Institut de Mécanique et d’Ingénierie - Bordeaux L’énergie dans le monde : où en sommes-nous en ce début d’année 2014 ? quels impacts à moyen terme sur le climat ? Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux (Université de Gabès) Journée de l’Ecole Doctorale ED 361 « Sciences et Technologies  (ST)» Université de Technologie de Troyes 8 avril 2014

Les populations et leurs besoins énergétiques Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites L’actuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de l’hydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables L’énergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

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

La population mondiale Chaque jour, la Terre accueille un peu plus de 200000 habitants de plus ! Milliards d’habitants 9,7 (INED) 1970 1920 7,17 1870 0ctobre 2013 Hypothèses d’évolutions après 2007 : un taux de fécondité égal à 2,07 (en 2150, avec un taux de 1,55 : 3 Ghab ; de 2,55 : 25 Ghab)

Essaouira Marrakech

Calcutta

Hong Kong Aberdeen

Claude Levi-Strauss (28-11-1908 – 30-10-2009) Anthropologue, auteur de « Tristes tropiques », Séjour au Brésil, de 1935 à 1939, chez les indiens Caduevo, Bororo et Nambikwara (il existait encore des populations complètement isolées), L’un de ses derniers entretiens (*), Le Monde, 2005 : « Quand je suis né, il y avait environ 1,5 milliard d’hommes sur Terre, quand j’étais au cœur de ma vie professionnelle, il y en avait 3 milliards et demain 8 à 9 milliards », « C’est çà le problème fondamental de l’avenir de l’humanité », « Je ne peux pas avoir beaucoup d’espoir pour un monde trop plein…». (*) « Loin du Brésil », 28 pages, Editions Chandeigne, juin 2005

Le Radeau de la Méduse – Théodore GERICAULT ( 1791 – 1856)

Les populations et leurs besoins énergétiques Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites L’actuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de l’hydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables L’énergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

Implicites, Explicites Consommations explicites : celles dont on parle le plus généralement, quantifiables simplement (attention aux rendements !), Usuellement notées comme telles : charbon, pétrole, gaz, hydroélectricité, énergie nucléaire, et souvent « bois combustible » Consommations implicites : l’énergie solaire pour la pousse des plantes, celle ingérée par un herbivore, les diverses formes de séchage « naturel »,… Des difficultés de métrologie pour toutes les deux

Les besoins énergétiques de l’homme

DEA Produits - 1961-2000 - (kcal/hab/j) [Attention ! « grande calorie » = Cal = kcal] Un milliard d’habitants souffrent de famine ! Source : FAOSTAT

Disponibilité énergétique alimentaire (DEA) Les apports alimentaires et les surfaces mises en jeu Disponibilité énergétique alimentaire (DEA) Surface totale 510 Mkm2 2700 kcal.hab-1.j-1 (données FAO) Surfaces émergées 29% Etendues d'eau 71% productions végétales terrestres 84% productions animales terrestres 15% productions aquatiques 1% Terres cultivées 10% Glace 10% Autres terres 28% Pâturages permanents 23% (dont déserts 18%) Forêts et surfaces boisées 28%

transports, habitats, industrie (agriculture) Les trois grands usages de l’énergie : transports, habitats, industrie (agriculture) Distinction à faire entre : Sources d’énergie et Vecteurs Unités : k (103), Méga (106), Giga (109), Téra (1012) ! US : « billion » = milliard (G), UK : « billion » = téra = (T ou MM) ! Deux unités de base, en puissance : ☺ Watt (une lampe : 20 - 100 W, une voiture : 50 - 100 kW, TGV : 10 MW, Ariane 5 : 50 GW) Une « tranche » (« virtuelle ») : environ 1000 MW ☺ Tonne d’équivalent pétrole / an, t.e.p./an 1 t.e.p. = 42 GJ (PCS) 1 t.e.p./an = 1400 W Attention aux équivalences (Rendement : 100% ! )

2100 Sources thermique photovoltaïque thermodynamique Bois, biomasses Solaire Solaire Solaire thermique photovoltaïque thermodynamique Bois, biomasses Hydraulique 2100 Courants Géothermie Eolien Sources Charbon Nucléaire Gaz (pétrole)

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

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

Consommations d’énergie par habitant, en tep/an Tunisie Maroc

1900 - 2000 : une croissance forte, par habitant t.e.p./(hab.an) 2.0 2000 biomasse hydro nucleaire 1.6 1.2 Gaz 1950 Pétrole 0.8 1900 Transport 0.4 Charbon Population 1.6 Ghab 2.7 Ghab 6.0 Ghab

Depuis 1973, une stabilisation, par habitant

Une grande stabilité globale, en proportions relatives…. Les combustibles carbonés : charbon, pétrole, gaz C(+HX) -CH2- CH4 (combustion complète CO2 et H2O) Charbon : plusieurs siècles de réserves, Pétrole : réserves sensiblement comparables au gaz (une cinquantaine d’années ; non compris sables bitumineux, extraction gisements très complexes, schistes bitumineux…), Montée régulière, en proportion du gaz naturel, « le moins carboné des carbonés » (environ 50 ans de réserves ; réserves ultimes 4 à 5 fois plus environ). A voir, l’impact des pétroles et gaz de schiste, Rôle privilégié du pétrole pour les TRANSPORTS, Stabilisation du nucléaire, à environ 600 Mtep/an (500 unités dans le monde ; montée en puissance de 1960 - 1000 MW - , à 1995 - 350 GWe -).

tWh B A Production annuelle d’électricité nucléaire de 1960 à 2012 1960 1980 1990 2000 2012 Taux de charge moyen mondial « ancien » : ≈ 80 %

Les réacteurs nucléaires dans le monde

Les combustibles fossiles dans l’histoire de l’humanité Energie utilisée par l’homme Source : Pimentel et Pimentel, 1979 DEBUT aux environs de 1700 FIN aux environs de 2400 1 2 3 Millions d’années

Les populations et leurs besoins énergétiques Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites L’actuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de l’hydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables L’énergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

Puissance supplémentaire à installer, chaque jour !  200000 . 1,5 . 1400 soit > 400 MW en continu, soit presque 600 à 1000 MW de puissance nominale réelle supplémentaire à installer chaque jour pour plus de 20000 « tranches virtuelles », en continu, déjà en place D’où le rôle important, dans l’urgence, des combustibles carbonés (malgré les problèmes de réserves et d’effet de serre,….), mais aussi « faire feu de tout bois », avec, au premier rang de tout, les économies d’énergie

Ecologie industrielle Approches intégrées Ecologie industrielle Démarche née dans le Nord de l’Europe (Danemark, Norvège,…) Les activités humaines diverses doivent être considérées comme des éléments d’un système vivant (d’où le nom « écologie ») L’application à des activités industrielles met l’accent sur tous les flux échangés, entre entreprises, lorsque, sur le point étudié, il n’y a pas de problème de concurrence (ex : sur une zone industrielle) On fait alors une « optimisation globale » (dans le cas, par exemple, des réseaux d’électricité) [la démarche « smart grid » relève de cette approche]

Un exemple d’écologie industrielle : flux d’énergie entre deux entreprises Distance entre les deux entreprises : 500 mètres Puissance échangée > 20 MW ! P. Sébastian TREFLE, 2008

Analyses des cycles de vie Approches intégrées Analyses des cycles de vie Analyser de la manière la plus exhaustive l’histoire d’un composé chimique, d’un élément particulier, d’un système, depuis sa «naissance», jusqu’à sa «mort» (?) (recyclage, combustion,..) Exemple : en nucléaire, stockage des déchets, mais aussi démantèlement !!! Ne pas perdre de vue tous les autres éléments matériels, énergétiques, mobilisés par le procédé et leur poids dans les produits Faire aussi des analyses de vie comparatives (e.g. cultures vs forêts) en multicritères !

D’après « Les enjeux de l’énergie, de la géopolitique au citoyen : état des lieux et prospective », 113 pages, E. Iacona, J. Taine, B. Tamain, DUNOD 2009

Approches Intégrées « feu de tout bois » un challenge, le développement de la géothermie : ☺ les projets en balnéothérapie (l’hôtel Oktor, à Korbous, Tunisie, 2009-2010) ☺ le refroidissement d’eau chaude géothermique à El Hamma (près Tozeur, Tunisie), quel usage pour ces « calories » ??

? Quel futur ? 2010 2050 Pétrole (récupération) Gaz, gaz de schiste Nucléaire fission Biocarburants Hydrogène par nucléaire….. Nucléaire fusion 2100 ?

Les populations et leurs besoins énergétiques Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites L’actuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de l’hydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables L’énergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

1370 W/m2 Constante solaire Variations de la constante solaire : Rayonnement solaire diffusé vers l’extérieur de la Terre (réflexion « optique » et diffusions diverses) Le reste « absorbé » par le système « S.T.A. » (Surface Terrestre Atmosphère) Variations de la constante solaire : Annuelles, dues à l’orbite terrestre, de 1320 W/m2 l’été (Hémi. Nord, 152 Mkm) à 1420 l’hiver (147 Mkm) soit 3,3 % vs la moyenne, Période de 11 ans, variations d’environ 0,1 % de la constante solaire, ………... Rayon de la Terre : 6370 km

Ensoleillement au sol (moyenne sur 24 heures) 240 W/m2 [au sol : ~ 2000 kWh/m2.an]

Les zones peuplées, éclairées la nuit, ne sont pas les plus ensoleillées

Rappel (loi de Stefan) : Φ = σT4 = 5,7 (TK/100)4 Tous les flux en W/m2 Albédo : 30 % (de 5 % à 85 %) Rappel (loi de Stefan) : Φ = σT4 = 5,7 (TK/100)4

Alimentaire (ingestion) 130 W/hab Energie explicite 2 500 W/hab Base Juin 2009 : 6,8 Ghab Consommations explicites (2008) : 12,4 Gtep/an (sans « biomasses ») Soit, environ 2500 W/hab Alimentaire (ingestion) 130 W/hab Energie explicite 2 500 W/hab Du Soleil (albédo déduit) 18 000 000 W/hab Consommations Implicites

Deux approches complémentaires ! [1] - Consommation mondiale d’éner. explicites : 12500 Mtep/an (2008) [2] - Ressource solaire totale (albédo déduit) : 1,7 1017 (x 0,69) W, soit 6700 fois plus que [1] [3] - Disponibilité alimentaire mondiale : 2700 kcal/(jour.habitant) [85 % végétaux, 15 % animal] soit 20 fois moins que [1]

Le bouquet des « énergies renouvelables » (en général d’origine solaire, parfois indirecte) : ☺ Solaire thermique (diffus et concentré), ☺ Photovoltaïque, ☺ Solaire thermodynamique (concentré), Hydraulique (500 Mtep/an, en 2005), Courants (hydroliennes), Houle, Eoliennes (>> 100 Mtep/an, 2010), Biomasses végétales (et donc animales) : bois et charbon de bois (400 Mtep/an, 2005), déchets de biomasses, biocarburants De plus : Marées - Géothermie (thermique, électrique)

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

Le 8 septembre 2009, la Chine a signé, avec First Solar, Dans le monde, des projets nombreux, souvent de plus de 100 MW Substrat de polymère, Kornarka Inc. USA Le 8 septembre 2009, la Chine a signé, avec First Solar, pour un projet de centrale, en Mongolie Intérieure, au Nord de la Chine, de 2 GW (2000 MW) Le 30 janvier 2010, annonce d’un projet japonais avec le Maroc pour une centrale 1 MW, la plus grande en Afrique, à Assa-Zag (5000 foyers).

Solaire « en direct » : thermique, thermodynamique Trois types principaux de systèmes à concentration (on peut y ajouter les réflecteurs de Fresnel) Thermique, tel quel pour des serres de types variés, soit par des capteurs plans, Thermodynamique, par des systèmes à concentration : ☻ systèmes paraboliques, cylindro-paraboliques, avec chauffage de fluide caloporteur, pour utilisation directe ou production d’électricité, ☻ tours à concentration (Odeillo en F,..)

Four solaire d’Odeillo (France) Projets d’ensemble de « solar dishes » de centaines de MW. 10 à 30 kW

Capteur cylindro-parabolique

Centrale solaire de Kramer Junction, Californie (165 MWe) 5 SEGS (Solar Electric Generating System), chacun de 30-33 MW Concentration de 30 à 100 fois (puissance totale « en pic » : 350 MW) Axe des miroirs : tubes métalliques avec une enveloppe de verre (vide entre les deux) Le fluide chauffé (~ 400 °C) :une huile synthétique Stockage qui permet une production continue (24 h.), complément gaz naturel Un système d’échangeurs pour la production de vapeur De nombreux projets existent, souvent plus puissants (Etats-Unis, Maghreb, Israël,…)

Gemasolar (Andalousie) 2650 miroirs héliostats, orientables, de 120 m2 chacun Au sommet de la tour (140 m), chauffage du fluide de travail (8500 tonnes d’un mélange nitrate de potassium et nitrate de sodium), de 290°C à 565°C Stockage du sel fondu qui permet une production continue (24 h.) – 15 heures de restitution - Un système d’échangeurs classique pour production de vapeur en amont du couple turbine/alternateur 40% Masdar (Abou Dhabi) et 60% Sener (Espagne) Inaugurée le 4 octobre 2011 Surface totale : 195 hectares (environ 2 km2) 19,9 MW

From Dubrovnik 23-25 sept. 2006 (G. van Kuik, Delft University) Un projet à 7 MW ! Plus de 30 compagnies dans le monde fabriquent ce type d’éoliennes

puissance installée dans le monde, en GW Energie éolienne : puissance installée dans le monde, en GW Taux de charge moyen mondial : ≈ 25 % Source : www.thewindpower.net

Sidi Daoud (Tunisie) 32 AE 32, 10 AE 46, 1 AE 52 et 1 AE 61 [« AE n » : n Ø en m] L’avenir, l’éolien en mer : vents plus réguliers contraintes différentes

L’énergie « biomasses », dans le monde, en 2000 bois, (b) charbon de bois, (c) résidus de bois, (d) liqueur noire, (e) bagasse, (f) autres déchets Les biocarburants… La piste des micro-algues (2 à 40 μm), pour biocarburants terrestres Pour les carburants liquides, ne pas oublier le charbon : réaction Fischer-Tropsch (Allemagne, Afrique du Sud)

Les populations et leurs besoins énergétiques Sommaire Les populations et leurs besoins énergétiques Le « bouquet énergétique » Les besoins en énergie, implicites et explicites L’actuel bouquet énergétique Le rôle important des combustibles fossiles, de l’hydraulique et du nucléaire Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie Les énergies renouvelables L’énergie solaire, quelques chiffres Eolien, Photovoltaïque, Solaire thermodynamique En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie

Environs de Chenini (sud tunisien) Environs de Matmata (sud tunisien) Et l’eau dans tout cela … Environs de Chenini (sud tunisien) Environs de Matmata (sud tunisien)

Cycle du carbone dans le système STA Atmosphère 790 + 4 /an Océans 40000 Activité humaine Biomasse 2000 Volcans 90 90 + 2 8 110 110 + 2 0,03 Ressources fossiles 5000 Stocks en Gt C Flux en Gt C/an (2005)

Une nouvelle ère géologique : l’anthropocène ! ?  1100 ppm Elévation des températures de surface. Effet du gaz carbonique, du méthane, d’autres gaz, de l’eau (gaz et nuages), aérosols Une nouvelle ère géologique : l’anthropocène ! ? (Crutzen et Stoermer, 2000) 550 ppm 370 ppm CO2 (ppm) 280 ppm 1750 2000 2100 2000 2100

Sources de méthane : 250 Mt/an à 590 Mt/an préindustriel 1990 Décharges Combustion de la biomasse Rizières Ruminants Gaz + Pétrole Exploitation du charbon Autres sources naturelles Marécages Mt/an 50 100 150

? solaire, (fusion), charbon ? 2010 2050 2100 Pétrole Gaz Nucléaire fission Biocarburants ? 2200 ?

Le bouquet des « énergies renouvelables » Solaire thermique (diffus et concentré) @ Photovoltaïque @@@ Solaire thermodynamique (concentré) @@ Hydraulique Courants (hydroliennes), Houle, @ Eoliennes @@@ Biomasses végétales (et donc animales) : bois et charbon de bois déchets de biomasses, biocarburants @ Géothermie (thermique, électrique) @ Marées

Les économies d’énergie Parmi les clés … Les économies d’énergie Toujours une longue chaîne de la source à l’usage D’où l’intérêt des approches intégrées : analyses systémiques, exhaustives et comparatives de cycles de vie, écologie industrielle, économie circulaire L’énergie un aspect mais pas le seul : alimentation, eau, matières premières Des problématiques multi échelles ( 5 + 5)

Le « 5 + 5 » Maghreb : Mauritanie, Maroc, Portugal, Espagne, Algérie, Tunisie, Libye France, Italie, Ile de Malte

Les économies d’énergie Parmi les clés … Les économies d’énergie Toujours une longue chaîne de la source à l’usage D’où l’intérêt des approches intégrées : analyses systémiques, exhaustives et comparatives de cycles de vie, écologie industrielle, économie circulaire L’énergie un aspect mais pas le seul : alimentation, eau, matières premières Des problématiques multi échelles ( 5 + 5) Principe d’économie, principe de précaution Une ardente obligation : la réduction de inégalités Demain, 8,5 milliards d’hommes (2035 – 2050) Eau, santé, alimentation, éducation

ﺷﻜﺭﺍ Merci michel.combarnous@laposte.net http://www.academie-sciences.fr

Quelques références perso sur ce type d’approche BONNET J.F., COMBARNOUS M. – Du rayonnement solaire à la production de biomasse végétale terrestre. Une vision schématique des flux d’énergie. Revue Générale de Thermique, 35, 527-542, 1996 BONNET J.F., COMBARNOUS M. – Conversion du rayonnement solaire dans la production de biomasse végétale et animale. Une vision schématique des flux d’énergie. Entropie, 233, 3-11, 2001 COMBARNOUS M., PRIEUR A. – Les consommations d’énergie dans le monde : une méthode robuste de prévision de leur évolution à moyen terme ; premières conséquences. C.R. Géoscience, 335, 943-945, 2003 PRIEUR A., COMBARNOUS M. – Forêts et cycles de vie : aspects énergétiques, produits, carbone stocké. In : 12ème Congrès forestier mondial, Québec, 21-28 septembre 2003 PRIEUR A., BONNET J.F., COMBARNOUS M. – Les surfaces boisées à l’échelle de la planète : usages conjoints pour la séquestration du carbone et la production d’énergie. C.R. Géoscience, 336, 1323-1335, 2004 ../…

COMBARNOUS M., BONNET J.F. – World thirst for energy: how to face challenge (Conférence générale invitée). Colloque “Advances in New and Sustainable Energy and Storage Technologies”, I.U.C. Conference, in Proceedings pages 1-18, Dubrovnik, 23-25 septembre 2006 Repris dans : “Sustainable Energy Technologies: Options and Prospects », edited by K. Hanjalić, R. van de Krol, A. Lekić, Springer, 333 pages, pages 3-24, 2008 COMBARNOUS M. – Quelles tendances pour les consommations d’énergie dans le monde : ressources, actions, long terme ? (Conférence générale invitée). 1ère Conférence Internationale sur la Conversion et la Maîtrise de l’Energie (CICME’08). Actes publiés, pages 3-14, Sousse (Tunisie), 11-13 avril 2008 COMBARNOUS M. - Les populations et leurs consommations d’énergie en 2200 : quelles perspectives ? quelles actions à moyen et long termes ?. « Les défis du 21ème siècle ». Académie des Sciences (conférence et discussion sur le site www.academie-sciences.fr ), Paris, mardi 6 octobre 2009 KHEMIRI A., LAGIERE Ph., COMBARNOUS M. – Energy savings in tunisian hotels: geothermal water as a partial substitution of energy sources, for sea and geothermal water therapy at Korbous. ISESCO Science and Technology Vision, vol 6, n°9, 11-18, may 2010 Académie des Sciences – Ouvrage collectif du Comité de prospective en énergie – La recherche scientifique face aux défis de l’énergie. EDP Sciences, 250 pages, décembre 2012