Pierre Papon, Pierre Papon, Poitiers Ecole Doctorale Poitiers Ecole Doctorale 20 mai mai 2014 Vers une transition énergétique: des ruptures scientifiques et techniques sont-elles possibles?

Plan II) Où en sommes nous? I) Introduction : l’énergie un enjeu « historique » IV) Des ruptures sont-elles possibles? V) Conclusion : des enjeux nécessitant des choix III) Les contraintes fortes de la transition : scénarios

L’énergie est devenue, en France, un problème politique depuis un siècle… - Guerre de 1914 : craintes sur les approvisionnements, l’énergie devient un problème politique - Création de la CFP (ancêtre de Total) en 1924, du CEA, d’EDF, des charbonnages de France en : programme nucléaire : des nouvelles contraintes mondiales

Où en sommes nous? Monde (2012) : 12,5 milliards de tep (12,5 Gtep) - Pétrole : 32% - Charbon: 27% - Gaz : 21% - Nucléaire: 6% - Hydroélectricité :3% - Biomasse (bois) : 10% La consommation d’énergie primaire Σ = 80% de fossiles

Quelle énergie finale en France: 156 Mtep Électricité 24 % nucléaire + hydraulique + thermique + éolien Produits pétroliers : 42% Gaz naturel : 23% Charbon + Bois, biomasse 11 %

Où cette énergie est-elle consommée ? Transport : 32% Industrie : 25% (agri = 2%) Bâtiment : 43%

Les contraintes : le défi climatique Débat mondial: Copenhague, Durban, Doha, Varsovie, Paris… La consommation de combustibles fossiles envoie du CO 2 dans l’atmosphère ► Risque d’un réchauffement climatique: 2 à 6°C

I : 80 ans Une limite majeure : la disponibilité des ressources Dimension géopolitique (cf. Ukraine)

L’exploitation massive d’énergies carbonées n’est pas durable Réchauffement climatique + épuisement des réserves

Scénario AIE : réchauffement limité à +2°C (Copenhague) Gtep 80% Fossiles 15 Gtep, 63% Fossiles 2035 Une « rupture » : transition moins d’énergie carbonée

De fortes contraintes sur les filières Diminuer la part du charbon, augmenter celle des énergies renouvelables et du nucléaire, des biocarburants et de l’hydraulique là où l’on peut

Transition énergétique en France: débat 2013 France 3 scénarios de l’ANCRE (2050) : baisse de 27% à 41 % énergie finale Fort accroissement de l’électricité dans un scénario : 45% de mobilité électrique en 2050? Forte progression de la part des énergies renouvelables (solaire, éolien, biomasse) dans la production de l’électricité: 40 à 50% total selon scénarios en 2050 (15% en 2013) France énergie primaire - 20% en 2030 ? Nucléaire à 50% en 2025 puis en 2050: division par 2 consommation?

Stockage, distribution et gestion de l’électricité Les chantiers clés de l’énergie du futur Produire de l’électricité avec le nucléaire: fission, fusion Energies Renouvelables : solaire, éolien (au point?) Nouveaux carburants et nouveaux moteurs: biocarburants, hydrogène, hybrides, thermiques améliorés Des développements scientifiques, techniques et industriels sont nécessaires ► faire sauter des « verrous » ► préparer l’avenir (au-delà 2030) Séparation et stockage sous-terrain du CO2

Des ruptures scientifiques et techniques sont- elles possibles? La donne énergétique peut être changée par des découvertes scientifiques et des innovations ►Ruptures (le charbon et la machine à vapeur au XVIII e siècle) ►la science peut être à l’origine de ruptures. Comment? ►découvertes, théories nouvelles : nucléaire (1938), PV silicium (1954)

Ruptures : produire des nouveaux biocarburants Ne pas utiliser une biomasse alimentaire mais la cellulose ou CO 2 Fabrication de génomes synthétiques de bactéries et levures (à partir de nucléotides) reprogrammés ► enzymes « synthétiques » ► transformer biomasse en sucre puis alcools. Rupture: Génomes synthétiques de bactéries ou algues Nature vol mai 2014 Reprogrammer bactéries ou cellules végétales ► hydrocarbures (2 gènes modifiés dans Eschericia coli (oct. 2013, Corée)

Les énergies renouvelables: le solaire photovoltaïque Théoriquement au point mais encore des progrès à réaliser : coût des panneaux, rendement max 24% avec silicium, autres semi-conducteurs (CdTe, AsGa) Soleil: 6000 fois notre énergie quotidienne

Solaire photovoltaïque ►Nouveaux matériaux semi-conducteurs, augmenter les rendements (≥20%) : multicouches, pérovskites ►Matériaux avec effets de surface: concentration avec lentilles, nanofils, graphène (électrodes), plasmons (amplifier l’absorption des photons) ►Matériaux organiques (plastiques dopés, PEDOT avec fullérène) peu coûteux, cellules de Grätzel ►Systèmes avec absorption multiphotonique : nouveaux phénomènes

Photolyse de l’eau Cellule solaire et chimie Electrons +2 catalyseurs (étain, cobalt/nickel, molybdène) ►H 2 ( combiné avec CO 2 ►carburants ou piles à combustible

Des ruptures scientifiques et techniques sont-elles possibles pour le nucléaire? Rupture : Une nouvelle théorie mettant au jour une relation nouvelle entre masse et énergie, remise en cause partielle ou totale des théories (E = m c 2 )? Génération IV (surgénérateurs) : - on utilise le plutonium + des neutrons rapides (sodium pour extraire la chaleur) - sels fondus thorium?. Sûreté? L’avenir du nucléaire : l’après Fukushima et les réserves d’uranium (80 ans?), 75% électricité en France, problème des déchets

Le long terme: la fusion thermonucléaire Le programme international (Iter) en France : pas de résultats avant 2030 (??) Fusion atomes d’hydrogène ► Energie

Une rupture : Une électricité intelligente? Capteurs, lignes électriques adaptées, stockage, compteurs « intelligents » (Linky, Indre et Loire) : piloter la consommation locale Produire de l’électricité centralisée (centrales nucléaires, barrages) + sources intermittentes locales (solaire et éolien) : problème majeur + Stockage Des réseaux électriques « intelligents » (smart grids) : enjeu important, gérer autrement l’électricité (20-30 ans?) ► Rupture et nouvelle donne

Essentiel pour les énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien) et les voitures électriques: batteries, piles à hydrogène… Un point clé : le stockage de l’électricité Nouveaux matériaux pour batteries : lithium.. Ruptures? Biomimétisme Progrès lents >300 Wh/kg ≈0,04 l essence

Des questions clés Hausse kWh inéluctable (entre 7 et 8c€ /kWh en 2030?) : + 50% d’ici 2020 (Sénat)? ►Précarité énergétique? Nouvelles ressources: gaz et pétrole de schiste, hydrates de méthane (Japon 2013)? Prix de l’énergie d’ici 2030 ? ► taxation du CO2 ? ► Augmentation du prix de l’énergie

Conclusion La transition énergétique est inévitable mais elle prendra du temps (30-40 ans?) :nécessité d’un débat ►des choix dans la clarté Préparer les ruptures par la recherche (après 2030) Energie de demain: pragmatisme pour faire face aux imprévus : faire feu de tout bois : fossiles (un peu), biocarburants, biomasse, renouvelables, nucléaire… Réflexion prospective nécessaire: repérer les verrous, les ruptures possibles

Pour vos questions sur l’Énergie Blog sur l’énergie:

Production d’isobutanol par voie electro-biologique: CO 2 (cathode)►acide formique ►Bactérie (modifiée) Ralstonia eutropha ►isobutanol (rendement? électricité solaire?) Science, 30 mars 2012 Carburants par voie biologique

Les gaz non-conventionnels? Gaz de schiste aux USA : 25 % et prix très bas Hydrates de méthane: percée du Japon en mars 2013 premier forage en mer

Le gaz de schiste

Batterie lithium-ion Alléger les électrodes, améliorer la diffusion des électrons : graphène?

Le mix électrique Renouvelables : éolien terrestre puis off-shore en priorité, + solaire (PV 2030) = 40 % production (avec hydro et biomasse) Construction lignes électriques nécessaire : défi technique et financier ( Mds €) 50 % de nucléaire en 2025 ►plus de gaz et moins de renouvelables