La problématique des sources d’énergie du futur Sylvain David CNRS Institut de Physique Nucléaire d’Orsay sdavid@ipno.in2p3.fr

L’énergie dans le monde aujourd’hui Le casse tête du futur fournir de l’énergie à l’humanité résoudre la crise climatique Les alternatives aux fossiles Potentiel Verrous technologiques

Contexte énergétique mondial 195= 600= 280= 200= 3,5 3,4 4,5 2,6 7,8 330= Population 2005 Consommation d’énergie tep/hab tep/an /hab 560 1300 1,6 1,1 905 1200 1100 0,66 0,5 0,6

Consommation d’énergie totale dans le monde Contexte énergétique mondial tep 2000 10 30 20 Total 2050  20 GTeP Consommation d’énergie totale dans le monde

Fournir l’énergie dont le monde aura besoin en 2050 demande de doubler au moins la production d’énergie

Biomasse Traditionnelle 1.2 Hydraulique 0.7 Nucléaire 0.6 Contexte énergétique mondial Source GTeP/an 2000 Fossiles Pétrole / gaz / charbon 8.0 3.7 / 2.1 / 2.2 Biomasse Traditionnelle 1.2 Hydraulique 0.7 Nucléaire 0.6 Nouveaux renouvelables (solaire, éolien, biomasse) 0.05 Total 10.5

Emission de CO2 Emissions mondiales de CO2 = 6 MteC/an Les énergies fossiles Emission de CO2 Les énergies fossiles Charbon C+O2  CO2 + 4.08 eV Gaz naturel CH4+O2  CO2 + H2O + 8.37 eV Pétrole mélange de C et H, H/C  2 Centrale électrique 1 GWe charbon (rendement 40%) = 2.3 MtC / an gaz (rendement 50%) = 0.9 MtC / an Emissions mondiales de CO2 = 6 MteC/an

CO2 émis par l’homme Augmentation de l’effet de serre Les énergies fossiles et l’effet de serre CO2 émis par l’homme Avant l’ère industrielle (1770) : 280 ppm Teneur en CO2 en 2000 : 360 ppm Teneur minimale en 2050 450 ppm Augmentation de l’effet de serre Augmentation minimale de T entre 1,6 et 3,2°C

Emission limite en 2050 partagée entre 9 milliards d’hab. Les énergies fossiles et l’effet de serre Réduire les émissions de gaz à effet de serre de 6 GtC/an à 3GtC/an Valeur a atteindre pour 9 milliards d’habitant ≈ 350 kg /an / hab Emission tonnes de C /an/hab Emission limite en 2050 partagée entre 9 milliards d’hab. (2050)

Les ordres de grandeur Contexte énergétique : le casse-tête Contexte énergétique mondial Les ordres de grandeur Economie Efficacité Renouv. Nucléaire Charbon « propre » GES / 2

Combustibles fossiles

De grandes incertitudes sur les réserves de pétrole… Les énergies fossiles De grandes incertitudes sur les réserves de pétrole… Calcul simpliste des 40 ans de réserves Réf: PR Bauquis – Total Prof. Associés Localisation: Arabie Saoudite, Irak, Koweit, Iran, …

Du point de vue du climat, il y a trop de Les énergies fossiles Gtep Conso. annuelle Pic Pétrole + sables bitumineux et asphaltes récupérables ajd 150 - 450 3.7 2010  2040 ? gaz 115 - 300 2.1 2020  2050 ? charbon 500 - 1500 2.2 2100 ? Schistes bitumineux, asphaltes ultimes 500 ? >2100 Hydrates de méthane > 1000 ? Du point de vue du climat, il y a trop de combustible fossile ! L’enjeu climatique est d’éviter d’avoir recours au charbon et aux fuels lourds après la fin du pétrole et du gaz

Et le stockage de CO2 pour une utilisation centralisée?? Les énergies fossiles Et le stockage de CO2 pour une utilisation centralisée?? Séparation du CO2 et transport  pas de verrous, coût? Stockage  Recherche nécessaire

Les alternatives aux fossiles Les formes d’énergie primaires dont on dispose sur terre Les alternatives aux fossiles Soleil L’énergie est « produite » par la fusion de noyaux d’hydrogène = énergie nucléaire Energie nucléaire = énergie de liaison entre les protons et les neutrons des noyaux = énergie libérée lors de l’explosion de supernovae et « stockée » dans les noyaux

Concentrée naturellement par le ruissellement Les sources qui découlent du soleil Diluées Inter- mittentes La lumière 250W/m2 Le vent 10 W/m2 (E cinétique) La biomasse 1 W/m2 (E chimique) L’hydraulique (E potentielle) Concentrée naturellement par le ruissellement

Energie nécessaire pour produire le biocarburant tep/ha La biomasse Bois de chauffage et cuisson déjà 10% de l’énergie mondiale - Renouvelable, mais pas si déforestation (cas actuel) - Application aux transports grâce aux biocarburants tep / ha Energie nécessaire pour produire le biocarburant tep/ha Energie nette tep/ha Huile colza 1.37 0.5 0.87 Éthanol betterave 3.98 3.22 0.76 Réf: JM jancovici, www.manicore.com - Si l’énergie consommée ne produit pas de CO2, çà devient intéressant Ce serait une façon d’utiliser rapidement l’électricité (nucl., sol., éol.) pour les transports Potentiel max estimé pour la France : 20% des transports (10Mtep)

L’hydraulique - Production mondiale actuelle : 310 GW moyens = 17.7% de l’électricité Energie stockée, et très souple à moduler Technologie maitrisée - Nouvelles ressources loin des besoins (Afrique)  déploiement limité - Exemple : barrage des 3 gorges en Chine 9 GW moyens lac de 2km x 640 km plusieurs millions de personnes déplacées

Eolien et photovoltaïque Rendements 10-20% (commerce) 40% (laboratoire) Coût très élevé Coût énergétique ! Encore beaucoup de recherche! Technologie disponible Niveau industriel

Eolien et photovoltaïque Sources d’électricité intermittentes et dispersées  développer des réseaux performants !  coupler à une production souple charbon et gaz !  réellement efficace si stockage

L’intermittence H2O + énergie  H2 + ½ O2 Rendement global 5 - 20% Le casse tête du stockage massif d’énergie Ex: La voie de l’hydrogène Production chaleur haute T (solaire) électrolyse (éolien, photovolt.) H2O + énergie  H2 + ½ O2 H2 + ½ O2  H2O + énergie moteurs thermiques? piles à combustibles? Conditionnement sous pression? hydrures? nanotubes de carbone? Transport Rendement global 5 - 20%

L’énergie nucléaire de fission

Energie libérée = 200 millions d’eV L’énergie nucléaire Fission Energie libérée = 200 millions d’eV 235U Gaz naturel CH4+2O2  CO2+2H2O + 8.37 eV France : électricité 1000 W / hab fission uranium = 1 gramme combustion CH4 = 1 tonne L’énergie nucléaire est une énergie très concentrée Intérêt stratégique (stockage facile…), économique, environnement, …

Actuellement, seul l’isotope 235 de l’uranium est utilisé L’énergie nucléaire actuelle Actuellement, seul l’isotope 235 de l’uranium est utilisé Il représente seulement 0.7% du minerai d’uranium (99.3% 238U) Consommation Uranium fissionné 1 tonne /(GWe.an) Uranium enrichi 30 tonnes /(GWe.an) Uranium naturel 200 tonnes /(GWe.an) Réserves Uranium (RRA+RSE+spéculatives) 16 - 23 millions de tonnes Production nucléaire mondiale 285 GWe (éq. pleine puissance) Potentiel de production (au taux actuel) 280 - 400 ans Un nucléaire significatif en 2050 nécessite d’améliorer considérablement l’utilisation du minerai  recours à la surgénération

 Réserves pour des dizaines de milliers d’années L’énergie nucléaire : la surgénération Recours à la surgénération (potentiel du minerai x200) Cycle Uranium 238U + n  239U  239Np (2j)  239Pu Cycle Thorium 232Th + n 233Th 233Pa (27j)  233U Noyaux fertiles Noyaux fissiles Si on a recours à la surgénération, TOUT le minerai d’uranium est utilisé Le potentiel énergétique est multiplié par 200  Réserves pour des dizaines de milliers d’années Mais la surgénération demande à changer de technologie…

L’énergie nucléaire : les réacteurs du futur Les principaux réacteurs surgénérateurs de 4ème génération Les réacteurs rapides refroidis avec un métal liquide (cycle uranium) Les réacteurs thermiques à sels fondus (cycle thorium) Les réacteurs rapides refroidis à l’hélium (cycle uranium) Sodium Plomb Hélium Sels fondus Développement industriel vers 2035, au moment où l’uranium viendra à manquer pour les réacteurs standards

Et la fusion ?

La fusion d + t  4He + n + 17.8 MeV - Pour vaincre la répulsion coulombienne, il faut un plasma chauffé à plusieurs dizaines de millions de degrés - Le neutron régénère le tritium consommé 6Li + n  t + 4He - Réserves lithium : qq milliers d’années (idem fission surgénération) - La fusion « inépuisable » est d+d, mais encore plus difficile… - ITER : outil de recherche, pas de développement industriel envisagé avant la fin du siècle… Réacteur ITER Malheureusement, on n’est pas dans les temps vis-à-vis du pic du pétrole et du climat…

En conclusion, Ne pas assurer les besoins en énergie conduit à des crises sans doute plus grandes pour l’humanité que le changement climatique : guerres, famines, dictatures, … Réduire drastiquement les émissions de CO2, donc limiter au maximum l’utilisation du pétrole, du gaz et du charbon Les énergies renouvelables sont difficiles à développer car diluées (et donc chères) et intermittentes Le nucléaire de fission va devoir jouer un rôle très important

On ne peut pas compter uniquement sur un changement de mode de vie La technologie doit apporter sa part de solution Tous les domaines de la physique doivent être massivement mis à contribution

Sites web - Documentation Cette présentation s’inspire des travaux et conférences de H. Nifenecker B. Tamain J.M. Jancovici C. Ngô P.R. Bauquis P. Bacher & C. Acket Merci à eux ! Sites web - Documentation - Ecole Energies et Recherches (documents de cours) http://eer.in2p3.fr - Manifeste sauvons le climat http://gasnnt.free.fr/sauvonsleclimat/f-accueil.html - Société française de physique http://ipnweb.in2p3.fr/~sfp http://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie - Manicore (JM Jancovici) http://www.manicore.com

L’énergie éolienne L’énergie éolienne Les éoliennes actuelles 1 MW crête, 15 -20 % du temps Empiètement 8 ha/MW installé Production < 10 W/m2 (<solaire) Ordre de grandeur du potentiel maximum estimé en France 100 TWh/an sur terre soit environ 200W / hab  20 % de l’électricité 57 GW installés 57000 éoliennes de 1MW (20 / km de côte) Intermittence : pas de réduction massive du nombre de réacteur nucléaire ou de centrale à gaz

La géothermie - Chaleur dégagée par la terre, provenant des désintégrations radioactives de l’uranium, du thorium, … - Puissance géothermique totale estimée = 22 TW Même ordre de grandeur de la consommation mondiale d’énergie Flux géothermique = 0.06 W/m2 (<< solaire) - Mais une partie de cette énergie produite depuis des millions d’années est restée stockée sous forme de chaleur : non renouvelable ! - Ordre de grandeur du potentiel maximum pour la France : 20W / hab pour l’électricité (2% de la consommation) 7 Mtep pour le chauffage = 10% du chauffage

Nucléaire - Stockage : « confiance dans la géologie » Principe du stockage: enfouir dans une couche d’argile (à Bure) les déchets à vie longue pour éviter leur retour à la biosphère Un stockage est par conception irréversible Exemple: diffusion des actinides au bout de 200000 et 500000 ans Environ 15 mètres en 500000 ans Bure : couche d’argile de 100 mètres d’épaisseur, 500 mètres sous terre Solution de référence pour la France (loi de 2006)

Nucléaire: transmutation des déchets nucléaires La voie de la transmutation : incontournable dans le futur pour limiter le nombre de site de stockage Sans transmutation des actinides mineurs Avec transmutation des actinides mineurs. La transmutation permet de produire des verres allégés Risque potentiel à log terme réduit Déchets moins « chauds », donc réduction du nombre de site de stockage