Apports scientifiques sur le concept d’énergie Stage éco-établissements 22-23 juin 2005 Apports scientifiques sur le concept d’énergie (SVT, sciences physiques, SES) Nathalie Rencurel Aude Chevallier Alain Manel

I - Les constats et les données scientifiques II - Le protocole de Kyoto III - Des énergies alternatives et durables aux émissions de GES IV – Conclusion - Le plan climat

I - Les constats et les données scientifiques

Évolution de la température depuis l’an mille dans l’Hémisphère Nord Les constats scientifiques

Évolution de la température d’après l’analyse isotopique des carottes de glace à Vostok (courbe rouge) Les constats scientifiques

Évolution de la teneur en CO2 dans l’atmosphère depuis 1950 Évolution de la teneur en CO2 dans l’atmosphère depuis l’an 1000 (analyse des carottes de glace) Évolution de la teneur en CO2 dans l’atmosphère depuis 1950 Les constats scientifiques

Qu’est ce que l’effet de serre? Les constats scientifiques

Les principaux gaz à effet de serre (GES) produits par l’homme - le CO2* (dioxyde de carbone) - le N2O* (protoxyde d’azote) - le CH4* (méthane) - les CFC *GES mentionnés dans le protocole de Kyoto (1997) Les constats scientifiques

Propriétés de quelques GES Pouvoir de réchauffement / CO2 Durée de vie dans l’atmosphère Concentration dans l’atmosphère % annuel d’accroissement CO2 1 125 ans 0,035% 0.4% N2O 310 150 ans 0,00003% 0.25% CH4 21 12 ans 0,0002% 0.5% halocarbones 4000 à 22000 40 à 50000 ans <0,00000005% En baisse Les constats scientifiques

Origines des GES produits par l’homme Le dioxyde de carbone CO2 est produit principalement lors de la combustion d’énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel..) Contribution des différents secteurs aux émissions de CO2 : Les constats scientifiques

Le secteur agricole est une des principales sources d'émission de CH4 et de N2O La majeure partie des émissions de CH4 provenant des systèmes agricoles est formée par la dégradation microbienne de la matière végétale lorsque le milieu est pauvre en oxygène (tube digestif des ruminants,les sols saturés en eau (rizières) et le fumier). N2O est produit en plus grande quantité au niveau du sol dû aux activités microbiennes. Les pratiques agricoles (épandage d’engrais et de fumier) augmentent la quantité de N2O émise en perturbant le cycle naturel de l'azote. Les constats scientifiques

II - Le protocole de Kyoto

Historique 1972 : sujet abordé à Stockholm à la conférence mondiale sur l’environnement 1979 : première conférence mondiale sur le climat 1988 : création du GIEC (groupe intergouvernemental sur l’évolution du climat) 1990 : premier rapport du GIEC 1992 : conférence de Rio qui envisage du quantifier les droits d’émission de GES 1995 : second rapport du GIEC 1997 : protocole de Kyoto qui distribue pour chaque pays – en référence aux émissions de 1990 – les quantités d’émissions autorisées sur 2008-2012 Le protocole de Kyoto

1998 : l’union européenne s’engage à une réduction de 8% de ses émissions de GES en 2012 par rapport à 1990 mais choisit de constituer une « bulle » en distribuant l’effort de manière différenciée selon les pays (l’Allemagne qui brûle beaucoup de combustibles fossiles pour produire de l’énergie doit ainsi diminuer ses émissions de 21%, la France de 0%). 2001 : Le président des Etats-Unis annonce qu’il s’oppose à la ratification du protocole 2004 : Moscou ratifie le traité mais échec de la conférence de Buenos-Aires qui devait préparer l'après Kyoto 2005 : Entrée en vigueur du traité et prochaine conférence prévue cet automne à Montréal. Le protocole de Kyoto

Les objectifs & leurs limites Le protocole de Kyoto fixe des objectifs chiffrés de réduction des émissions pour les pays développés : en moyenne 5,2% de réduction à atteindre en 2008/2012 par rapport au niveau de 1990 Tonnes de GES / hab Objectif 2008-2012 / 1990 (%) Evolution des émissions 2002 / 1990 (%) Allemagne 12,41 - 21 - 18,5 France 9,49 + 0 - 1,7 Irlande - + 13 + 28,9 UE - 8 - 2,5 Etats-Unis 24 - 7 + 13,1 Canada 22,5 - 6 + 20,1 Le protocole de Kyoto

Les principes & leurs limites Des mécanismes pour plus de flexibilité…. Le principe général du marché des permis d'émission vise à minimiser le coût économique des objectifs assignés à chaque pays. Les réductions d’émissions auront d’abord lieu là où elles coûtent le moins. L’objectif est fixé sur une période de 4 ans (2008-2012) Des quotas sont attribués à chaque pays en fonction des émissions de 1990. L’allocation initiale tient donc compte du niveau de développement pour donner plus à ceux qui émettent plus. Le mécanisme de développement propre permet dès aujourd’hui à des entreprises d’un pays industrialisé de récupérer des permis d’émission à hauteur des réductions d’émissions obtenue dans des PED par un investissement propre Le mécanisme de mise en œuvre conjointe débute en 2008 et permettra ce même type de transferts entre pays développés Le protocole de Kyoto

…qui risquent de paraître injustes un surcoût qui peut avantager les grandes entreprises des pays développés (capables d'acheter ou de récupérer des "droits à polluer" comme disent les radicaux) l'idéal de justice ne passe-t-il pas par des allocations proportionnées à la population ? Le protocole de Kyoto

III - Des énergies alternatives et durables aux émissions de GES

Les biocarburants Des énergies alternatives aux émissions de GES

Comment produit-on des biocarburants? Le bioéthanol est produit par la fermentation de sucres contenu dans certaines plantes (betteraves, topinambours, canne à sucre) ou d’amidon (pomme de terre, céréales, mais) ou encore certaines plantes ligneuses (bois, paille). C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 L’éthanol produit est convertit en ETBE Les huiles végétales sont obtenues par pression à froid de graines oléagineuses (colza, tournesol, coprah, palme, soja, arachide). Une tonne de colza fournit 0.3 tonne d’huile Les esters sont issus du mélange d’un alcool avec des huiles végétales (colza, tournesol). On les nomme fréquemment diester. Des énergies alternatives aux émissions de GES

Quelle utilisation des biocarburants? Le bioéthanol est utilisé comme carburant pour moteur ou bien pour faire de la cogénération (production simultanée de chaleur et d’électricité). Le bioéthanol peut être additionné aux carburants classiques : il baisse la puissance du moteur mais améliore le rendement (meilleure qualité de la combustion) Conformément à la réglementation européenne, l’éthanol est autorisé en France jusqu’à 5 % en mélange et l’ETBE jusqu’à 15 %. Le diester est ajouté à raison de 5% dans le gazole Dans le cas des huiles végétales, des moteurs adaptés sont nécessaires car les huiles sont trop visqueuses pour les utiliser dans des moteurs classiques

L'impact de cette filière sur l'effet de serre est particulièrement intéressant, puisqu'elle permet d'économiser 2,7 tonnes d'équivalent CO2 par tonne d‘ETBE par rapport à l’essence (combustible fossile)

Evolution des surfaces consacrées en France à la production de biocarburant entre 1992 et 2000 Des énergies alternatives aux émissions de GES

Quelle quantité de biocarburants pour produire l’équivalent des 50 millions de tonnes de pétrole consommées pour les transports en 2002 ? Des énergies alternatives aux émissions de GES

La production d’énergie bois dans l’union européenne en million de tep Des énergies alternatives aux émissions de GES

Le rendement des poêles et cheminées Des énergies alternatives aux émissions de GES

Les biogaz Le principe: Fermentation de matières organiques pour produire du méthane Les matières organiques utilisées: Effluents agricoles Boues de stations d’épuration Des énergies alternatives aux émissions de GES

Gisement valorisable en France en TEP/an   nombre de sites production actuelle nombre de sites potentiels production récupérable Stations d’épuration urbaines 180 65 000 200 150 000 Station d’épuration industrielles et industries agro-alimentaires 64 64 000 400 800 000 Décharges 5 19 000 140 300 000 Méthanisation de déchets solides et assimilables (dont industries agro-alimentaires) 1 1 900 270 1 000 000 digesteurs agricoles 10 100 1 000 TOTAL 260 2 010 3 250 000

Avantages et inconvénients -intérêt écologique -Réduction de l'impact polluant des effluents, notamment en composés azotés (teneur en nitrates diminuée) -Amélioration de la qualité du déchet final, qui, après méthanisation, est biologiquement stabilisé et en grande partie désodorisé Inconvénients -coût élevé de l'amortissement des installations -absence de réelle volonté politique pour promouvoir cette filière -classification « Seveso » des stockages d'effluents agricoles -problèmes de voisinage -risques de fuite de gaz à effet de serre Des énergies alternatives aux émissions de GES

La géothermie Des énergies alternatives aux émissions de GES

Les ressources géothermiques et leur cadre géologique (source ADEME/BRGM) Des énergies alternatives aux émissions de GES

Avantages et inconvénients La géothermie présente l'avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent), ni même de la disponibilité d'un substrat, comme c'est le cas de la biomasse. C'est donc une énergie fiable et stable dans le temps. Cogénération possible Coût très élevé Énergie qui ne se transporte pas Des énergies alternatives aux émissions de GES

Pompes à chaleur géothermiques dans l’union européenne Des énergies alternatives aux émissions de GES

L’énergie solaire Les trois voies de l’énergie solaire : L'énergie solaire reçue par la terre vaut, environ 10.000 fois la quantité totale d'énergie consommée par l'ensemble de l'humanité. En d'autres termes, capter 0,01% de cette énergie nous permettrait de nous passer de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium. En 2002 le solaire a représenté 0,01% de l'énergie consommée en France (et 0,04% dans le monde) Les trois voies de l’énergie solaire : l'électricité solaire thermodynamique  l'énergie solaire thermique l'électricité solaire photovoltaïque Des énergies alternatives aux émissions de GES

L'électricité solaire thermodynamique La concentration du rayonnement solaire sur un seul foyer permet d'atteindre des températures élevées ce qui permet le réchauffement de fluides caloporteurs. Ces fluides viennent ensuite chauffer de la vapeur d'eau, qui entraîne un turboalternateur, comme dans les centrales thermiques conventionnelles. Une centrale solaire en Californie pour l’utilisation thermodynamique du rayonnement solaire. Des énergies alternatives aux émissions de GES

L'énergie solaire thermique L'énergie solaire thermique s'utilise principalement au travers de deux applications : le chauffage de l'eau chaude sanitaire le chauffage des locaux. Pour ces utilisations, les capteurs vitrés utilisés offrent des rendements de l'ordre de 50 % aux températures recherchées. 4 m2 de capteurs permettent de répondre aux besoins en eau chaude d'une famille de quatre personnes; 10 à 20 m2 assurent le chauffage d'une maison individuelle. Des énergies alternatives aux émissions de GES

L'électricité solaire photovoltaïque L'électricité solaire photovoltaïque est un moyen intéressant de réduire les coûts de distribution de l'électricité dans certaines régions; elle peut être utilisée de deux manières : pour la fourniture d'électricité en sites isolés pour l'injection d'électricité sur un réseau électrique. La centrale de Rancho Seco (Californie) près de la centrale nucléaire © ADEME, photo A Liébard Des énergies alternatives aux émissions de GES

L’énergie éolienne Une éolienne transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Soit cette énergie est utilisée directement comme dans les éoliennes de pompage ou les anciens moulins à vent. Soit elle est transformée en électricité via une génératrice; dans ce cas, on parle d'aérogénérateurs. Deux utilisations différentes alors sont possibles: La principale est le couplage de l'aérogénérateur sur le réseau. La seconde est l'utilisation de l'installation en tant que groupe électrogène éolien. Dans ce cas, on vise surtout les régions isolées. Des énergies alternatives aux émissions de GES

Puissance suivant le diamètre de l’éolienne : Le rendement d’une éolienne est faible (une éolienne ne produit du courant électrique que lorsque la vitesse du vent est comprise entre deux limites : quand elle est trop faible les pales ne tournent pas assez vite, quand elle est trop forte il faut les mettre en berne pour éviter leur destruction). Sur Terre le rendement ne dépasse pas 20%; off-shore il peut atteindre 40% Des énergies alternatives aux émissions de GES

Nombre de MW éolien installé fin 2003 Des énergies alternatives aux émissions de GES

.Les " projets offshore " français : - 16 éoliennes à Port La Nouvelle - 84 éoliennes à Port Camargue - 40 éoliennes à l'Ile de Groix - 20 éoliennes au large de Saint-Nazaire - 20 sur la côte ouest du Cotentin chaque éolienne ayant une puissance de 2,5 MW L'ensemble des projets représente 180 éoliennes pour une puissance maximale de 450 MW soit un peu plus de 200 MW nucléaires* *le rendement d’une centrale nucléaire est voisin de 80% la puissance des centrales nucléaires fonctionnant en France est comprise entre 900 et 1450MW la capacité électronucléaire de la France est de 65 700 MW. Des énergies alternatives aux émissions de GES

L’énergie nucléaire L'importance économique de l'énergie nucléaire est considérable car elle n'émet aucun gaz à effet de serre. Elle fournit un tiers de l'électricité consommée dans l'UE En France, cette énergie joue un rôle fondamental en entrant pour 75 à 80% dans la production d'électricité. Le programme spécifique intitulé « Programme de recherche et d'enseignement (EURATOM) dans le domaine de l'énergie nucléaire » vise à développer le potentiel de la fission et fusion nucléaire de façon durable, sûre et rentable. Des énergies alternatives aux émissions de GES

La fusion thermonucléaire contrôlée La fusion thermonucléaire consiste à réaliser la fusion des noyaux légers (le tritium et le deutérium) pour obtenir un noyau plus lourd d'hélium. La fusion ne peut se produire que dans des conditions extrêmes de températures (< 100 millions de degrés) et d'isolation thermique. Cette énergie est très peu polluante en terme de radioactivité. . La masse du noyau d’hélium est inférieure à celle des deux noyaux dont il est issu, deutérium et tritium. La différence de masse correspond à de la matière qui s’est transformée en énergie (selon E = mc2). Construction du réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) auquel participent l'UE, les USA, le Japon et la Russie. Des énergies alternatives aux émissions de GES

La fission nucléaire La fission est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd (uranium 235, plutonium 239) appelé noyau fissile se scinde en deux noyaux plus légers sous l’effet d’un choc avec un neutron. Renforcer la sûreté des installations nucléaires Développer une gestion et un stockage des déchets, notamment des déchets radioactifs de haute activité et à longue durée de vie. Des énergies alternatives aux émissions de GES

Emissions en C02 des différentes filières de production d'électricité Modes de production Hydraulique Nucléaire Eolien Photo -voltaïque Gaz naturel Fuel Charbon Emissions de C02 par kWh (en g) 4 6 3 à 22 60 à 150 883 891 978 Des énergies alternatives aux émissions de GES

IV – Conclusion / Plan climat

La capture et le stockage du CO2 1ere étape: capturer le CO2 2eme étape: déshydrater et comprimer le CO2 3eme étape: Injecter le CO2 dans des réservoirs Où stocker? Dans les réservoirs d’hydrocarbures (gaz et pétrole) qui ne sont plus productifs ou en phase de déclin Dans les veines de charbon non exploitables Dans les aquifères profonds conclusion

La pile à combustible (PAC) La pile à combustible transforme de l’énergie chimique en énergie électrique, La réaction de fonctionnement d'une pile à hydrogène  est :  2 H2 (g) + O2 (g) = 2 H2O (l) Le dihydrogène n’est pas présent à l’état naturel il peut-être : "extrait" de combustibles comme le gaz naturel, le GPL, le fioul, ... Le rendement total (électrique + thermique) est proche des 80% ce qui permet de réduire considérablement les rejets de CO2 produit par électrolyse de l’eau (2 H2O (l) = 2 H2 (g) + O2 (g) )    conclusion

Une nécessité faire des économies d’énergie: Le PLAN CLIMAT Transport: Respecter intégralement les limites de vitesses: - 3 Mtep CO2 Écoconduite: - 0,7 Mtep CO2 Transports collectifs: - 0,2 Mtep CO2 climatisation : - 4 Mtep CO2 Biocarburants: -7 Mtep CO2 Habitat: étiquette énergie: -1,4 Mtep CO2 traitement et recyclage des déchets: - 0,1 Mtep CO2/an climatisation: - 5Mtep CO2 Marché des quotas d’émission: -3,2 Mtep CO2 Total : - 73 Mtep CO2/an conclusion