,6 GJ Compte tenu d’un rendement de 38,7 %, 1 MWhe = 3,6/(42*0,387) = 0,22 tep

13 Energie et puissance, exemples
Premier exemple : le métabolisme quotidien d’un individu. Energie : 2600 kcal par jour, soit 11 millions de J (1 cal = 4,18 J) Puissance : secondes dans une journée, P = 125 W (= /86400 ) Energie mécanique que le corps humain peut dév elopper : Ballade en montagne d’un homme de 70 kg : 300 m/h pendant 8 heures E = 70*9,81*300*8 = 1,65 MJ soit environ 0,5 kWh S’il s’agit des bras, il faut compter 10 fois moins, soit 0,05 kWh La combustion d’un litre d’essence dégage environ 10 kWh d’énergie, tout ça pour 1,5 € !

14 D’autres ordres de grandeur
Un américain du Nord consomme une puissance de 11 kW : c’est 80 fois son métabolisme : 80 esclaves énergétiques ? Un européen 5 kW, soit 30 fois son métabolisme esclaves énergétiques Agrocarburants : en moyenne, l’humanité consomme une puissance de 2,4 kW dont le quart, soit 600 W pour le transport. Agrocarburants à la place du pétrole ? Plusieurs fois la superficie consacrée à l’agriculture…

15 3. Concentration de l’énergie
Quelles sont les types de transformation accessibles ? Transformations des noyaux atomiques : fission (naturelle : géothermie, artificielle : centrales nucléaires), fusion (naturelle : énergie solaire, artificielle ?) Transformations des assemblages d’atomes : combustibles fossiles, bioénergie Transformations de la matière à grande échelle : hydroélectricité, éolien, énergie marine Interactions nucléaires forte et faible entre nucléons Interaction électromagnétique entre charges électriques Interaction gravitationnelle entre masses

16 Concentration, suite Quantité de matière à transformer pour produire une quantité donnée d’énergie Une centrale de 1 GW électrique consomme : 50 kg de tritium par an (si on y parvient !) 27 tonnes d’U par an 170 tonnes de fuel, 260 tonnes de charbon à l’heure 1200 tonnes d’eau par sec tombant de 100 m de hauteur 1000 éoliennes de 5 MW installés 30 km2 de panneaux solaires

17 4. Stock et flux Stock : ressource en quantité finie, qui va nécessairement s’épuiser densité énergétique élevée. Evaluation des stocks et des rythmes d’extraction : programme de la semaine prochaine. Flux : énergie primaire inépuisable (solaire, géothermie, hydroélectricité, éolien, courants marins), ou renouvelable (biomasse) Densité énergétique : Solaire thermique : 50 W/m2 Solaire PV : 20 à 60 W/m2 Eolien : quelques W/m2 Hydroélectricité : 4 W/m2 pour le barrage de Serre-Ponçon 10 W/m2 pour le barrage des Trois Gorges Biomasse : 0,1 à 0,6 W/m2 Flux géothermique : 0,07 W/m2

18 5. L’électricité N’existe pas à l’état naturel … sauf la foudre !
Phénomène de base : mouvement relatif d’un circuit devant un aimant Comment entretenir ce mouvement ? Centrale hydraulique

19 Centrale à charbon Centrale nucléaire

20 Energies de la mer et d’autres…

21 Solaire

22 Éolien V1 V1 plus grand que V2
Une partie de l’énergie associée au déplacement de l’air se retrouve sous forme d’énergie de rotation des pâles V2 V1

23 Plus subtil : puissance installée, puissance moyenne et puissance instantanée
Eolienne : puissance installée : de 3 à 5 MW pour les plus grandes, puissance moyenne = énergie totale délivrée en 1 an /8760 h puissance instantanée = énergie délivrée pendant ¼ h divisiée par ¼ h 65 GW Mini 4 % Maxi 61 % Moyenne 21%

24 Loi des réseaux électriques
P(x,t) = D(x,t) en tout lieu à et à tout instant La vache, l’arbre et l’éolienne…

25 Alternatives : ne pas envoyer le courant sur le réseau !
Coupler avec une centrale hydraulique : STEP Le courant électrique est utilisé pour pomper l’eau vers la partie haute (mer) (Station de Transfert d’Energie par Pompage)

26 Quelle surface de STEP côtières pour le stockage ?
La France consomme 500 TWh par an. Imaginons qu’on veuille stocker 5 TWh, soit 18*1015 J. Quelle surface faut-il mobiliser ? STEP de 10 m de profondeur, de surface S, avec chute d’eau de 10m Energie disponible MgH M = volume x masse volumique (1 tonne par mètre-cube) = 10 x S x 1000 H = 10 m g = 10 m/s2 D’où 106 S = 18 x 1015 soit S = km2 Il faut donc équiper 6000 km de côtes sur 3 km de largeur … Si l’on construit une STEP de 20 m de profondeur, il ne faut plus équiper ces côtes QUE sur 1,5 km de largeur.

27 L’électricité en France
Environ 500 TWh pour 63 millions d’habitants, Soit 8 MWh/hab/an Facture d’électricité : environ 5 MWh par an pour une famille (hors chauffage).

28 La France, pays « tout nucléaire » ?
1 Md $ U importé 0 CO2 16 Mds $ importés par an 24% du CO2 65 Mds $ importés par an 64% du CO2 1,5 Md $ import/an – 12% du CO2 Répartition de la consommation d'énergie finale en France en Source Carbone 4, 2013, d’après SOeS, Ceren, SBCU, RTE

29 Le nucléaire en Europe

30 Mix électriques européens
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31 Les renouvelables dans le monde

32 Les renouvelables dans le monde

33 Que peuvent les sources d’énergie non carbonées ?
L’énergie nucléaire fission fusion solaire éolien géothermie Inépuisable hydro. Renouvelable biomasse bois colza

34 Bilan des renouvelables, en poussant tous les curseurs au maximum
Total en 2050 : 7,3 Gtep/an, comparés aux 20 Gtep nécessaires !

35 Comment fournir le complément ?
Diviser par 2 nos émissions : 5 Gtep de fossiles avec émission Il manque encore 12 à 13 Gtep Pistes : 1. fossiles avec capture et stockage du CO2 2. nucléaire 1. La technologie existe, mais n’est pas développée. Il est difficile d’imaginer qu’elle permette, d’ici 2050, de combler plus de la moitié de ce qui manque. 2. On ne voit donc pas comment se passer du nucléaire. Exemple : les Chinois ont annoncé leur volonté d’installer 1000 GW de puissance éolienne d’ici 2050 (20 fois ce que l’Allemagne a aujourd’hui), mais cela ne représentera que 17 % de son électricité. Les Chinois ont aujourd’hui 27 centrales nucléaires en construction, et ont des projets pour 60 autres…

36 Analyse EROI des systèmes énergétiques
Energy return on (energy) invested

37 Un exemple : EROI du pétrole aux USA

38 EROI minimum de notre civilisation ?

39 Une étude de cas : le PV en Espagne Charles Hall et Pedro Prieto, 2012

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43 Résultats finaux

44 Pourquoi l’objectif des 2°C appartient, hélas, au passé…
En guise de conclusion : retour sur le couplage énergie-climat Pourquoi l’objectif des 2°C appartient, hélas, au passé…

45 Deux conditions pour les 2°C
Stabiliser dès aujourd’hui, puis diminuer nos émissions de GES 2. Ne pas dépasser un budget global de 1000 GtCO2 à partir d’aujourd’hui Qu’en est-il de nos émissions ?

46 Trajectoire d’émissions
Hum… en moins de 30 ans, le budget est consommé !

47 Stabiliser nos émissions ?
Elles augmentent d’environ 3% par an. La consommation de fossiles augmente donc d’autant, soit 3% de 10 Gtep, ou 300 Mtep. Cela correspond à un accroissement de la puissance consommée de 300x106x42x109/3x107 = 420 GW

48 Quelle puissance non carbonée est créée chaque année ?
Eolien : environ 40 GW installés, soit 10 GW en moyenne

49 Photovoltaïque ? Puissance nouvelle l’an dernier : environ 40 GW, soit une puissance moyenne de 5 GW

50 Que rajouter d’autre ? Biomasse : environ 10 Mtep/an, soit 15 GW. Nucléaire : 438 réacteurs, 380 GW installés, 2% de croissance par an (?) = 8 GW Barrages : 750 GW installés, quelques GW de plus par an Il faut bien se résoudre à constater que la puissance nouvelle non carbonée installée chaque année est inférieure à 50 GW, alors qu’il faudrait 400 GW, venant en substitution des ressources fossiles, pour stabiliser nos émissions… On n’y est pas, et de loin.

51 Et le budget global ? Imaginons que nous stabilisions nos émissions vers 2030, au niveau de 45 GtCO2 par an. D’ici là, nous aurons émis ½(35+45)*15 = 600 GtCO2. Si, ensuite, nous réduisons nos émissions à un rythme régulier, les 400 GtCO2 restantes seront épuisées en un nombre d’années T tel que : 1/2x45xT = 400 i.e. T = 18 ans Il ne faudrait plus émettre de CO2 en 2048 ! Objectif impossible à réaliser… 45 T

52 Conséquence principale : crise de l’agriculture ?
Vagues de réfugiés climatiques : métaphore du canot de sauvetage, frontière Mexique-USA, bords méditerranéens Faillite des Etats incapables de nourrir leur population Guerres inter-étatiques pour le contrôle de l’eau : Turquie-Irak pour l’Euphrate, Inde-Pakistan pour l’Indus, Nil etc.


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