Ecoles doctorales SI-MMEA et S2IM Professeur Émérite - ENSMA Université de Poitiers – 4 Juillet 2013 Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production d’électricité J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMA Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS

1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production d’électricité « renouvelable » L’énergie fait partie avec l’eau des deux « matières premières » les plus déterminantes pour toute collectivité humaine désireuse de poursuivre son développement. C’est précisément l’existence d’une énergie abondante et très bon marché qui a rendu possible la mondialisation économique effrénée de la planète dans les dernières décennies du XXe siècle. Cette période faste a permis, dans un premier temps, aux pays industrialisés d’atteindre un niveau de vie élevé, et dans un deuxième temps, à partir des années 80, aux pays émergents les plus importants de véritablement décoller. Mais ce résultat a été obtenu au prix d’une lourde hypothèque pour les temps à venir : la mondialisation a puisé sans discernement dans les ressources énergétiques fossiles et s’est montré peu soucieuse de l’impact environnemental de leurs usages.

Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production d’électricité « renouvelable »

Les fossiles: 70 % (Monde 80 %) Renouvelables 13 % Hydraulique 3.5 % Données factuelles Les fossiles: 70 % (Monde 80 %) Renouvelables 13 % Hydraulique 3.5 % Bois +biomasse 6.4 % Eolien 0.6% Solaire 0.1 %...

Combustion = CO2 (Cn Hm ) CO2 +H2O 5

Émission de CO2 Les gaz à effet de serre et d’autre part la perspective d’un possible réchauffement climatique dramatique du fait du niveau élevé atteint par les émissions de gaz à effet de serre. Émission de CO2 6

Crise de l’énergie et crise environnementale ? Effet de serre Changement climatique Raréfaction des ressources Conséquences économiques, sociétales, géopolitiques

1) L’énergie solaire traverse le verre Serre Données: Le verre est transparent dans le visible Il est opaque dans l’Infra rouge Verre 1) L’énergie solaire traverse le verre 2) La serre se réchauffe : elle émet du rayonnement dans l’infra rouge 3) Donc l’énergie réémise par la serre ne peut pas sortir: elle est piégée dans la serre, qui s’échauffe beaucoup plus que si il n’y avait pas la plaque de verre 8

La terre et l’effet de serre Plus il y a de CO2, plus l’atmosphère devient opaque à l’infra rouge réémis par le sol, et plus la terre se réchauffe L’atmosphère joue pour la terre le rôle de la vitre 9

Deuxième Elément crucial: Le CHANGEMENT CLIMATIQUE

Changement climatique et CO2 Accroissement de la température Nombre de jours anormalement We also observed a parallel increase of unusually cold or hot days froids chauds 11

Changement climatique et CO2 Pluies et innondations Niveau moyen des mers en mm Other contributions or consequences of the climate change An increase of rain falls An increase of the seas level Niveau des mers 12

Changement climatique et CO2 Menaces sur les deltas côtiers La concentration des populations augmente dans les zones côtières, alors que le risque dû à une élévation du niveau de la mer s’y accroît

CO2, réchauffement, innondations : Australie décembre 2010 Glissement de terrain Mexique septembre 2010 Pluies diluviennes au Brésil mi janvier 2011 Déluge Afrique du Sud février 2011

Réchauffement : origine antrhopique (JL Demenet) Naturel Naturel + Anthropique Mesures

Peut-on quantifier l’ampleur du réchauffement admissible ?

Effets d’un réchauffement au-delà de 2°C ? Fusion de la glace des calottes polaires Montée du niveau des mers Fusion des glaciers Assèchement des rivières (Himalaya) Libération du méthane du permafrost (Sibérie)… Dérèglements climatiques: inondations…

Réduction des glaces pluri annuelles de l’Arctique : de 62 à 32 % de la surface totale(Nasa) Evolution du glacier de Chacaltaya (Andes, 5400 m) entre 1994 et 2009. IRD-B. Francou Anomalies Groenland

L’échelle des temps Fonte des glaces Dilatation Température Concentration CO2 Emissions CO2 La concentration en CO2, la température, le niveau de la mer continuent de progresser bien après la réduction des émissions

Troisième élément crucial : la raréfaction des ressources 20

Raréfaction des ressources Le peak Oil Gaz Charbon Uranium Indium Platine Lithium… Il en résulte pour la planète la perspective  d’une part d’un sévère pénurie énergétique, alors même que les PE ont besoin impérativement de quantités croissantes d’énergie pour poursuivre leur développement et se rapprocher davantage du niveau de vie occidental 

Quatrième aspect de la crise : ses conséquences Economiques, Sociétales, Géopolitiques

Economique Renchérissement du coût de l’énergie, Augmentation prix de revient des produits manufacturés riches en énergie: acier, automobile, ciment …) accroissement des déficits, de la dette France Budget : 300 Milliards (dép); Déficit: 60 Milliards Fossiles :70 Milliards ; IRPP :77 Milliards Réponse? Politique d’austérité ??? Instabilités

Sociétal Précarité énergétique = Un ménage est considéré en situation de précarité énergétique lorsqu’il éprouve des difficultés à chauffer dans son logement (ressources et conditions d’habitat). Facture énergétique/revenu disponible > 10% France : 15% de la population Ain :13 % Poitou Charentes: 18%

Une mise en cause des besoins vitaux des hommes : Géopolitique Une mise en cause des besoins vitaux des hommes : Canicules, innondations, moustiques (Dengue, Chicungunia…): santé publique Fonte des glaciers de l’Himalaya: premières estimations 2060,Gange, Indus, Mékong, Yang Tseu: désertification : eau Inondations, sècheresse, désertification : quel territoire pour les réfugiés climatiques ? Altération des cultures et alimentation : nourriture Nouveaux conflits géopolitiques

Rapport STERN :2006 1) Les effets sur les changements futurs dans le climat des actions que nous entreprenons aujourd’hui se feront sentir à retardement: Action maintenant : effet limité sur le climat des 50 ans à venir. Action dans les 10 /20 ans : effet profond sur le climat dans la seconde moitié de ce siècle et au siècle suivant 2) Les bénéfices d’une action forte et rapide sur le changement climatique dépassent considérablement les coûts…

+ Stern Nous sommes dans un contexte d’urgence (diviser par un facteur 4 les émissions à effet de serre) et de contrainte: fin du pétrole bon marché Peak oil + …

1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production d’électricité « renouvelable » L’énergie fait partie avec l’eau des deux « matières premières » les plus déterminantes pour toute collectivité humaine désireuse de poursuivre son développement. C’est précisément l’existence d’une énergie abondante et très bon marché qui a rendu possible la mondialisation économique effrénée de la planète dans les dernières décennies du XXe siècle. Cette période faste a permis, dans un premier temps, aux pays industrialisés d’atteindre un niveau de vie élevé, et dans un deuxième temps, à partir des années 80, aux pays émergents les plus importants de véritablement décoller. Mais ce résultat a été obtenu au prix d’une lourde hypothèque pour les temps à venir : la mondialisation a puisé sans discernement dans les ressources énergétiques fossiles et s’est montré peu soucieuse de l’impact environnemental de leurs usages.

Rappelons un scénario de transition possible vers un monde plus sobre (AIE) ppm CO2 Référence 450 ppm c’est 0.045% de CO2 450 Il stabilise ( # 2050, 2060) la concentration en CO2 dans l’atmosphère à 450 ppm En fait, il offre une de probabilité de 50 % de limiter le réchauffement à 2°C

Le Scenario 450 Des clés ! Agence Internationale de l’Energie (IAE) Evolution des émissions annuelles mondiales de CO2 (Giga tonnes) I recall here what is called the reference scenario which does not imply any constrain on the present development of energy use ( red colour) The International Energy Agency has studied the 450 scenario (green colour), which objective is to maintain the CO2 concentration at 450 ppm which is roughly its present value The actions to be developped concern for instance: The increase of the efficiency of enrgy use (about 50 %) The development of renewables impling a low carbon energy production The development of nuclear The starting of CCS in 2020…

AIE : Agence Internationale de l’Energie Les Pistes 1) Efficacité 50 % 2) Energie décarbonnée

Améliorer l’efficacité Améliorer les rendements Cycles combinés Cogénération Récupérer Réduire la demande: isoler

Efficacité et Génie électrique Identifier les gisements de gain en énergie Production d’électricité de la France # 500 TWh On évalue à 43 TWh l’énergie qui peut être économisée dans l’industrie en systématisant la variation de vitesse et à 5 TWh en améliorant l’efficacité des moteurs, Des gains allant jusqu’à 40% sont envisageables pour tous les appareils utilisés dans le résidentiel 120 TWh La marge de progrès dans l’éclairage (50 TWh) est considérable : plus de 50% et sans doute davantage avec les diodes électroluminescentes 10 % 10 % 5 %

Composants: Eclairage France 10 % consommation électrique (500 TWh) # 5 tranches nucléaires Lampe à incandescence: Planck rendement lumineux 5 % (tungstène) LED : Transitions radiatives entre niveaux énergétiques discrets: ( Al Ga In N…) Gain pratique actuel estimé : 50% soit 2 tranches Avantages Potentiel de gain Durée de vie (40 000 h) Faible demande en énergie Pas de mercure, UV OLEDs Inconvénients Monochromatique, directionnel reproductibilité Production peu écologique ( semi conducteurs) Santé ? 34

Exemples de pistes de recherche Génie électrique Nouveaux matériaux: Mois de pertes magnétiques, Moins de pertes diélectriques Électronique de puissance: limiter l’échauffement Récupérer la chaleur : cas des grands centres de calcul Piloter la vitesses des machines ( 10 % gain )…

1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production d’électricité « renouvelable » L’énergie fait partie avec l’eau des deux « matières premières » les plus déterminantes pour toute collectivité humaine désireuse de poursuivre son développement. C’est précisément l’existence d’une énergie abondante et très bon marché qui a rendu possible la mondialisation économique effrénée de la planète dans les dernières décennies du XXe siècle. Cette période faste a permis, dans un premier temps, aux pays industrialisés d’atteindre un niveau de vie élevé, et dans un deuxième temps, à partir des années 80, aux pays émergents les plus importants de véritablement décoller. Mais ce résultat a été obtenu au prix d’une lourde hypothèque pour les temps à venir : la mondialisation a puisé sans discernement dans les ressources énergétiques fossiles et s’est montré peu soucieuse de l’impact environnemental de leurs usages.

AIE : Agence Internationale de l’Energie Les Pistes 1) Efficacité 2) Energie décarbonnée ENR # 25 %

Le caractère renouvelable : idée d’un grand réservoir Pas de Recharge! Recharge quotidienne Renouvelable Consommation Soleil Fossiles Consommation

Les ENR: les différentes formes Au commencement de l’Univers, il y a # 14 Milliards d’ années Au commencement de la terre, il y a # 4.5 Milliards d’ années Aujourd’hui, les énergies primaires de notre société L’énergie thermonucléaire du soleil La Radioactivité stockée dans la terre L’énergie mécanique du système solaire Solaire Eolien Biomasse Combustibles fossiles Houle L’énergie du Big Bang (?) Energie nucléaire, fission Géothermie L’énergie originelle, par toutes sortes de processus d’astrophysique, s’est concentrée en trois grandes classes : l’énergie thermonucléaire du Soleil la radioactivité et de façon plus générale l’instabilité nucléaire stockée dans la masse de la Terre et finalement l’énergie mécanique du système solaire y compris celle d’un satellite comme la Lune. C’est de ces trois classes qu’ont émergé toutes les énergies primaires que nous mettons en œuvre aujourd’hui. Ainsi le soleil donnera l’énergie solaire mais aussi, l’éolien, les vagues ainsi que la biomasse et les combustibles fossiles. La seconde classe, à coté des nucléaires de fission et de fusion est à la base de la géothermie profonde. La troisième ne semble guère avoir mis à notre disposition que l’énergie des marées. Marées

Les ENR sont associées aux vecteurs usuels Electricité

ENR et vecteur usuels Carburant Chaleur Hydrogène Décomposition de l’eau : Par action du soleil sur des algues Ou par électrophotocatalyse

Intermittence Production régulière Hydraulique Hydrauliennes Géothermie Biocarburants

Intermittence Production irrégulière Eoliennes Solaire Thermique Houle Solaire Thermodynamique Solaire PV

ENR : Avantages Le Réservoir potentiel d’énergie primaire est gigantesque: Géothermique : 25 % consommation monde Hydraulique: 50 % consommation monde (elec) Eolien : 100 fois consommation monde PV : 10 000 fois consommation monde Impact environnemental faible (?) Vent, soleil, mer : assez bien distribué Exploitable à petite échelle

ENR : Inconvénients Couts élevés, Surface au sol, Intermittence Impact environnemental, Acceptabilité Voir tableau suivant CO2, Besoin de stocker Discuté en conclusion €/MWh Hydro 20 Gaz 77 Charbon 44 Eolien 60 Nucléaire 50 Solaire 2 à 400

ENR: Investissement Investissement (Milliards €) Surface (ha) EPR 1 8.5 51 Eolien 20 parcs 14 600 PV 61 fermes 27 22 400 EPR : 1600 MW, r 82 % , 11.5 Milliards kWh, 8.5 Milliards € Eolien Quatre Faux:330 MW, r 20% , 578 Millions kWh, 700 Millions €  1 EPR = 20 parcs = 14 Millions € PV Toul : 143 MW ,r 15 % , 188 Millions kWh, 450Millions €  1 EPR = 61 fermes solaires = 27 Millions €

1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? Plan 1 – Enjeux environnementaux 2 – Vers une transition énergétique ? 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ? 4 – Production d’électricité « renouvelable » L’énergie fait partie avec l’eau des deux « matières premières » les plus déterminantes pour toute collectivité humaine désireuse de poursuivre son développement. C’est précisément l’existence d’une énergie abondante et très bon marché qui a rendu possible la mondialisation économique effrénée de la planète dans les dernières décennies du XXe siècle. Cette période faste a permis, dans un premier temps, aux pays industrialisés d’atteindre un niveau de vie élevé, et dans un deuxième temps, à partir des années 80, aux pays émergents les plus importants de véritablement décoller. Mais ce résultat a été obtenu au prix d’une lourde hypothèque pour les temps à venir : la mondialisation a puisé sans discernement dans les ressources énergétiques fossiles et s’est montré peu soucieuse de l’impact environnemental de leurs usages.

Eolien H=135 m 12 7.7 MW Les quatre Faux

Le déploiement de l’éolien en France ? Données: France : 500TWh Eolienne : 25 à 30 % du temps Fin 2011 : 3700 machines soit 6,7 GW Horizon 2020 19 GW : 6000 nouvelles machines à 2 MW + 4000 anciennes 2.5 fois plus qu’aujourd’hui :Un carré de 2500 km2 soit ½ département Offshore : + 10% soit en tout 22 GW et 45 TWh : 10 % conso Les contraintes: Vent « suffisant » Distance respectueuse les zones urbaines et sites protégés Passages oiseaux Servitudes techniques ( radar météo) Quel % du territoire est –on prêt à consacrer aux éoliennes ?

Quelques problématiques scientifiques Matériaux: aimants au Nd-Fe-B Limiter ou remplacer la terre rare (ici le Néodyme): Hexaferrite Usure des pales ( pluie, grains de sable du Sahara…) Prédictibilité de la production Analyse détaillée de la distribution des vents (direction, module, variabilité, distribution à petite ( 1 mn) et grande échelle de temps (1h, 1 j 1 an et plus), lois statistiques, modélisation Intermittence et stockage: Air comprimé, batteries (Li-ion, H2),STEP

Stockage Air comprimé avec récupération de chaleur de compression (thèse A. Bertin juin 2013 IPGP)

Photovoltaïque Centrale de Toul –Rosières (Nancy) 2012 – 143 MWc 367 ha 450 Millions €

Quelques points de repère Puissance crête d’un panneau : # 100Wc/ m2 (pour 1000 W/ m2 solaires incidents) Ensoleillement typique en France: 1000kWh /an /m2 1000h équivalentes à la puissance crête Une maison de 10 m2 de panneaux 1kWc  1000 kWh Une ferme de 1 MW - 10 000 m2 de panneaux 1000 MWh =1 GWh et 2 ha au sol

Quel déploiement du PV en France ? Pour 500 TWh : 500 GW, 10 000 km2 soit 2% du territoire, 2 départements Pour 10 % de la consommation nationale: 0.2 départements Avec les pertes et l’intermittence: ½ département En réalité, en fin 2011 : 4 GW en France ( < 1 % cons) 32 GW en Allemagne 100 GW au monde

Quelques problématiques scientifiques Production de Silicium Couches minces Organique Nanostructurés PV concentré Photovoltaïque: production de silicium, films minces, polymères et nouvelles génération à haut rendement telles les matériaux nano structurés Solaire concentré pour la production d’électricité par voie thermodynamique; (Four solaire d’Odeillo, projet Pégase 2.5 MWe : optique (concentrateurs, revêtements…) matériaux à haute température, intensification des transferts thermiques Thermoélectricité Matériaux: chimie du solide , phénomènes à nano échelle (conductivité électrique / thermique), procédés, système 55

Modification des bandes… Lanthanides Silicium cristallin Nanostructuration L’approvisionnement Modification des bandes… Lanthanides Down convertion: un photon de grande énergie donne deux photons de plus faible énergie Up convertion: deux photons de faible énergie donnent un photon de plus grande énergie Purification du silicium métallurgique par procédé plasma Interaction plasma silicium Interaction entre éléments dans le silicium Deux commentaires sur deus filières à l’opposé du spectre de maturité: Pour le Silicium il s’agit d’en assuree l’approvisionnement et je cite ici les travaux issus d’EPM à Grenoble sur la purification plasma du silicium métallurgique A l’opposé, l’émergence de recherches en physique rt en nanosciences permet d’accroitre le taux de conversion des photons , grâce à l’adjonction de matériaux spécifiques telles les lanthanides

CPV avec cellules multi-jonctions GaInP/GaAs/Ge : 40 % PV Concentré CPV avec cellules multi-jonctions GaInP/GaAs/Ge : 40 % Empilement infini :théorique 86 % InGaP (1.82 eV) InGaAs (1.4 eV) Ge (0.5 eV) Iris Enfin, toujours dans la course au fort rendement, les laboratoires PROMES (Odeillo) , IES (Montpellier) et LET (Poitiers) mènent un projet pour mettre au point des cellules multi jonctions , qui renforcent la conversion des photons, et opèrent sous forte concentration. Analyse économique encourageante les plaçant en position intéressante vers 2015. Cellule Cellule chère  Concentrer

Gain en 15 ans Cas du Silicium cristallin Temps de retour énergétique: de 15 à 3 ans Extraction Réduction Récup chaleur four QS Recyclage SiCl4 Plaquette Sciage, épaisseur 350-->180µ; 100*100 --> 160*160 mm Cellule Décapage, antireflet dopage connectique Module Raccordement encapsulation Action sur les procédés

En Guise de Conclusion L’urgence s’impose pour tenter de résoudre les problèmes majeurs de la crise environnementale causée par l’usage des fossiles pour produire notre énergie. S’ajoute le raréfaction rapide de ces ressources fossiles Quelques clés ont été identifiées: Améliorer l’efficacité énergétique Développer les ENR Agir sue le CO2 (CCS) Développer un nucléaire « maitrisé »…

En Guise de Conclusion Même si le réservoir peut apparaitre gigantesque, en matière d’électricité issue des d’ENR il n’y a pas de solution miracle, et la production d’électricité ne peut s’envisager par les seules ENR. Un problème majeur, l’intermittence: perspectives et besoin de R/D, stockage, smart grids… Les matériaux Substitution aux terres rares Nanostructuration, solaire PV concentré

Conclusion (fin) Mais ne pas oublier certains aspects relevant des Sciences humaines et sociales Acceptabilité Les surfaces occupées, l’altération du paysage Obstacles à la diffusion des nouvelles technologies Education Juridique, aménagement du territoire: règlementation, subventions Les modes de consommation (réduire la demande) Et , à un autre niveau, la préparation des négociations à l’international…

J. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMA Merci pour votre attention Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production d’électricité J. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMA Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS

Améliorer l’efficacité Encrassement des Echangeurs pertes = 2 % énergie mondiale = conso France Améliorer l’efficacité + 50 % Frottement Automobile: 360 Mtep =3% Energie mondiale A 15 ans réduction de 60% Froid industriel : 2 % consommation électricité mondiale ( 2000TWh = 4 * France)

Les agrocarburants : une concurrence aux cultures vivrières ? Monde (Mega tep) Total Transports Agrocarburants 2010 12 000 2300 46 2050 20 000 2500 3 à 500 Où Placer le curseur ? Les surfaces : 125 Mha /1130 :10% La contribution CO2 : - 0.25 Gtonnes C soit - 2.5 % La contribution en énergie: 4 tep /ha  500 Mtep, 2.5 % total mais 20 % carburants

1) Pour 300 millions : 4,5 milliards $ La faim dans le monde Données 300 Millions de personnes en danger de mort 100kg de blé à 150 $ la tonne: 15 $ Les calculs 1) Pour 300 millions : 4,5 milliards $ Les PIB: F : 2000 Milliard €; USA: 15 000 Milliards €; monde : 60 000 Milliards $ Les paradis fiscaux: 500 fois le PIB mondial 2) Les quantités: La production de blé : 780 M Tonnes dont 180 restent dans les stocks Il faut : 30 Millions de tonnes !

Eolien + PV : 2 % de 20 000TWh