LES SOURCES D’ENERGIE Caractérisation des énergies Les ressources énergétiques La consommation d’énergie Constats et perspectives Bonjour, Bienvenue sur le module ET 303 du parcours ET30. Cette présentation traite des ressources et de la consommation énergétique sur la planète Terre. Dans un premier temps on caractérisera les sources d’énergie. Nous évoquerons les quantités d’énergie disponibles sur terre ainsi que les quantités d’énergie consommées par ses habitants. Nous finirons en évoquant quelques pistes pour avoir un monde plus durable. Parcours : Développement durable et efficacité énergétique globale des systèmes Module ET303: Impact des matériaux et sources d’énergie

Caractérisation des énergies On rappellera les différentes formes d’énergie, leurs transformations possibles et les unités avec lesquelles on quantifie ces énergies. Nous serons amenés à définir la chaine de conversion d’une énergie primaire jusqu’à l’énergie d’utilisation. « Rien se crée, rien ne se perd, tout se transforme » Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794)

CARACTERISATION DES ENERGIES Les différentes formes d’énergie Chaleur Travail mécanique Rayonnement Chimique Electricité Matière (nucléaire par exemple) Ces énergies sont utilisées en permanence dans tous les secteurs d’activité. Il est facile de trouver des exemples pour chaque forme d’énergie. La chaleur pour le chauffage des habitations ou dans des procédés de fabrication. Le rayonnement qui nous éclaire ou qui est utilisé à des fins médicales est un autre exemple. Par contre les besoins sont variables suivant les lieux géographiques et les modes de vie. Ainsi la quantité d’énergie utilisée pour le chauffage en Finlande ou au Niger sera très différente. Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES Les transformations d’énergie Pour parler des transformations d’énergie il ne faut pas oublier la maxime de Monsieur Lavoisier. L’énergie ne se perd pas, elle se transforme. On parle de conservation de l’énergie. Toute cette énergie finie tôt ou tard sous forme de chaleur. Celle-ci est rejetée dans l'atmosphère, contribuant ainsi à l'augmentation des températures indépendamment de l'effet de serre créé par les gaz à effet de serre GES. On va prendre 2 exemples parmi ces transformations. La photosynthèse est un processus énergétique biologique qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil. L’exploitation de la conversion thermique / électrique avec des modules semi conducteurs permet le refroidissement d’enceintes médicales. On peut citer par exemple les valisettes de voyage pour les diabétiques. Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES Les unités de l’énergie Le Joule J : C’est l’unité légale dans le système international (ISO). On retrouve 2 définitions : Thermique : 4,18 J accroissent de 1°C un gramme d’eau. Pour élever 1 L d’eau de 40°C, il faut 167,2 kJ (sans changement d’état) ; Travail mécanique : 1 J correspond au déplacement d’un poids de 1 N sur une distance de 1 m. Pour élever, sur notre planète, une masse de 10 kg sur une hauteur de 1 m, il faut fournir une énergie d’environ 100 J. Le Joule est une unité qui est très petite au regard des grandeurs qu’on va devoir traiter. On utilisera plutôt des multiples comme le kJ, le MJ ou GJ voir plus. Ces multiples seront utilisés pour toutes les unités Pour le thermique, on trouve aussi la calorie : 1 cal accroit de 1°C un gramme d’eau donc 1 cal = 4,18 J La calorie est aussi utilisée en agroalimentaire et diététique. Attention : On ne trouve pas toujours les mêmes valeurs de conversion entre la calorie alimentaire et la calorie (chauffe). Certains auteurs parlent de grande calorie Cal (calorie alimentaire) et petit calorie cal (calorie chauffage). Il y a un facteur 1000 entre les 2 unités (1 Cal = 1000 cal). Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES Les unités de l’énergie Le kilowattheure kWh : à la base, c’est l’unité utilisée en électricité. 1 kWh = 3600 000 J = 3,6 . 106J (MJ) 1 kWh c’est un convecteur de 1000 W qui fonctionne 1 heure La tonne équivalent pétrole tep : C’est une unité d’énergie d’un point de vue économique et industriel. 1 tep est équivalent à 11 600 kWh ou à 41,868 GJ Convertisseurs d’unités : http://www.iea.org/stats/unit.asp http://www.cactus2000.de/fr/unit/massenr.shtml Le kWh est l’unité préférée des électriciens. Elle permet surtout de travailler avec des nombres plus faciles à manipuler. Par ailleurs c’est l’unité sur les factures d’électricité ou gaz que vous payez régulièrement. La tep est définie par le pouvoir calorifique que peut fournir une tonne de pétrole. Elle sert aux économistes pour comparer entre elles des formes d’énergie différentes. Les équivalences sont calculées en fonction du contenu énergétique ; ce sont des moyennes choisies par convention. Le pétrole étant le combustible le plus utilisé, les économistes ont choisi cette unité de référence Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES Les ressources énergétiques Les ressources renouvelables : Le soleil La géothermie Le couple terre – lune L’éolien Le biomasse Etc Les ressources épuisables : Les énergies fossiles L’uranium Définition des ressources renouvelables : Une ressource renouvelable désigne une ressource naturelle dont le stock peut se reconstituer sur une période courte à l'échelle humaine. Il faut que le stock puisse se renouveler au moins aussi vite qu'il est consommé. Définition des ressources épuisables : Une ressource naturelle est qualifiée de non renouvelable ou épuisable lorsque sa vitesse de destruction dépasse sa vitesse de création. Les sources primitives d’énergie étaient Toutes des énergies renouvelables ! LE FEU à partir du bois ou d’huile : il a servi à presque tout. LA FORCE ANIMALE (boeufs, chevaux, chiens...) L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) LE SOLEIL Les ressources dites « modernes » font appels à des ressources comme l’uranium et les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel,….). Il a fallu des millions d’année pour constituer ces stocks. L’énergie électrique a un statut un peu particulier puisqu’elle n’est pas disponible sous une forme primaire exception faite des décharges électrostatiques lors des orages. On verra plus loin que le classement actuel inclus parfois l’électricité comme une énergie primaire ou comme une énergie secondaire. Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES La chaine énergétique Energie primaire Energie secondaire Energie finale Energie utile Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas directement utilisable, elle doit être transformée en une source d’énergie secondaire pour être mise en œuvre. Il y a un cas particulier. Il s’agit de « l’électricité nucléaire » qui est classée comme une énergie primaire. L'énergie secondaire est toute l'énergie obtenue suite à la transformation d'une énergie primaire (en particulier électricité d'origine thermique ou le fuel de chauffage obtenu dans une raffinerie à partir du pétrole). Cette énergie n’est pas encore livrée. L'énergie finale (on la trouve aussi sous le nom d’énergie disponible) est l'énergie livrée au consommateur (essence à la pompe, électricité au foyer, les granulés de bois pour le chauffage, eau chaude pour le chauffage de logement dans un réseau urbain...). De façon générale, c’est l’énergie disponible à l’entrée d’un équipement avant sa conversion définitive. L’énergie utile est la forme définitive comme la lumière artificielle produite par une lampe, un déplacement avec un véhicule ou une électrolyse pour nettoyer des pièces industrielles. A chacune des conversions une partie de l’énergie est « perdue » ou plus exactement dissipée sous une autre forme d’énergie (souvent en chaleur). Cela nous amène à parler du rendement d’une conversion. Pertes Pertes Pertes Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES Rendement La notion de rendement d’une conversion peut être abordée sous différents points de vue. Très souvent on se préoccupe du rendement instantané. Dans ce cas la notion de temps est négligée. On raisonne alors en termes de puissance. Avec l’évolution des technologies et des besoins, on a vu apparaitre la notion de rendement énergétique (système embarqué, stockage d’énergie, etc…). On s’aperçoit que le prélèvement d’énergie et utilisation de l’énergie sont non synchrones. D’autre part, ces 2 notions de rendement restent souvent orientées sur une seule partie de la chaine de conversion énergétique. Sources d’énergies

CARACTERISATION DES ENERGIES Rendement « Quel est mon réel besoin ? ». Le besoin peut se décliner sous des aspects physiques, technologiques, économiques ou sociologiques comme par exemple « déplacer des personnes dépendantes en ville ». Pour cela une activité vous est proposée dans le module ET301. Cette idée nous amène à définir un rendement sous la forme de « service rendu / énergie consommée + rejets » qui est plus proche de nos préoccupations actuelles (épuisements des ressources, réchauffement climatique, etc….). Cela nous amènera à parler d’énergie grise. Cette notion est abordée dans un autre module de formation. Sources d’énergies

Les ressources énergétiques Ce chapitre traite de sources d’énergie disponibles et connues. Les quantités évoquées sont énormes et il est difficile pour le commun des mortels d’avoir une image précise de ce que cela représente.

LES RESSOURCES ENERGETIQUES Source Bernard Multon LES RESSOURCES ENERGETIQUES Les quantités d’énergie renouvelable Les quantités disponibles sont gigantesques. Par exemple : L’énergie transmise par le soleil représente 11000 fois l’énergie de la consommation de la planète. L’énergie fournie par le noyau terrestre est 2 fois celle consommée par notre civilisation. Il faut quand même faire plusieurs remarques : Inégalité de la répartition. Tout n’est pas exploitable ! Le flux d’énergie n’est pas constant L’énergie reçue n’est pas toujours sous une forme exploitable. Il sera nécessaire de la convertir…. et aussi de la stocker Il n’y a pas toujours adéquation entre l’énergie fournie et la demande énergétique. Sources d’énergies

LES RESSOURCES ENERGETIQUES 1,6 1018 kW.h par an soit 180 106 GW en continu LES RESSOURCES ENERGETIQUES Les quantités d’énergie renouvelable L ’énergie reçue varie de 1100 kWh/m2 à 2300 kWh/m2 (par an) Pour l’énergie solaire il est plus intéressant d’observer l’énergie reçue par unité de surface. Les valeurs indiquées sont celles qu’on utilise pour le dimensionnement des installations solaires photovoltaïques et solaires thermiques. L’énergie solaire est très peu concentrée ce qui pose des problèmes économiques de rentabilité et d'espace. Source Bernard Multon Soit une puissance moyenne de 120 W/m2 à 260 W/m2 et une puissance crête de 1 kW/m2 Sources d’énergies

LES RESSOURCES ENERGETIQUES Les quantités d’énergies épuisables Réserves exploitables, au rythme actuel de notre consommation : FOSSILES Pétrole : 2x1015 kWh soit 40 à 50 ans Charbon : 8x1015 kWh soit 200 ans Gaz naturel : 1,6x1015 kWh soit < 60 ans Hydrates de méthane : > 10x1015 kWh ???? NUCLEAIRE Fission (U235) : 0,4x1015 kWh soit 40 ans Surgénérateurs (U238) : 80x1015 kWh soit 600 ans Fusion (deutérium et tritium) : 80x1015 à 1021 kWh source quasi inépuisable, encore très loin d’une utilisation industrielle Épuisables et polluantes Ce sont les réserves connues et le nombre d’années varie en fonction des sources consultées. Mais les ordres de grandeurs restent les mêmes. L’intérêt des énergies fossiles réside dans leur énergie massique ou volumique qui sont très élevées. Pour un carburant à base de pétrole, on a environ une énergie massique de 42 MJ/kg à comparer avec l’énergie massique d’une batterie électrique lithium/ion qui est de 2 MJ/kg. On comprend tout de suite l’intérêt de ces énergies fossiles. Source Bernard Multon Sources d’énergies

LES RESSOURCES ENERGETIQUES Réserves mondiales Réserves mondiales (en Gtep) (en %) Production annuelle Nombre d'années de production Pétrole (conventionel) 172 18% 3,9 44 Gaz naturel 185 19% 2,9 64 Charbon 578 60% 3,2 183 Uranium 30 3% 0,62 48 Hydraulique 2,7 0,72 Eolien 8,8 0,03 Solaire 92 000 0,000 7 Biomasse 70 Total conventionnel 965 11,3 85 Source:BP Statistical Review of World Energy 2009 (chiffres 2008) Les valeurs indiquées parlent des réserves exploitables à des coûts acceptables par notre société avec le mode de vie actuel sur les énergies fossiles. Donc la définition de durée de production est variable en fonction de notre consommation et de notre niveau d’acceptation du coût de l’énergie. Il n’y a pas de durée sur les énergies renouvelables de par leur définition. Autre remarque : Les énergies renouvelables ont une marge d’exploitation élevée. Le total conventionnel représente le total des énergies épuisables. Sources d’énergies

La consommation d’énergie La consommation d’énergie continue d’augmenter. La part des énergies renouvelables augmente lentement.

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Production d’énergie primaire mondiale en 2008 (Mtep) La consommation d’énergie est actuellement dominée par les produits carbonés dont la corrélation avec le changement climatique ne fait plus débat. Si on ramène la production par habitant en prenant une population de 6,6 milliards d’habitants en 2008, on trouve 1,87 tep/habitant soit 21711kWh/hab et par an. Si on regarde la puissance consommée de façon permanente sur une année on obtient 21711/ (24 x 365) = 2,5 kW/habitant. C’est-à-dire que chaque habitant consomme l’équivalent de 25 lampes électriques de 100W éclairées en permanence Il est bien évident que cette moyenne ne veut pas dire grand-chose car il y a de grande disparité dans le monde. Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Production d’énergie primaire mondiale en 2008 On peut observer que l’énergie primaire épuisable représente 87% des énergies utilisées. Si on exclue la part nucléaire on trouve 81% d’énergie fossile. Ce sont ces énergies qui contribuent fortement aux émissions des gaz à effet de serre (GES) et au réchauffement climatique. Une partie des énergies renouvelables sont exploitées depuis de nombreuses années (hydraulique, déchets, etc…) mais leur proportion évoluent difficilement. Ce n’est que depuis un petit nombre d’années que la prise de conscience fait évoluer la situation. Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Répartition des approvisionnements en énergie primaire OCDE Nord Amérique 2731 Mtep Amérique Sud 575 Mtep OCDE Europe 1821 Mtep Ex URSS 687 Mtep Chine 2130 Mtep Afrique 655 Mtep OCDE Pacifique 870 tMep Cette carte donne une répartition des approvisionnements en énergie primaire par zone géographique. Les pays fortement industrialisés sont les plus énergivores. L’Amérique du Nord, La Chine et l’Europe représentent plus de la moitié de la demande en énergie ce que l’on retrouve aisément sur le camembert en bas à droite. http://www.iea.org Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Répartition des approvisionnements en énergie secondaire OCDE Nord Amérique 6,15 Amérique Sud 1,24 Afrique 0,67 OCDE Pacifique 4,3 OCDE Europe 3,35 Chine 1,6 Moyen Orient 2,99 Ex URSS 4,84 tep/habitant Pour la consommation d’énergie secondaire, la valeur moyenne est de 1,83 tep/habitant Comme souvent ce qui nous intéresse, c’est ce qui est proche de nous, on peut se poser la question « Comment se situe un habitant de France ? » par rapport à la moyenne. La valeur moyenne est de 4,16 tep/habitant. Elle se classe sixième en Europe. Nous consommons 2 fois plus d’énergie que la moyenne mondiale. http://www.iea.org Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Répartition par secteur de l’énergie finale mondiale On observe la répartition de l’énergie finale dans les différents secteurs d’activité. On rappelle que l’énergie finale est une énergie transformée pour une utilisation directe. On peut ainsi voir que l’ensemble des secteurs du transport, de l’industrie et du résidentiel monopolise plus de la moitié des ressources énergétiques. La répartition par secteur varie selon le niveau et la structure de l’économie d’un pays http://www.iea.org Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Evolution de la consommation de l’énergie primaire mondiale Géothermique /éolien/solaire Combustion déchets Hydraulique Nucléaire Gaz Pétrole Charbon On constate une augmentation continue de la consommation mondiale des énergies fossiles ce qui ne va pas vers une amélioration du changement climatique, ni vers une gestion raisonnée des ressources fossiles. Entre 2000 (c'est à dire hier) et 2004, la consommation a augmenté de 10% ! Les énergies renouvelables, sauf hydroélectricité, sont (encore) négligeables Le charbon et la tourbe ont évolué très rapidement depuis que la Chine est devenue un pays industrialisé http://www.iea.org Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Consommation quotidienne d’une agglomération de 10 M d’hab Pour fixer les idées sur les quantités d’énergie à fournir, l’image présentée est intéressante. Attention dans cette représentation, les problèmes sociaux et environnementaux ne sont pas évoqués. Ce n’est qu’une comparaison sans parler des conséquences des choix énergétiques. Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Evolution de la consommation d’énergie primaire en France Géothermique /éolien/solaire Combustion déchets Hydraulique Nucléaire Gaz Pétrole Charbon La France connait une diminution de l’utilisation des énergies fossiles depuis qu’une grande partie de l’industrie (sidérurgie et métallurgie) s’est délocalisée dans des pays en voix de développement. La part d’énergie hydraulique n’évolue plus car l’ensemble des ressources est exploitée. La part des énergies renouvelables augmente mais on est encore très loin des 20% annoncé pour 2020 http://www.iea.org Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Evolution de la production d’énergie primaire en France Géothermique /éolien/solaire Combustion déchets Hydraulique Nucléaire Gaz Pétrole Charbon Cette diapositive présente l’énergie produite en France. La France consomme 266 Mtep alors qu’elle produit 136 Mtep. Il y a donc un différentiel de 130 Mtep que la France doit importer. Ce sont essentiellement des énergies fossiles. On peut remarquer que ces énergies créent une forte dépendance énergétique. http://www.iea.org Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Mix énergétique français  266 Mtep http://www.iea.org Le mix énergétique ou le bouquet énergétique est la proportion (en pourcentage %) de toutes les sources d’énergie utilisées (combustibles fossiles, nucléaire, solaire, éolien, géothermique et hydroélectrique) pour produire de l’énergie finale. La France a un mix atypique avec une forte proportion de nucléaire. Ce mix est intéressant pour les gaz a effet de serre. Par contre il présente l’inconvénient d’être générateur de déchets radioactifs. Actuellement il n’y a pas de solutions pour ré exploiter ou faire disparaitre ces déchets que nous léguons aux générations futures pour des milliers d’année. Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Comparaison de mix énergétiques Moyen Orient : 594 Mtep Chaque pays, chaque continent va pouvoir définir son mix énergétique en fonction de ses ressources et de sa politique énergétique. On peut observer ici 2 mix très différents mais ils sont basés essentiellement sur les énergies fossiles polluantes et épuisables. Chine (RPC+HongKong) 2131 Mtep Sources d’énergies

Mix énergétique et mix électrique Français LA CONSOMMATION D’ENERGIE Mix énergétique et mix électrique Français La notion de mix est applicable dans de nombreuses applications. De la même façon on peut définir un mix électrique comme étant l’ensemble des sources d’énergie qui servent à produire l’électricité. Il parfois très différent du mix énergétique. Ce mix-électrique permet d’évaluer le contenu en CO2 de chaque kilowattheure produit. Les émissions de CO2 relatives à chaque type de combustibles et à chaque technologie sont connues. Des bases de données statistiques existent. La valeur moyenne mondiale est environ de 600 grammes de CO2 par kWh. http://www.iea.org

Constats et perspectives L'énergie est au cœur des débats publics : hausses du prix de l’énergie, réticences de la population vis-à-vis de l'industrie électronucléaire, inquiétudes face aux dérèglements climatiques sont à l'ordre du jour…

CONSTATS ET PERSPECTIVES Ressources épuisables Réchauffement climatique Transports Répartition des énergies non équitables L’énergie utilisée est essentiellement tirée des éléments «épuisables». Les réserves planétaires en énergies fossiles et fissibles seront épuisées à très court terme pour l’humanité (quelques dizaines voire centaines d’années). La répartition de la consommation d’énergie n’est pas équitable. Le transport consomme beaucoup d’énergie dont le pétrole est la principale source. Des évolutions culturelles fortes restent à développer, notamment sur l’urbanisme et sur les transports. L’utilisation des produits « carbonés » entraîne un réchauffement de la planète (GES gaz à effet de serre) Une nouvelle source n'en remplace pas une autre: la consommation de charbon était 6 fois plus importante en l'an 2000 qu'en 1900. Face à la crise écologique actuelle, il est impératif et urgent de changer notre regard sur l’énergie, de mieux consommer au lieu de consommer plus. Sources d’énergies

LA CONSOMMATION D’ENERGIE Perspectives Utiliser de plus en plus d’énergies propres et renouvelables ; Augmenter les performances énergétiques d’un système, d’une habitation ; Changer les comportements de consommation ; … Quelles solutions ? Il y a un colossal potentiel d’économie d’énergie qui peut générer un marché énorme. Des exemples simples : Habitat mieux isolé Des appareils électriques plus efficaces les « veilles » consomment en France de 5 à 6 TWh soit une tranche nucléaire Hors chauffage, en utilisant des appareils plus économes (éclairage, froid,…) une baisse de 40% d’énergie consommée est envisageable. Des véhicules à rendement amélioré et moins lourds Part plus importante dans le mix énergétique des énergies renouvelables (actuellement 7%, en 2020 20%) Développement de la cogénération Toutes ces économies auront pour conséquence une baisse des rejets de CO2 et des déchets nucléaires. A cette question énergétique, la réponse réside dans la diversité des énergies renouvelables exploitées. Il ne faut pas oublier que l’énergie la moins chère et la moins polluante est celle qu’on ne consomme pas ! Il est vraisemblable qu’une démarche telle que la prône l’association NégaWatt prendra de plus en plus d’importance. Sources d’énergies

FIN