Quelles énergies pour le XXIe siècle ? T1 Présentation Enjeux de l’énergie Débat national pour savoir si on continue le nucléaire (France très nucléaire) Important de se faire une opinion en connaissance de cause

L’ Energie, c’est quoi? L'énergie existe sous différentes formes : électrique mécanique chimique nucléaire rayonnements chaleur On peut passer d'une forme à une autre, mais avec une efficacité très variable. En particulier, la chaleur est la forme la plus dégradée de l'énergie  seule la différence de température entre 2 sources peut être exploitée

L’ Energie : son histoire Les premières sources d’énergie : Le bois (feu), le vent, l’eau, la force animale Au XVIIIè Le charbon Au XXè Le nucléaire Fin du XIXè Electricité, pétrole, gaz T4 L’homme a rapidement réussi à maitriser l’énergie telle que le feu (le bois), l’eau, le vent ainsi que la force animale. Le feu se chauffer s’éclairer cuisson aliment le feu une énergie de transformation. Avec l’explosion des développement industriels (machines à vapeur, métiers à tisser mécanisés) du 18eme siècle les besoins en énergie ont augmenté de façon vertigineuse. On voit apparaître le charbon A la fin du 19é siècle intervient alors la grande révolution électrique (énergie propre silencieuse inodore pour peut que l’on habite pas à coté de la centrale…). En parallèle on commence l’extraction du pétrole. Et on voit apparaître partout des appareils électroménagers grands consommateurs d’énergie électrique. Avec l’arrivée de l’énergie nucléaire c’est la frénésie.

D’où vient l’énergie disponible sur terre ? l’énergie ni ne se crée ni ne disparaît. Au commencement de l’Univers, il y a ~15 milliard d’années Au commencement de la Terre, il y a ~4,5milliards d’années Aujourd’hui, les énergies « primaires » de notre Société Solaire Eolien Biocarburants Combustibles fossiles Hydraulique Energie animale Houle L’énergie thermonucléaire du Soleil Une seule énergie : celle du « Big Bang » La radioactivité ou l’instabilité nucléaire stockée dans la Terre L’énergie mécanique du système solaire Nucléaire fission Nucléaire fusion Géothermie Marées

L’ Energie : un problème majeur pour demain…. car nous en avons un besoin vital - habitat (chauffage et consommation électrique) - transports - production industrielle et agricole - santé car les divers modes de « production » d’énergie obéissent à des contraintes fortes et croissantes… …et que l’énergie risque de manquer. car nous en avons un besoin vital - habitat (chauffage, électricité) - transports - production industrielle et agricole - santé T5 L’énergie est un besoin vital; elle est indispensable à toute vie. Pour vivre tous les organismes utilisent de l’énergie (donner un exemple). Faire le parallèle avec l’énergie et apport énergétiques pour le corps humain. Les plantes utilisent l’énergie solaire. On utilise aujourd’hui l’énergie pour s’éclairer, se chauffer, se laver, la fabrication de tous les objets utilisés nécessite de l’énergie se déplacer, Bref pour tout La maîtrise de l’énergie a considérablement amélioré les conditions de vie. Relier à l’espérance de vie qui augmente Cet exposé essaie de présenter ces limites. Aucune source d’énergie n’est parfaite et prometteuse sans réserve pour l’avenir. Il y a de nombreux verrous technologiques. On essaie d’analyser dans quelle mesure la recherche d ’aujourd’hui et de demain peut contribuer à limiter les nuisances ou à proposer des solutions alternatives.

L’Energie : un problème de société contraintes scientifiques L’énergie ne se crée pas balance besoins - réserves/ressources problèmes de rendements, de stockage …. contraintes économiques coûts problèmes d’environnement pollution, déchets, effet de serre,… contraintes politiques indépendance énergétique engagements pris vis-à-vis de partenaires contraintes sociologiques acceptabilité par le public T6 Modes de production d’énergie Choix nécessaires de la part de la société via évaluation des contraintes et des inconvénients liés à chacun d’entre eux. Les contraintes concernent d’abord la comparaison besoins/ capacités de production (réserves en combustibles fossiles, ressources en énergies renouvelables). Elles concernent aussi les prix que le public est prêt à payer. Inconvénients, ils sont liés aux nuisances et à la pollution. Cet exposé essaie de présenter ces limites Dans quelle mesure la recherche d’aujourd’hui et de demain peut contribuer à limiter les nuisances ou à proposer des solutions alternatives? Il existe un nombre limité de sources d’énergie naturelles. Quelque soit la source utilisée, la production d’énergie présente des inconvénients pour l’environnement et doit satisfaire certaines contraintes. La première des contrainte est la capacité de production pour répondre aux besoins sans cesse croissants. Le choix des sources du stockage et du transport doivent permettre un contrôle de approvisionnement. Elle concerne aussi le prix que le public est prêt à payer pour avoir accès à cette énergie. Enfin rentre en compte le rendement du mode de production La problématique recouvre donc aussi bien des aspects technologiques , sociaux (économie, distribution…), que … géopolitiques (stratégie…). Pour l’avenir un choix s’impose en tenant compte des avantages et inconvénients (qu’il importe d’avoir identifié) de chaque mode de production Dans quelle mesure la recherche d’aujourd’hui et de demain peut contribuer à limiter les nuisances ou à proposer des solutions alternatives

L’ Energie : une grandeur physique Unités Physicien : le joule Citoyen : le kWh, le litre Consommation globale : - la tonne équivalent pétrole : 1tep (=12000 kWh) bon ordre de grandeur de la consommation individuelle/an l’homme de cette terre consomme 1,7 tep/an  le français moyen consomme 4.2 tep/an (environ 30 barils) cette consommation pourrait être réduite de moitié :  il y a gaspillage T7 L’estimation des ordres de grandeur nécessite de mesurer, donc de définir une unité. La tonne-équivalent-pétrole (tep) est l’unité adaptée pour parler de l’énergie au niveau mondial car c’est l’ordre de grandeur de ce que consomme en moyenne chaque habitant de cette planète (1,7 tep). Compte tenu de la population mondiale, la consommation annuelle globale est de 10Gtep. On peut la traduire en TWh. Cette seconde unité est en général réservée à la consommation globale d’électricité. Les unités utilisées sont variables selon l’utilisation. Physique : l’unité légale est le joule. kWh pour l ’électricité ou le gaz Le litre pour l’essence… Au niveau d’un pays, on utilise plutôt la tonne-équivalent-pétrole (tep). Cette unité (assez approximative car tous les pétroles ne sont pas les mêmes) montre l’influence forte du pétrole dans notre société. Une tep est équivalente à 12000 kWh. Cette unité est utile car c’est l’ordre de grandeur de ce que consomme par an un homme sur Terre (1,7 tep). La consommation mondiale actuelle est de 10 Gtep (milliards de tep). Il faut garder ce chiffre en tête pour le comparer plus loin avec les réserves et les ressources. Consommation globale annuelle dans le monde : 10 Gtep (chiffres de 2002)

Quelques ordres de grandeur Produire 1tep c’est : Combustion de 1,2 t de pétrole, charbon ou gaz Chute de 35’000 tonnes d’eau depuis 100m Condensation de 18,7t d’eau Capture de l’énergie solaire sur 1m² pendant 12’000 h (500 jours) 234’000’000 m3 d’air à 60 km/h sur une éolienne 0,065 g de H par fusion dans le Soleil 0,53 g de 235U par fission dans une centrale T8 Comparer les différentes formes de production d’énergie (efficacité)

Répartition mondiale des consommations d’énergie Consommation USAet France Le Français moyen consomme davantage (4.3 tep) car la France est un pays développé. Un Américain en consomme beaucoup plus (plus de 8 tep) à cause des grandes distances aux E.U., à cause des climatisations très (trop ?) répandues dans ce pays, et….. à cause du gaspillage. Alors que près d’un tiers de la population mondiale n’a accès à aucune autre source d’énergie que la biomasse Cette donnée sur la consommation des Américains pose la question des économies d’énergie. On estime que le Français moyen pourrait réduire sa consommation à 1,8 tep sans modifier son confort, mais en ne gaspillant pas. Cette remarque est à inscrire dans nos têtes pour le futur… Près de la moitié de l’énergie consommée est utilisée dans les domiciles et bureaux sous forme essentiellement de chauffage. Vient ensuite les transport et l’industrie. Intensité énergétique indice base 100 en 1973 Seule l’industrie a réussi à diminuer sa consommation. Reste les transports et le tertiaire. A nous de jouer

Consommation en France Et si … on isolait mieux les logements ? on éteignait les lumières ? on utilisait les transports en communs ? on utilisait le train plutôt que les camions ? on augmentait les rendements ? Ampoule 50 W = 0,05kWh en 1h = 438 kWh en 1 an = 0,04 tep T10 Comment consomme-t-on les 10 milliards de tep annuels? L’énergie total dépensée est divisée sur 3 « postes utiles» comparables qui concernent l ’industrie, les habitations (tertiaire-résidentiel) et le transport. Mais on voit aussi que le poste essentiel est en fait celui des pertes. Celles-ci sont dues à des facteurs incompressibles (ou presque) comme l’extraction et le raffinage, mais aussi à des postes compressibles : rendement des centrales électriques, en particulier nucléaires et transport de l’électricité. La diminution de ce poste « pertes » passe par de nouvelles technologies nucléaires (réacteurs à haute température) ou l’utilisation de la supraconductivité dans le transport de l’électricité. Dans les deux cas, des recherches et développements sont nécessaires. Ces chiffres sont donc en soit utiles car ils conduisent à des questions posées à la fois au scientifique et au citoyen : peut-on réduire les pertes (par exemple dans les transports d ’électricité)? Peut-on moins dépenser en transport, par exemple en utilisant des trains plutôt que des camions? Peut-on moins dépenser dans les maisons en les isolant mieux, en les chauffant autrement (avec le soleil), en éteignant les lampes...? En 30 ans, il y a eu en France croissance d’un facteur 2 du parc auto, de la surface d’habitations chauffées, de l’électroménager. Cela peut-il continuer?

L’ Energie: d’où vient-elle ? Sources d’énergie énergies non-renouvelables pétrole gaz charbon nucléaire (uranium, autres?) énergies renouvelables hydroélectrique éolien solaire biomasse géothermique marées ou hydrauliennes Formes d’énergie chaleur chaleur puis « nobles » travail (moteurs) électricité pb du rendement thermo. « nobles » travail pas de pb de rendement thermodynamique T11 L’énergie est produite soit à partir de combustibles fossiles, soit à partir de sources renouvelables. L’encart de gauche est une liste de ces modes de production. L’encart de droite indique les formes d’énergie utilisées. Il existe des formes plus ou moins « nobles » d’énergie que l’on peut résumer sous les termes travail et chaleur. La plupart des sources d’énergie sont en fait des sources de chaleur. Elles sont en rouge sur la partie gauche du transparent. En bleu, on trouve les sources d ’énergie qui passent directement par le mode « travail ». J’ai assimilé l’électricité à la forme noble (travail) de l’énergie. Le solaire qui peut servir soit à chauffer soit à faire directement de l’électricité (photovoltaïque) est à la fois rouge et bleu. On part systématiquement d’une forme « chaleur » pour les énergies fossiles (couleur rouge sur le transparent). Cette chaleur est soit utilisée comme telle, soit transformée en travail (ou électricité), c’est-à-dire une forme plus noble d’énergie dont le second principe de la thermodynamique nous apprend qu’elle est obtenue via un rendement qui est inférieur à 1. Le rendement est d’autant plus faible que la chaleur primaire est obtenue a température limitée. Le géothermique est de ce point de vue une mauvaise source d’énergie renouvelable car les températures mises en œuvre sont trop faibles. C’est pourquoi le mot « géothermique » est écrit en rose et non en rouge. Le nucléaire n’est aussi pas optimisé: la température d’une chaudière nucléaire reste limitée (actuellement) ce qui conduit à un rendement de seulement 30% dans les centrales nucléaires actuelles (réacteurs PWR). Par contre les énergies hydrauliques, éoliennes, hydrauliennes ne passent pas par la forme « chaleur ». Elles fournissent directement du travail ou de l’électricité (couleur bleue sur le transparent). Les rendements sont alors plus favorables Le solaire peut être utilisé soit pour faire de la chaleur, soit pour produire directement de l’électricité (photovoltaïque). C’est pourquoi le mot « solaire » est écrit en bicolore sur le transparent. Ce transparent parle des « formes » d’énergie : chaleur ou travail. Le premier objectif est de montrer (ou de rappeler) qu ’il existe des formes plus ou moins « nobles » d’énergie que l’on peut résumer sous les termes travail et chaleur. La plupart des sources d’énergie sont en fait des sources de chaleur. Elles sont en rouge sur la partie gauche du transparent. En bleu, on trouve les sources d ’énergie qui passent directement par le mode « travail ». J’ai assimilé l’électricité à la forme noble (travail) de l’énergie. Le solaire qui peut servir soit à chauffer soit à faire directement de l’électricité (photovoltaïque) est à la fois jaune et bleu.

L’Energie: d’où vient-elle? Energies: renouvelables ou non ? La situation en 2001 Non renouvelables Renouvelables T12 On peut produire de l ’énergie soit à partir de combustibles fossiles, soit à partir de sources renouvelables. Ces diagrammes montrent la situation de 2001 dans le monde, en Europe et en France. Paradoxalement, il apparaît que les énergies renouvelables sont moins consommées en Europe et en France que dans l ’ensemble du monde. Ceci résulte du rôle de la biomasse (bois) dans de nombreux pays peu développés.

Energies non renouvelables T13 J’ai essayé de vous donner un panorama général de l’énergie Maintenant on va rentrer dans le spécifique et examiner les grandes sources d’énergie Ici les énergies

Energies non renouvelables D’où viennent-elles? T14 Les données de ce transparent sont reprises et commentées sur le tableau suivant. L’intérêt de commencer par ce transparent dans un exposé oral est simplement une lisibilité plus facile que celle d ’un tableau. On peut embrayer sur le tableau suivant en en cachant d’abord le bas et en commentant seulement que les chiffres utilisés dans les histogrammes ci-dessus sont repris dans le tableau avec un code de couleur qui fait ressortir ceux qui sont importants. L’énergie nucléaire ne fournit qu’une part modeste de la production mondiale d’énergie : usage exclusif pour la production d’électricité qui ne représente elle-même que 38% des besoins d’énergie globaux dans les pays développés et seulement 14% si on considère tous les pays L’énergie nucléaire ne fournit qu’une part modeste de la production mondiale d’énergie : usage exclusif pour la production d’électricité . Cas différent en France Forte dominance du pétrole commodité d’utilisation et de transport Pétrole liquide facile a transporter et peu cher fossiles Relativement peu

Energies fossiles T13 J’ai essayé de vous donner un panorama général de l’énergie Maintenant on va rentrer dans le spécifique et examiner les grandes sources d’énergie Ici les énergies

Centrales thermiques Combustibles : pétrole, gaz naturel, charbon (centrale classique) T17 Les centrales thermiques classiques produisent de l'électricité en entraînant des turbines à l'aide de vapeur d'eau sous pression. Tout d'abord, un combustible est brûlé dans les brûleurs de la chaudière. La température au niveau de ces brûleurs est de 1500°C environ. Cette combustion produit de la chaleur qui a pour conséquence : d'augmenter la pression et de vaporiser l'eau circulant dans le circuit. Cette vapeur entraîne alors successivement trois turbines qui entraînent à leur tour un alternateur. C'est cet alternateur qui produit l'électricité. La vapeur passe ensuite dans un condenseur où elle est refroidie pour redevenir liquide. La vapeur d'eau échange de sa chaleur avec l'eau du circuit de refroidissement et redevient liquide tandis que l'eau du circuit de refroidissement passe dans la tour de refroidissement où elle est refroidie par des courants d'air ascendant puis repart vers le condenseur. On peut aussi utiliser ce circuit de refroidissement pour faire de la cogénération. Il y a donc deux circuits fermés : le circuit de refroidissement et le circuit de circulation qui actionne les turbines Une turbine est essentiellement une roue destinée à transformer le mouvement d'un corps fluide ( eau ou gaz ) en un mouvement de rotation. Quelques GW Principe d’une centrale thermique

La problématique des combustibles fossiles réserves, effet de serre, pollution Réserves 40 ans de pétrole, 60 ans de gaz, 170 ans de charbon nouveaux gisements vidage plus complet des puits techniques de récupération au fond des mers. Mais coût important Effet de serre possibilité de « retenir le CO2 »? recherche en climatologie Pollution pots catalytiques études épidémiologiques effet des faibles concentrations sur la vie effet des poussières T16 Inconvénients des combustibles fossiles et solutions possibles. Les problèmes sont les réserves, l’effet de serre et la pollution. La recherche sur les réserves doit permettre de mieux vider les puits et de trouver de nouveaux gisements. Cependant, la géologie du globe est aujourd’hui bien connue et ces espoirs sont bien faibles. Potentiel des gisements non conventionnels (gisements très profonds ou océaniques) mais grand coût financier et écologique. De plus il y a un décalage de 15 à 40 ans entre la découverte d’un gisement et l’instant où la moitié du contenu exploitable a été extraite. Il est de même impossible de prévoir les effets détaillés d’augmentation des teneurs atmosphériques en gaz carbonique ou en méthane. Cependant, ces augmentations sont des faits scientifiques avérés et tous les modèles climatiques actuels convergent vers une élévation de température moyenne significative (de 2 à 6 degrés pour le siècle actuel). La recherche en climatologie doit progresser pour traiter convenablement le rôle majeur joué par les océans. La pollution la plus forte en CO2 est créée par le charbon On peut espérer aussi la réduction de l’effet de serre par fixation du gaz carbonique sous forme de carbonates… De même, la recherche sur les effets sanitaires des poussières dues aux combustions (en particulier de charbon) doit progresser pour déterminer leur ampleur. Le développement de recherches en chimie des filtres devra progresser. Le pot catalytique est un exemple positif récent de cette recherche. Les hydrocarbures actuellement prédominants n’ont donc plus beaucoup d’avenir puisque au rythme de conso actuelle les réserves estimées devraient être épuisée avant la fin du siècle, laissant néanmoins derrière eux une dégradation atmosphérique qu’il faudra combattre.

Sur quoi peut-on compter ? Pour le futur, on sait : - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) Pour le futur, on sait : - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) il pollue : séquestration nécessaire …oui mais…

Energie nucléaire T19 On va examiner l’état de l’énergie nucléaire, qui n’était jusqu’à présent qu’un élément de comparaison. Les centrales nucléaires se différencient des centrales thermiques classiques essentiellement par sa source de chaleur. A la place d’un bruleur à combustible on utilise un réacteur nucléaire dans lequel se produit la réaction de fission.

La production d’énergie par fission nucléaire © LA MEDIATHEQUE EDF/M Morceau

Les neutrons émis peuvent provoquer d’autres fissions La fission xénon 140 strontium 93 uranium 235 neutrons neutron T20 Ce sont seulement les noyaux très lourds, comme l’uranium ou le thorium, qui fissionnent. Ils se cassent alors en 2 morceaux en laissant échapper des neutrons. Même quand la fission est énergétiquement avantageuse, elle est rarement spontanée. Cependant, pour les noyaux facilement fissionnables, il suffit d’un petit apport d’énergie, par choc avec un neutron par exemple, pour déclencher la fission. La chaleur dégagée va permettre de chauffer une masse d’eau et la transformer en vapeur qui va faire tourner la turbine comme dans les autres centrales thermiques. Une réaction de fission produit en moyenne 3 neutrons susceptibles à leur tour d’engendrer une autre fission. On a alors une réaction en chaine qui peut provoquer une explosion. C’est le cas des armes nucléairesIl faut donc controler cette réaction par des mangeur de neutron (neutrophages) Les neutrons émis peuvent provoquer d’autres fissions  réaction en chaîne

Processus de réaction en chaîne © IN2P3 Les neutrons émis peuvent provoquer d’autres fissions… T21 Les neutrons émis au moment de la fission peuvent eux-mêmes provoquer d’autres fissions, créant ainsi une réaction en chaîne qui peut devenir explosive C’est le cas dans les armes nucléaires. www.laradioactivite.com © IN2P3

Contrôle des réactions en chaîne 1,3 GW © LA MEDIATHEQUE EDF/M Morceau La fission peut être contrôlée grâce à des matériaux mangeurs de neutrons T22 Pour contrôler la réaction en chaîne dans un réacteur destiné à produire de l’énergie électrique, on introduit des barres de contrôle faites d’un matériau “mangeur de neutrons”, tel que le cadmium qui absorbe les neutrons sans en réemettre. Pour que la réaction en chaîne se poursuive en douceur, il faut ajuster les mangeurs de neutrons pour ne laisser qu’un neutron par fission (régime critique). Avec moins d’un neutron, la réaction en chaîne s’éteint. Avec plus d’un neutron, la réaction peut devenir explosive. La centrale électrique de Paluel en Haute Normandie. Filière REP (Réacteurs a Eau Pressurisée) Chaque tranche fournit 1,3 millions de kilowatts électriques www.laradioactivite.com © LA MEDIATHEQUE EDF/Marc Morceau (1990)

Une centrale, comment ça marche? Cœur du réacteur Barres de commande Eau pressurisée Vapeur d’eau Eau bouillante turbine alternateur T23 Le fluide caloporteur chauffé dans le cœur échange sa chaleur avec un 2ème circuit qui fait fonctionner la turbine. Cette eau est ensuite refroidie par échange avec un 3ème circuit. www.cea.fr/Fiches/Reacteur/Rep.htm © CEA 2001 Les barres de commande servent à contrôler la réaction en chaîne ( ce sont les “mangeurs de neutrons”). Chaque barre de commande est placée entre deux barres de réactifs. Pour que la réaction commence on soulève les barres et pour l’arrêter on les fait descendre. Ainsi en fonction de la hauteur à laquelle sont soulevées ces barres la centrale produit plus ou moins d’électricité. Dans le cœur la température peut s’élever jusqu’à plus de 2000 degrés. La réaction de fission a l’intérêt d’être très exothermique (grâce à la perte de masse au cours de la réaction et à la fameuse formule E=mc2 une partie de la masse perdue est ainsi transformée sous forme d’énergie calorifique) ce qui va permettre de réchauffer l’eau liquide du circuit primaire. Le circuit primaire empêche la surchauffe du réacteur. Dans le générateur de vapeur, l’eau du secondaire va se transformer en vapeur en étant réchauffée par l’eau du circuit primaire. Cette vapeur en permettant de faire tourner des turbines va être en mesure de générer de l’électricité. Circuit ternaire set à condenser l’eau du secondaire (ex rivière). 67% de l’énergie est dissipée (ou perdue) Le circuit de refroidissement est un circuit d’eau froide qui permet de refroidir l’eau du circuit secondaire. L’eau de refroidissement est directement puisée puis rejetée dans le fleuve, ou si la centrale est trop éloignée de sources d’eau abondantes, la solution est dans la construction de cheminées de refroidissement (env. 165m de hauteur, 148 m de diamètre à la base). Grâce à ces cheminées, l’eau du circuit de refroidissement est réfrigérée par l’air ce qui permet de réutiliser cette eau dans le circuit de refroidissement. Ce système permet d’économiser une quantité importante d’eau. 1,3 G

L’ Energie Nucléaire : les problèmes Rendements (33%) monter les températures Sûreté barrière de confinement, système de contrôle de la vitesse de réaction, système de refroidissement d’urgence multiplier les protections Réserves Au régime actuel : 200 ans de réserves U Si la consommation est multipliée par 10 : 40 ans de réserves !! (situation comparable à celle du pétrole) Déchets radioactifs Problème spécifique aux centrales nucléaires Stocker les déchets, en produire, les détruire ? T24 Les problèmes des réacteurs nucléaires actuels (à fission) sont liés à la sûreté, aux réserves et aux déchets Sureté Des améliorations ont été apportées depuis des accidents rencontrés. Mais il faut encore faire mieux . Il faut s’affranchir d’une action de l’opérateur en cas d’incident. La machine doit etre capable de s’arréter toute seule. Réserves L’eau de mer contient 4 milliards de t d’U avec une concentration de 3,2 parties par milliard. Possibilité d’extraction pour un prix 10 fois plus élevé que maintenant. Mine d'uranium dans le parc national de Kakadu, territoire du Nord, Australie, Yann Arthus Bertrand Il faudra sans doute recourir à des réacteurs régénérateurs ou surgénérateurs qui produisent plus de matière fissiles qu’ils n’en consomment Le problèmes des déchets radioactifs est spécifique aux centrales nucléaire. Dans le cas d’une augmentation de la production d’énergie nucléaire la solution de l’enfouissement n’est pas acceptable. Le retraitement et l’incinération (transmutation) des déchets parait incontournable. Moins de déchets car mise sur le retraitement : transmutation des produits de fission. Alors retraitement à 99%. On verra le cycle du combustible plus loin La transmutation décrit le processus par lequel le noyau d'un atome radioactif subit une désintégration qui produit un atome et un nombre différent de protons, et cela jusqu'à ce qu'on aboutisse à un noyau stable. La transmutation est induite par des neutrons.

Energie nucléaire : les déchets 3 types de déchets : Déchets de haute radiotoxicité Demi-vie jusqu’à 25 000 ans !! (plutonium) En 40 ans, volume~3 piscines olympiques (7400m3) Produits de fission à vie longue Demi-vie de plus de 1000 ans Produits de fission à vie moyenne Stockage pendant 300 ans Stockage Incinération T25 Que fait-on des déchets qui ne sont pas retraités? Incinération : par fission. 280 kg de Pu et d’actinides mineurs produiraient alors 2TWh d’énergie électrique. Enfouissement OK à court terme si la proportion du nucléaire n’augmente pas trop. Sinon PROBLEME!!

Stockage des déchets peu radioactifs Les déchets sont mis dans des fûts métalliques © ANDRA En fin de remplissage, le site est fermé © ANDRA Les fûts sont enfermés dans du béton © ANDRA T26 Phase 1 au centre de l’Aube www.laradioactivite.com © ANDRA Phase 2 au Centre de la Manche avant sa fermeture www.laradioactivite.com © ANDRA Phase 3 au Centre de la Manche maintenant fermé www.laradioactivite.com © ANDRA les déchets de faible et moyenne radioactivité sont placés dans des fûts métalliques ( Les fûts sont disposés de manière à former des couches isolées les unes des autres par du béton.

Stockage des déchets très radioactifs puis stockés dans des entrepôts refroidis © Philippe Lesage/COGEMA © CEA T27 Les déchets sont vitrifiés dans l’usin de La Hague : www.laradioactivite.com © CEA Ils sont ensuite placés dans des cellules de refroidissement car la radioacivité des déchets vitrifiés produit des quantités importantes de chaleur : www.laradioactivite.com © Philippe Lesage/COGEMA Les déchets sont vitrifiés et coulés dans des containers métalliques

Le nucléaire du futur : la 4ème génération ? Qu’est ce que c’est ? 6 axes de recherche pour répondre à un cahier des charges T29 Des progrès sont possibles grâce aux recherches dans les domaines des réacteurs à neutrons rapides et des réacteurs assistés par accélérateur. On a vu que les réacteurs à neutrons rapides (surgénérateurs) permettent d’accroître de façon importante les réserves car l’isotope d’uranium le plus abondant (238U) devient alors un combustible et les réserves associées sont de plusieurs millénaires. Les réacteurs assistés par accélérateur permettent même d’utiliser le thorium comme combustible, ce qui permet de multiplier les réserves. Par ailleurs ces réacteurs assistés par accélérateur permettraient aussi de résoudre bien des problèmes de sûreté puisqu’ils ne peuvent que s’arrêter si le flux délivré par l’accélérateur est coupé : il suffit de couper le courant pour arrêter le réacteur… Bien des difficultés doivent être encore résolues au niveau du fluide caloporteur et de la fenêtre d’entrée du réacteur dont la résistance mécanique et à l’irradiation est un problème crucial de recherche. L’avantage d’une telle installation serait aussi de permettre de faire fonctionner un réacteur dans lequel on aurait remplacé du combustible par des déchets à vie longue que l’on pourrait transmuter en déchets à vie courte, donc moins problématiques pour l’avenir. L’enjeu est donc majeur et le programme de recherche Pace a pour but de résoudre tous les problèmes posés par cette technologie : problème de connaissance précise des mécanismes de transmutation des déchets, problème de résistance des matériaux, problèmes techniques d’accélération permettant d’atteindre les intensités de faisceau très grandes qui sont nécessaires au fonctionnement, problèmes de séparation chimique en ligne permettant d’isoler les déchets à détruire et à positionner dans le réacteur. www.laradioactivite.com

Le nucléaire du futur : les réacteurs hybrides ? Qu’est ce que c’est ? réacteur assisté par accélérateur la réaction en chaîne ne se maintient qu’avec l’apport de neutrons rapides (accélérateur) Les avantages des réacteurs hybrides Sûreté : on arrête l’accélérateur = on arrête la réaction en chaîne Réserves : l'uranium 238, 100 fois plus abondant que l'uranium 235, et le thorium sont des combustibles Déchets : moins de déchets car on peut brûler les déchets à vie longue T29 Des progrès sont possibles grâce aux recherches dans les domaines des réacteurs à neutrons rapides et des réacteurs assistés par accélérateur. On a vu que les réacteurs à neutrons rapides (surgénérateurs) permettent d’accroître de façon importante les réserves car l’isotope d’uranium le plus abondant (238U) devient alors un combustible et les réserves associées sont de plusieurs millénaires. Les réacteurs assistés par accélérateur permettent même d’utiliser le thorium comme combustible, ce qui permet de multiplier les réserves. Par ailleurs ces réacteurs assistés par accélérateur permettraient aussi de résoudre bien des problèmes de sûreté puisqu’ils ne peuvent que s’arrêter si le flux délivré par l’accélérateur est coupé : il suffit de couper le courant pour arrêter le réacteur… Bien des difficultés doivent être encore résolues au niveau du fluide caloporteur et de la fenêtre d’entrée du réacteur dont la résistance mécanique et à l’irradiation est un problème crucial de recherche. L’avantage d’une telle installation serait aussi de permettre de faire fonctionner un réacteur dans lequel on aurait remplacé du combustible par des déchets à vie longue que l’on pourrait transmuter en déchets à vie courte, donc moins problématiques pour l’avenir. L’enjeu est donc majeur et le programme de recherche Pace a pour but de résoudre tous les problèmes posés par cette technologie : problème de connaissance précise des mécanismes de transmutation des déchets, problème de résistance des matériaux, problèmes techniques d’accélération permettant d’atteindre les intensités de faisceau très grandes qui sont nécessaires au fonctionnement, problèmes de séparation chimique en ligne permettant d’isoler les déchets à détruire et à positionner dans le réacteur. La recherche nécessaire : Résistance des matériaux Séparation chimique poussée des différents éléments accélérateurs de haute intensité

…oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ? - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) Pour le futur, on sait : - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) il pollue : séquestration nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? …oui mais…

Deux noyaux légers fusionnent pour n’en former qu’un seul Processus de fusion Deux noyaux légers fusionnent pour n’en former qu’un seul En libérant de l’énergie Les neutrons émis au moment de la fission peuvent eux-mêmes provoquer d’autres fissions, créant ainsi une réaction en chaîne qui peut devenir explosive C’est le cas dans les armes nucléaires. www.laradioactivite.com © IN2P3

Le nucléaire du futur : Processus de fusion Comment ça marche? Comme le Soleil ! Noyaux à 100 millions °C Objectif majeur car réserves « infinies » en deutérium ! peu de déchets T30 Ce transparent concerne l’autre façon de libérer de l’énergie d’origine nucléaire : la fusion entre noyaux légers (isotopes d’hydrogène). Ce processus est à l’origine de l’énergie du soleil et des étoiles cad combinaison de deux noyaux d’hydrogène ou isotope pour former un noyau d’helium. L’avantage majeur serait de résoudre définitivement le problème des réserves : le combustible (deutérium) est abondant dans l’eau de mer. La difficulté est de réussir la fusion contrôlée. La solution considérée actuellement comme la plus prometteuse est celle des tokamaks. Les installations Jet et Tore Supra ont permis de beaucoup progresser, mais pour aller au delà et espérer réussir la fusion de façon rentable, il faut passer à une échelle supérieur: c ’est le projet Iter dont la taille implique une collaboration mondiale. Le schéma est une vue de Iter. Progresser sur ce sujet est un enjeu majeur de la physique des plasmas. Le schéma présente une vue de Iter un projet mondial pour rendre la fusion à grande échelle et donc rentable. Tokamak : anneau de plasma confiné magnétiquement et parcouru par un fort courant électrique. Non envisageable avant ½ siècle. JET ,the Joint European Torus

Le nucléaire du futur : Processus de fusion PROJET ITER à CADARACHE Objectif : Produire autant d'énergie qu'on en consomme Pendant un temps pas trop court… T30 Ce transparent concerne l’autre façon de libérer de l’énergie d’origine nucléaire : la fusion entre noyaux légers (isotopes d’hydrogène). Ce processus est à l’origine de l’énergie du soleil et des étoiles cad combinaison de deux noyaux d’hydrogène ou isotope pour former un noyau d’helium. L’avantage majeur serait de résoudre définitivement le problème des réserves : le combustible (deutérium) est abondant dans l’eau de mer. La difficulté est de réussir la fusion contrôlée. La solution considérée actuellement comme la plus prometteuse est celle des tokamaks. Les installations Jet et Tore Supra ont permis de beaucoup progresser, mais pour aller au delà et espérer réussir la fusion de façon rentable, il faut passer à une échelle supérieur: c ’est le projet Iter dont la taille implique une collaboration mondiale. Le schéma est une vue de Iter. Progresser sur ce sujet est un enjeu majeur de la physique des plasmas. Le schéma présente une vue de Iter un projet mondial pour rendre la fusion à grande échelle et donc rentable. Tokamak : anneau de plasma confiné magnétiquement et parcouru par un fort courant électrique. Non envisageable avant ½ siècle. échéance : 50-100 ans : c’est loin...

…oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ? - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) il pollue : séquestration nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? elle n’est pas au point : réussira-t-on? …oui mais…

Energies non renouvelables bilan avantages - inconvénients - limites fossiles T15 Le présent transparent résume ce que l’on peut dire sur les énergies non renouvelables : on commence par les citer, puis on donne leurs consommations actuelles dans le monde, dans l’Union Européenne, et en France. Les énergies non renouvelables actuelles sont le pétrole, le gaz, le charbon et l’uranium (appelé ici « nucléaire-fission » puisqu’on fait fissionner l’uranium dans un réacteur). Une dernière colonne est intitulée « nucléaire-fusion » : les pourcentages associés sont nuls car on n’a pas encore réussi à réaliser la fusion contrôlée. Elle est toutefois ajoutée ici car c’est une solution essentielle pour l’avenir compte tenu des réserves associées en combustible (le deutérium que l’on trouve dans l’eau de mer : voir lignes suivantes). Les pourcentages indiqués en rouge sont ceux qui sont essentiels : on voit la dominance actuelle du pétrole, le rôle spécifique du nucléaire en France, le rôle corrélativement plus faible du charbon. On voit aussi (dernière colonne) que les énergies fossiles (donc non renouvelables) sont totalement dominantes aujourd’hui. Les indications vertes du milieu du tableau donnent les avantages et les inconvénients des diverses sources. Les mots verts qui reviennent le plus sont « abondant » (mais pour des temps de l’ordre ou inférieurs au siècle), et « peu cher » (la société est-elle prête à payer d’autres sources : voir plus loin). On note la grande abondance des combustibles pour le « nucléaire-fusion »: voir ci-dessus. Cela ne peut pas durer si l’on note les réserves qui sont indiquées dans les dernières lignes. Deux estimations sont données selon que l’on est optimiste (espérance de nouvelles découvertes) ou pessimistes (on ne tient compte que des réserves prouvées). En tout état de cause, les réserves sont faibles car elles ne couvrent que des périodes courtes - de l’ordre du siècle, sauf dans le cas du charbon (mais il est polluant) et dans le cas de l’uranium si on utilise la technique des surgénérateurs (chiffres entre parenthèses). Les inconvénients sont  liés aux « réserves » (de l’ordre du siècle) et aux problèmes d’ « effet de serre » et de « pollution ». On a distingué la « pollution » qui est dispersée et les « déchets » qui sont localisés et dont il faut éviter la dispersion. Dans le cas du nucléaire, on a rajouté la « sûreté » (risque d’accident) et le rendement car, dans les réacteurs actuels, le rendement n’est que de l’ordre du tiers, ce qui est inférieur à ce que l’on obtient par exemple avec le gaz (fonctionnement à plus haute température dans les turbines à gaz). La fusion, technique qui n’est pas actuellement au point (c’est son principal inconvénient) produira aussi des déchets nucléaires mais dans une mesure moindre si on la compare à la fission. C’est pourquoi le mot déchet n’est pas inscrit en caractères gras dans cette colonne. Cela ne peut pas durer si l’on note les réserves qui sont indiquées dans les dernières lignes. Deux estimations sont données selon que l’on est optimiste (espérance de nouvelles découvertes) ou pessimistes (on ne tient compte que des réserves prouvées). En tout état de cause, les réserves sont faibles car elles ne couvrent que des périodes courtes - de l’ordre du siècle, sauf dans le cas du charbon (mais il est polluant) et dans le cas de l’uranium si on utilise la technique des surgénérateurs (chiffres entre parenthèses). Attention l’effort de prospection dépend du niveau estimé des réserves. Mais, malgré cela, on prédit une baisse de production à partir de 2010 pour le pétrole. Nucléaire : si sa part de marché devait atteindre 30%, les réserves s’abaisseraient à 40 ans pour des réacteurs de type REP (eau pressurisée) actuels et à 4000 ans pour des surgénérateurs. Il deviendrait alors rentable d’exploiter les gisements à faible teneur, dont les océans, ce qui augmenterait considérablement le nombre d’année de réserve. Par ailleurs, ne pas oublier que l’augmentation de la population ainsi que du niveau de vie global entraînera une augmentation de la consommation énergétique (il y a eu doublement de la consommation mondiale d’électricité en 10 ans dans les années 60) .

Energies renouvelables T34 Y a-t-il un avenir dans les énergies renouvelables?

L’énergie hydraulique problèmes : impact environnemental Déforestation Modification des nappes phréatiques environnantes Déplacement de population Risque de rupture de barrage (30000 morts en Inde en 1979) A partir d’un potentiel énorme, l’exploitation possible est faible!! T34 Dynamique des rivières modifié d’où le trajet de la nappe phréatique peut être modifié, d’où des problèmes d’approvisionnement en eau dans les zones environnantes. Il y a en moyenne 1 rupture de barrage dans le monde par an qui peuvent donner lieu à des catastrophes : 30 000 morts en 1979 en Inde lors de la rupture du barrage de Morvi. Exploitation faible, comme pour toutes les énergies renouvelables, soit pour des raisons techniques, ou écologiques, ou financières. Barrage des Trois-Gorges – Chine

Monde : croissance 30% par an Eolien Monde : croissance 30% par an Problèmes : gérer l’intermittence (du vent, mais pas trop) seulement 25% de la puissance maximale assurer la rentabilité recherches sur la résistance des matériaux corrosion en mer modélisation aérodynamique (décrochage aérodynamique) Accroissement de puissance jusqu'à 5 MW T35 Le problème majeur de l’éolien est son intermittence qui pose la question du stockage de l’énergie. Les autres aspects de ce mode de production d’énergie concernent la tenue à des vents variables (nécessité de mettre au repos l’éolienne en cas de tempête, nécessité d’adapter sa géométrie à la vitesse du vent). Des éoliennes modernes sont à géométrie fixe mais leur forme est telle que le décrochage aérodynamique a lieu naturellement à grande vitesse de vent. D’autres aspects des recherches technologiques concernent les montées en puissance (aujourd’hui on peut dépasser légèrement le mégawatt) et la tenue à la corrosion marine. Le problème majeur de l’éolien est son intermittence qui pose la question du stockage de l’énergie (voir transparent n°18). Les autres aspects de ce mode de production d’énergie concernent la tenue à des vents variables (nécessité de mettre au repos l’éolienne en cas de tempête, nécessité d’adapter sa géométrie à la vitesse du vent). Des éoliennes modernes sont à géométrie fixe mais leur forme est telle que le décrochage aérodynamique a lieu naturellement à grande vitesse de vent. D’autres aspects des recherches technologiques concernent les montées en puissance (aujourd’hui on peut dépasser légèrement le mégawatt) et la tenue à la corrosion marine.

Géothermie Désintégration des éléments radioactifs Energie très propre D’ici 20 ans : production équivalente à 60 réacteurs nucléaires T36 La principale énergie dégagée de la Terre ne provient pas du refroidissement de la Terre (qui serait froide depuis longtemps sinon), mais de la désintégration des éléments radioactifs qu’elle contient. D’où des ressources potentielles énormes de l’ordre de 700 GTep Une des énergies les plus propres existantes Mais une fois extraite, il faudrait attendre très longtemps pour que la nappe se réchauffe à nouveau. Pratiquement, il faut creuser dans le sol un puits de 30 à 100 m pour installer un serpentin à plus d’ 1m de profondeur, d’où des investissements importants. On gagne 3°C/100m Problèmes :  Source non inépuisable  Flux géothermique faible et exploitable que si associé à un courant d’eau

Sur quoi peut-on compter ? Pour le futur, on sait : - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) il pollue : séquestration nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? elle n’est pas au point : réussira-t-on? elles sont marginales

L’ Energie solaire Faites du chauffage solaire ! Il est essentiel de la développer pour chauffer les habitations individuelles. Une maison de 100 m2 reçoit en moyenne plus de 20kW d’énergie solaire même au nord de la France (~ à 100A au compteur électrique) On peut localement stocker la chaleur Pour progresser, il faut : une incitation politique pour baisser les coûts d’investissement un développement au niveau industriel: design, normes, formation des architectes et service après vente Il n’y a pas de verrou technologique majeur. Faites du chauffage solaire ! 1,5m2 de capteur par personne = 60% de son eau chaude

L’ Energie solaire photovoltaïque 1 kWh solaire = 10  kWh nucléaire  nécessaire baisse des coûts Augmentation des rendements  recherche d’efficacité plus forte sur tout les spectres solaire  recherche sur des nouveaux matériaux (semiconducteurs) Impact sur l’environnement Composés dangereux (Cd) Pollution lors de la fabrication Rentabilité NON pour le tout venant OUI pour les endroits isolés Intermittence Tant qu’on ne sait pas stocker l’électricité cette solution restera marginale dans les pays développés T39 Ce transparent aborde le problème des coûts qui est un inconvénient majeur des énergies renouvelables. Le solaire est particulièrement concerné. Le coût du kWh est 10 fois le coût du kWh produit par le gaz ou le nucléaire. Le surcoût est même encore supérieur si l’on doit ajouter des batteries pour stocker l’énergie (cas du non-raccordement au réseau). On ne sait pas si le photovoltaïque deviendra un jour compétitif, mais s’il le devient, alors il faudra attendre une trentaine d’années pour avoir une pénétration du marché entre 10 et 20%. Pour cela, la recherche doit trouver de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de production plus économiques. La figure centrale donne le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque. En haut, un effet de loupe permet de réduire la surface de la cellule, donc d’augmenter le rendement. Pour accroître les rendements, on peut aussi empiler des couches minces adaptées aux diverses parties du spectre solaire ou faire appel à des matériaux nouveaux comme le diséléniure de cuivre et d’indium. Danger de dissémination de matériaux dangereux est quasi-nul. Pollution possible comme dans l’industrie des semiconducteurs. Donc globalement c’est bien maîtrisé!! Intermittence et non égalité de la planète face à cette ressource : il existe un facteur 3 entre l’ensoleillement maximal de la Terre et celui que reçoit l’Europe. Rentable pour ceux qui ne seront jamais raccordés au réseau électrique : 2 Mds d’individus.

…oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ? - que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses) il fait des déchets : peut-on les détruire? il pollue elle n’est pas réussie : la réussira-t-on? elles sont marginales il est trop cher : que peut-on faire? …..et les rendements?... …...et le problème du stockage?... …oui mais…

Energies renouvelables T26 Les différentes formes d’énergies renouvelables Les problèmes relèvent du coût et des ressources disponibles (non pas en terme de ressources épuisables mais surtout en tant que sites exploitables) Il est difficile de faire des histogrammes sur les productions d’énergies renouvelables car les pourcentages sont très faibles et présentent des incertitudes fortes. On voit que seulement deux d’entre elles sont significatives: l’hydraulique et la biomasse (essentiellement le bois largement utilisé dans de nombreux pays). Les avantages des énergies renouvelables sont d’abord qu’elles sont renouvelables ! Il faut cependant voir les ordres de grandeur des gisements potentiels (voir en bas du transparent et les commentaires ci-dessous). Un autre avantage de l’hydraulique, de la biomasse et du géothermique réside dans le fait qu’ils représentent une énergie stockée, donc utilisable quand on veut par opposition à l’éolien et au solaire. Le mot abondant caractérise le solaire. Il faut bien comprendre que le solaire est abondant partout (il est réparti sur toute la planète) et que, contrairement à ce que l’on croit souvent, le solaire est abondant même au nord de la France. La puissance moyenne (sur l’année, jour et nuit confondues) est de 300 W/m2 en France avec des variations inférieures à un facteur 2 entre le sud et le nord du pays : on peut se chauffer au solaire à Lille ! Le rendement de conversion en électricité est bon pour l’hydraulique et l’éolien. Par contre, les rendements sont faibles pour le géothermique car les sources sont généralement peu chaudes. Les autres inconvénients sont les ressources annuelles limitées (sauf pour le solaire : voir ci-dessous) et surtout les notions d’intermittence et de coût. L’intermittence du vent et du soleil implique le stockage de l’électricité produite dans des batteries. Les seules batteries efficaces pour stocker des quantités d’énergie significatives sont au plomb. Leur durée de vie n’est que de 10 ans, ce qui implique de prévoir leur démantèlement et la pollution associée. Le mot pollution a donc été ajouté dans le cas du solaire (ce qui peut à priori étonner). Quant au coût, c’est un problème d’ordre social : le public est-il prêt à multiplier par 10 sa facture énergétique (voir transparent n°15). Le bas du transparent concerne les ressources annuelles exprimées en Gtep (à comparer à la consommation mondiale de 10 Gtep du transparent n°3), puis en pourcentages dans le cas de l’Europe et de la France. On voit que, sauf dans le cas du solaire qui est très abondant, les productions des autres sources renouvelables ne peuvent excéder 5 à 10% des besoins, et cela au prix d’un effort énorme : par exemple, il faut couvrir le quart du territoire de cultures dédiées pour produire par la biomasse 12% de l’énergie consommée en France. Pour le solaire, 4% de la surface du territoire permettrait de subvenir à tous les besoins, mais ce, à un prix excédant de plus d’un facteur 10 les coûts des énergies fossiles. (voir transparent n°16)

L’ Intermittence Nécessité de fournir de l’énergie quand la source (soleil, vent) ne le fait plus  Nécessité de stocker Ce problème d’intermittence est plus général : on a besoin de stocker l’énergie dans de nombreux cas… …En particulier dans le cas des transports

Les transports disparition des carburants actuels nécessité de moins polluer en ville essence artificielle produite à partir du charbon ? - non : car effet de serre rôle accru de l’électricité - on la produit comment ? nucléaire hydrogène : un nouveau carburant - mais ce n’est pas une source d’énergie …

Demain l’hydrogène ? Production : rendement à améliorer électrolyse thermoproduction bioproduction Source primaire solaire nucléaire Stockage (basse température) compression nanotubes T44 Un moyen de stockage futur est l’hydrogène que l’on peut extraire de l’eau grâce au nucléaire ou au solaire et que l’on peut ensuite utiliser dans une pile à combustible. Le stockage de l’hydrogène peut être fait soit en le mettant sous pression soit en le liquéfiant. La seconde solution présente l’inconvénient de consommer de l’énergie (pour refroidir). La première pose le problème des fortes pressions nécessaires. La recherche pourra résoudre ce problème si l’on parvient à stocker l’hydrogène dans des structures à nanotubes. Enfin il sera peut être aussi possible de produire de l’hydrogène à partir de mécanismes biologiques (microalgues). C’est alors l’énergie solaire qui permet cette extraction de l’hydrogène. une voiture qui en est équipée (on reconnaît sous la voiture les bombonnes d’hydrogène)

Pensons à faire des économies… 20% de la population mondiale consomment 60% de l’énergie… que souhaitons-nous pour demain? Pensons à faire des économies… Isolation thermique Chaudières plus performantes Meilleure utilisation des appareils (ex: veille) Stockage Transport : rendement des moteurs

Il faut participer au débat! Le Message Tous les modes de « production » d’énergie ont des inconvénients : Il n’existe pas de production d’énergie idéale!!! Il faut prendre un peu de tout et chasser les gaspis La recherche a un rôle important à jouer : elle peut lever certains verrous technologiques  Nécessité de poursuivre (voire participer à …) une recherche dans ce sens. La production d’énergie est un problème à moyen terme : il faut avoir une solution d’ici 30 ans !!! C'est votre avenir, Il faut participer au débat! http://e2phy.in2p3.fr http://www.recherche.gouv.fr/mstp/energie_mstp_200401.pdf http://www.cea.fr/fr/magazine/dossiers.asp http://www.greenpeace.be/ecohouse/

Annexes

Energies renouvelables et électricité (énergie totale) Une comparaison avec nos voisins Pays France Allemagne Espagne Italie Danemark hydraulique 13% 3,2% 17,4% 15,9% 0,1% éolien 0,06% 5% 3,3% 0,5% 12% Photo-voltaïque 0,01% 0,02% 0,04% 0,003% biomasse 0,4% 0,9% 0,8% 3,5% géothermie 0,005% 0% 0,2% total 14% (5%)* 9% (4%)* 22% (8%)* 17% (6%)* 15% (6%)* Ce transparent se focalise sur la production d’électricité par énergie renouvelable. Il montre que, contrairement à des idées reçues la France n’est pas plus mal placée que les pays qui sont réputés écologiques et qui ont fait des efforts majeurs sur l’éolien. La raison tient au rôle fort de l’hydroélectrique en France. L’Allemagne semble même à la traîne. En effet sa production d’électricité éolienne en 2003 n’était que 25TWh, pour 20 TWh hydraulique. (La France fait environ 75TWh hydraulique). L’Allemagne a une puissance éolienne installée de l’ordre de 14000MW; le Danemark a une puissance installée de 3000MW. Les champs installés en mer dans les années 2003-2004 concernent des éoliennes de 2MW et ils font chacun 160MW nominal. Il faut relativiser les pourcentages du Danemark. La production électrique totale du Danemark est de 40TWh, c’est-à-dire la moitié de la production hydroélectrique française. Des pays non mentionnés sur ce transparent font nettement mieux en renouvelable: ce sont la Suède, l’Autriche et le Portugal qui font respectivement 54%, 67% et 34% d’électricité hydraulique (chiffres 2001). Ces pourcentages sont calculés par rapport à l’électricité consommée (et non produite) dans le pays. Pour la France le chiffre hydraulique correspondant en 2001 est 16%. Il manque dans le transparent ci-dessus l’électricité produite à partir des déchets. Elle n’est pas vraiment écologique. Elle représentait 2,7% de l’électricité totale en Allemagne en 2002. * Corrections rendement incluses

Monde : croissance 30% par an La croissance forte de l’éolien dans le monde et en France (source : ADEME) Monde : croissance 30% par an 18000 MW installés en 2000 6000 MW ajoutés en 2001 Europe : 22000 MW début 2003 12000 MW en Allemagne 4144 MW en Espagne 2800 MW au Danemark France : 68 MW en 2000 sur une quinzaine de sites 147 MW fin 2002 300 MW sur 40 sites en 2003 4000 MW en 2006 12000 MW en 2010, c’est-à-dire de l’ordre de 5000 à 10000 grosses éoliennes (respect des 21%) potentiel français à terre: 70TWh (13% de l’électricité, 6% de l’énergie totale consommée*) *correction rendement incluse Ce transparent montre l’évolution forte des années passées et du futur proche dans le cas de l’éolien. En particulier, la France s’est engagée dans une construction massive d’éoliennes. Le passage à 21% d’électricité renouvelable implique la construction de 5000 à 10000 éoliennes de grande dimension compte tenu de la non disponibilité permanente du vent (le rapport puissance réelle sur puissance nominale est de 23% sur l’ensemble du parc mondial). Eolien: ressource mondiale: 57000TWh/an à comparer à 120000TWh=10Gtep. Moitié off shore avec profondeur < 50m. Europe: 9% du potentiel mondial (5000TWh), mais 72% de la production ; production 2002: 50TWh. France: potentiel sur terre (10% des surfaces avec vitesse moyenne de vent > 6m/s): 30GW ou 66TWh; potentiel off shore (<30km des côte, <30m de profondeur): 30 GW ou 90TWh/an. Attention : le rendement moyen d’une éolienne n’est que de 23% Une éolienne de 750kW avec un vent de 15m/s (force 7) ne fait plus que 28kW à 5m/s (force 3)

La croissance forte de l’éolien dans le monde Quelques autres données sur l’éolien : Puissance installée en Allemagne: 12000MW mais seulement moins de 6% de l’électricité objectif de 30% en 2020 (12%* énergie totale) projet de 200 éoliennes 5MW en mer Baltique Puissance installée au Danemark: 2800MW jusqu’à 20% de l’électricité, mais moins de 9%* de l’énergie totale consommée. Les dimensions : 600kW: mât de 28mètres diamètre de 30mètres 3MW (Dewi): mât de 92 mètres diamètre de 80 mètres Les prix : ils sont raisonnables (0,04-0,06€/kwh) Le développement du « off-shore »: projets 20 turbines de 1MW au large de Copenhague. 200 éoliennes de 5MW en mer Baltique Les pourcentages par rapport à l’énergie totale (primaire) sont corrigés pour les rendements thermodynamiques (voir le premier transparent).

Les mécanismes de production d’énergie électrique Energie électrique (alternatif) Machines tournantes (généra- trices) Source d’énergie primaire Turbine d’entraîne-ment La génération par entraînement mécanique Energie électrique (continue) Rayonne-ment lumineux solaire Cellules photovoltaïques Les sources photovoltaïques Les différents mécanismes de production d’électricité. La génération par entrainement mécanique est le principal mode de production c’est le cas des centrales thermiques et hydrauliques. La turbine et l’alternateur sont les deux pièces maîtresses de ces générateurs électriques. Dans le cas des machines thermiques la turbine est entrainée par la vapeur produite dans la chaudière où l’on brule le combustible alors que dans le cas des usines hydrauliques la turbine est animée par la force de l’eau Les source photovoltaiques transforment l’énergie lumineuses en énergie électriques Autres génératerus un peu plus marginaux Autres : Les convertisseurs thermoélectriques Les convertisseurs thermoioniques La pile à combustible Les génératrices magnétohydrodynamiques

Gestion des déchets nucléaires

Le cœur d’un réacteur nucléaire Fluide chaud Barre de commande © MEDIATHÈQUE EDF/C. Pauquet © CEA 2001 uranium Modérateur Schéma du cœur d’un réacteur : www.cea.fr/Fiches/Reacteur/Mode.htm © CEA 2001 Cœur du réacteur de Civaux en Poitou Charentes : www.laradioactivite.com © LA MEDIATHEQUE EDF/Claude Pauquet Les barres de commande servent à contrôler la réaction en chaîne en “mangeant” une partie des neutrons. Le modérateur (ex. du bore) ralentit les neutrons émis qui sont trop rapides pour provoquer efficacement des fissions. Le fluide caloporteur (ex. de l’eau) est chauffé dans le cœur. Cœur du réacteur de Civaux en cours de chargement Fluide froid Les barres de commande permettent de contrôler la fission du combustible

les noyaux de deutérium et de tritium sont chargés + La fusion sur terre 4H hélium 4 3,6 MeV neutron 14 MeV 2H deutérium 3H tritium Problème : les noyaux de deutérium et de tritium sont chargés +  se repoussent

Le nucléaire du futur Des solutions possibles : nouveaux réacteurs à neutrons rapides réacteurs assistés par accélérateur (réacteurs hybrides) Réserves : on multiplie les réserves en utilisant aussi les noyaux fertiles Déchets : il ne reste que les PF Sûreté : Les réacteurs hybrides ont l’avantage d’être sous-critiques; la réaction en chaîne ne se maintient qu’avec l’apport de neutrons (accélérateur) . Des progrès sont possibles grâce aux recherches dans les domaines des réacteurs à neutrons rapides et des réacteurs assistés par accélérateur. Les réacteurs à neutrons rapides permettent d’accroître de façon importante les réserves car l’isotope d’uranium le plus abondant (238U) devient alors un combustible et les réserves associées sont de plusieurs millénaires : voir les chiffres du transparent n°8. Les réacteurs assistés par accélérateur permettent même d’utiliser le thorium comme combustible, ce qui permet de multiplier les réserves. Par ailleurs ces réacteurs assistés par accélérateur permettraient aussi de résoudre bien des problèmes de sûreté puisqu’ils ne peuvent que s’arrêter si le flux délivré par l’accélérateur est coupé : il suffit de couper le courant pour arrêter le réacteur… L’avantage d’une telle installation serait aussi de permettre de faire fonctionner un réacteur dans lequel on aurait remplacé du combustible par des déchets à vie longue que l’on pourrait transmuter en déchets à vie courte, donc moins problématiques pour l’avenir. L’enjeu est donc majeur et le programme de recherche Pace a pour but de résoudre tous les problèmes posés par cette technologie : problème de connaissance précise des mécanismes de transmutation des déchets, problème de résistance des matériaux, problèmes techniques d’accélération permettant d’atteindre les intensités de faisceau très grandes qui sont nécessaires au fonctionnement, problèmes de séparation chimique en ligne permettant d’isoler les déchets à détruire et à positionner dans le réacteur. La validation de ces concepts pourra permettre de répondre à la question du devenir du nucléaire

Biomasse problème : manipulation difficile gazéification nécessaire les processus de base sont connus nécessiter d ’optimiser pour gazéifier au mieux réduire les déchets solides (mâchefer, goudrons) La biomasse présente l’inconvénient d’une manipulation difficile. Les enjeux de recherche concernent donc la gazéification avec une production aussi faible que possible de déchets (mâchefer et goudrons). Le schéma du transparent ne doit bien sûr pas être regardé dans ses détails. Il montre seulement deux aspects : d’une part le fait que le traitement de la biomasse n’est pas simple mais doit être optimisé (c’est un problème de recherche) ; d’autre part que la gazéification de la biomasse n’est pas dé corrélée du problème de l’effet de serre dû au gaz carbonique.

Rendements le rendement thermodynamique :  = 1 - T2/T1  = 30% à 150°C et 75% à 900°C. mauvais rendement géothermique mauvais rendement dans les centrales nucléaires actuelles recherche sur les réacteurs THT à neutrons rapides exemples de bonne utilisation des rendements : cogénération : électricité + chaleur habitat individuel : chauffage solaire électricité par le réseau T32 Le rendement d’une machine thermique dépend fortement des températures des sources chaude et froide utilisées. Il est faible si elles sont trop proches, ce qui est le cas dans les centrales nucléaires actuelles ou dans l’utilisation des sources géothermiques. L’objectif est donc d ’augmenter la température de la source chaude. C’est le cas pour les générations futures de réacteurs nucléaires dit à ultra-haute température. C’est déjà le cas aujourd’hui dans les turbines à gaz que l’on peut par ailleurs coupler à des systèmes de chauffage urbain (cogénération). Une remarque est aussi faite sur le chauffage individuel. Il est scientifiquement assez aberrant de produire de l’électricité avec un rendement de 30% pour ensuite l’utiliser à chauffer une habitation, quand on sait que l’on peut sans problème chauffer une maison grâce à l’utilisation du rayonnement solaire.

La production par entraînement mécanique La production thermo-mécanique (source de chaleur) Centrales thermiques classiques (charbon, gaz, pétrole) Centrales nucléaires à fission Fours solaires Usines géothermiques La biomasse La production hydroélectrique (force de l’eau) L’énergie éolienne (force du vent)

Energies non renouvelables Le présent transparent résume ce que l’on peut dire sur les énergies fossiles : on commence par les citer, puis on donne leurs consommations actuelles dans le monde, dans l’Union Européenne, et en France. Les énergies fossiles actuelles sont le pétrole, le gaz, le charbon et l’uranium (appelé ici « nucléaire-fission » puisqu’on fait fissionner l’uranium dans un réacteur). Une dernière colonne est intitulée « nucléaire-fusion » : les pourcentages associés sont nuls car on n’a pas encore réussi à réaliser la fusion contrôlée. Elle est toutefois ajoutée ici car c’est une solution essentielle pour l’avenir compte tenu des réserves associées en combustible (le deutérium que l’on trouve dans l’eau de mer : voir lignes suivantes). Les pourcentages indiqués en jaune sont ceux qui sont essentiels : on voit la dominance actuelle du pétrole, le rôle spécifique du nucléaire en France, le rôle corrélativement plus faible du charbon. On voit aussi (dernière colonne) que les énergies fossiles (donc non renouvelables) sont totalement dominantes aujourd’hui. Cela ne peut pas durer si l’on note les réserves qui sont indiquées dans les dernières lignes. Deux estimations sont données selon que l’on est optimiste (espérance de nouvelles découvertes) ou pessimistes (on ne tient compte que des réserves prouvées). En tout état de cause, les réserves sont faibles car elles ne couvrent que des périodes courtes - de l’ordre du siècle, sauf dans le cas du charbon (mais il est polluant) et dans le cas de l’uranium si on utilise la technique des surgénérateurs (chiffres entre parenthèses). Les indications vertes et bleu ciel du milieu du tableau donnent les avantages et les inconvénients des diverses sources. Les mots verts qui reviennent le plus sont « abondant » (mais pour des temps de l’ordre ou inférieurs au siècle), et « peu cher » (la société est-elle prête à payer d’autres sources : voir plus loin). On note la grande abondance des combustibles pour le « nucléaire-fusion »: voir ci-dessus. La notion « liquide » ou « gazeux » correspond à une commodité d’utilisation et de transport. Les mots bleus sont  liés aux « réserves » (de l’ordre du siècle) et aux problèmes d’ « effet de serre » et de « pollution ». On a distingué la « pollution » qui est dispersée et les « déchets » qui sont localisés et dont il faut éviter la dispersion. Dans le cas du nucléaire, on a rajouté la « sûreté » (risque d’accident) et le rendement car, dans les réacteurs actuels, le rendement n’est que de l’ordre du tiers, ce qui est inférieur à ce que l’on obtient par exemple avec le gaz (fonctionnement à plus haute température dans les turbines à gaz). La fusion, technique qui n’est pas actuellement au point (c’est son principal inconvénient) produira aussi des déchets nucléaires mais dans une mesure moindre si on la compare à la fission. C’est pourquoi le mot déchet n’est pas inscrit en caractères gras dans cette colonne.

Les combustibles fossiles et la pollution atmosphérique GAZ CAUSES EFFETS Gaz carbonique CO2 combustion effet de serre monoxyde de carbone CO chaudière mal réglée moteurs à essence et à gazole... maladie cardio-vasculaire intoxication mortelle si aération insuffisante Oxydes d'azote NOx secteur du transport centrales thermique à flamme (3 % des émissions de NOx) : combustion du charbon et du fioul pluies acides pollution photochimique (ozone...) Dioxyde de soufre SO2 secteurs des transports, industriel, agricole, tertiaire, résidentiel centrales thermiques à flamme (7 % des émissions de SO2) : combustion du charbon et du fioul irritation respiratoire La combustion dans la chaudière produit des gaz qui sont rejetés dans l'atmosphère. Parmi ces gaz, on trouve de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone CO2, du dioxyde de soufre SO2, des oxydes d'azote NOx ... Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote étant nocifs et entre autre responsables des pluies acides, ils sont retraités afin de réduire leur émission (différents procédés) Le rendement Au début du XXe siècle, le rendement des centrales thermiques à flamme était de 13 %. Après la seconde guerre mondiale, il atteint 38 %. Cette progression continue et à la fin des années 80, il est de 45 %. Le recours au thermique devrait probablement augmenter dans les années à venir puisque le coût du charbon tend à diminuer, le rendement tend à augmenter et les émissions de fumées sont constamment réduites.

Le point sur le solaire Proportions Puissances dispo 1/10000 (<1%) 1 à 3% 3/10000 3/1000 100% Le solaire : il est partout L’éolien : c’est du solaire La biomasse : c’est du solaire L’hydraulique : c’est du solaire La houle : c’est partiellt du solaire Le solaire : c’est du solaire Le pétrole, le gaz, .. c’est du solaire que la nature a su stocker Seules les marées (l’attraction lunaire) et la géothermie (la radioactivité de la terre) ne viennent pas du solaire… dispersé concentré Puissances dispo Solaire* : 200 W/m2 Géothermique : 0.06 W/m2 Marées (France)**: 0,2W/m2 * Moyenne sur toute la planète au niveau du sol ** Côtes françaises rapportées à la surface du pays Ce transparent montre la place essentielle du solaire dans la vie de la planète. Les sources d’énergie renouvelables viennent en fait essentiellement du solaire. Origine des pourcentages donnés dans la case « rendements »: - éolien : potentiel: 50000TWh à comparer aux 109TWh totaux du soleil au niveau du sol. - Biomasse: les rendements au niveau de la croissance des plantes sont de 1% en zone tempérées et 2-3% en zone tropicale. Hydraulique: le potentiel hydraulique mondial est de 36000TWh total et de 14000TWh exploitables Houle: puissance de l’ordre de 1W/m2 (expérience menée en Ecosse sur une ferme de 30MW pour 20 km2: voir pour la Science, oct. 2004, p19); la puissance au niveau des côtes est de 50kW par mètre linéaire (marées et vagues). L’énergie thermique de la mer est 100 fois supérieure à celle des vagues. Puissances disponibles: Puissance solaire en haut de l’atmosphère: 1368W/m2 au zénith, 342W/m2 en moyenne dont 265 ne sont pas réfléchis vers l’espace. L’atmosphère et les nuages absorbent 67 W/m2. Marées: la puissance des vagues à la côte est de 50kW/mètre. On trouve 0,2W/m2 pour la France si on rapporte 2000km de côte active à 550000km2 de surface. Les meilleures sources d’énergie renouvelable sont l’hydraulique (concentré) et le solaire lui-même.

Le solaire photovoltaïque : Son premier problème : le coût 1 kWh solaire = 30 c€ (raccordement au réseau) ou 60 c€ (non raccordement : problème du stockage) avec une durée de vie est de 25 ans. 1 kWh gaz ou nucléaire = 2,5 c€ Les améliorations possibles: augmentation des rendements (recherche d ’efficacité plus forte sur tout le spectre solaire) recherche sur des nouveaux matériaux: semiconducteurs organiques Tant qu’on ne sait pas stocker l’électricité cette solution restera marginale dans les pays développés Malgré tout les Allemands font un gros effort: 500MW actuellement installés; objectif de 5500MWcrête en 2010: opération 100000 toits. Prix d’achat: 62c€ par kWh Les leaders: les japonais Tous les toits du Japon moins de 1% de la consommation électrique (Japon) Ce transparent aborde le problème des coûts qui est un inconvénient majeur des énergies renouvelables. Le solaire est particulièrement concerné. Le coût du kWh est 10 fois le coût du kWh gaz ou nucléaire. Le surcoût est même pire si l’on doit ajouter des batteries pour stocker l ’énergie (cas du non-raccordement au réseau). Pour cela, la recherche doit trouver de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de production plus économiques. La figure du bas montre comment un effet loupe permet de réduire la surface de la cellule, donc de diminuer les coûts. Pour accroître les rendements on peut aussi empiler des couches minces adaptées aux diverses parties du spectre solaire ou faire appel à des matériaux nouveaux comme le diséléniure de cuivre et d ’indium. Des recherches sont très nécessaires sur la mise en œuvre de nouveaux matériaux moins onéreux. Les allemands font un gros effort. Il est prévu d’installer 100000toits solaires d’ici à 2010. Il est dit que la puissance associée est 5500MW (5 réacteurs nucléaires), mais ceci n’est vrai qu’en crête, à midi les jours ensoleillés…Il faut réduire d’un facteur 5 pour donner des valeurs moyennes et d’un autre facteur 5 à cause du rendement des capteurs. Tout ceci est calculé pour des surfaces de toit couvertes de 50m2. Quant aux coûts d’installation, ils ne sont rentabilisés en 25 ans que si on considère le prix d’achat « boosté » à 14c€ qui est imposé par l’état à EDF. Si EDF achetait l’électricité solaire au coût de 2,5c€, il faudrait 140 ans pour retrouver sa mise….

Pour conclure… * Les allemands n’arrêteront pas le nucléaire Contrairement à ce que l’on entend souvent sur les medias: Il n’y a pas de solution miracle L’avenir passe par le déclin du pétrole L’avenir passe par les ressources limitées des énergies renouvelables hors solaire A moyen terme, l’éolien va se développer L’avenir passe par des solutions complémentaires ajoutées les unes aux autres: l’eau chaude et le chauffage solaire doivent avoir toute leur place A plus long terme, il sera indispensable de faire appel au charbon, au solaire et au nucléaire* comme sources d’énergie, à l’hydrogène comme vecteur et moyen de stockage, (mais l’hydrogène s’imposera lentement…..) … et … à l’efficacité énergétique et aux économies d’énergie que nous pouvons tous réaliser dès aujourd’hui !!!! Savez-vous qu’une télévision en veille consomme plus que cette télévision allumée 3 heures par jour? Savez-vous que oublier une lampe allumée par français nécessite 3 à 4 réacteurs nucléaires? Savez-vous que prendre le train sur un trajet long coûte 10 fois moins d’énergie que prendre sa voiture (passager unique)? Savez-vous que l’on peut gagner un facteur 3 sur l’isolation thermique des habitations? * Les allemands n’arrêteront pas le nucléaire