L’énergie : un problème majeur pour demain….

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1 L’énergie : un problème majeur pour demain….
car nous en avons besoin dans tous les compartiments de notre vie - habitat (chauffage et consommation électrique) - transports - production industrielle et agricole - santé car les divers modes de « production » d’énergie obéissent à des contraintes fortes et croissantes… …et que l’énergie risque de manquer. L’objectif de cet exposé est d ’abord de faire prendre conscience de critères incontournables dans les choix nécessaires entre les modes de production d ’énergie. Ces critères s’articulent d’abord autour des ordres grandeur et des inconvénients liés à chaque mode de production. Les ordres de grandeur concernent d abord la comparaison entre les besoins et les capacités de production (réserves en combustibles fossiles, ressources en énergies renouvelables). Ils concernent aussi les prix que le public est prêt à payer. Quant aux inconvénients, ils sont liés aux nuisances et à la pollution. Cet exposé essaie de présenter ces limites. Aucune source d’énergie n’est parfaite et prometteuse sans réserve pour l’avenir. Il y a de nombreux verrous technologiques. On essaie d’analyser dans quelle mesure la recherche d ’aujourd’hui et de demain peut contribuer à limiter les nuisances ou à proposer des solutions alternatives.

2 Les contraintes … contraintes scientifiques contraintes économiques
L’énergie ne se crée pas balance besoins - réserves/ressources problèmes de rendements, de stockage …. contraintes économiques coûts problèmes d’environnement pollution, déchets, effet de serre,… contraintes politiques indépendance énergétique engagements pris vis-à-vis de partenaires contraintes sociologiques acceptabilité par le public L’objectif de cet exposé est d ’abord de faire prendre conscience de critères incontournables dans les choix nécessaires entre les modes de production d ’énergie. Ces critères s’articulent d’abord autour des ordres grandeur et des inconvénients liés à chaque mode de production. Les ordres de grandeur concernent d abord la comparaison entre les besoins et les capacités de production (réserves en combustibles fossiles, ressources en énergies renouvelables). Ils concernent aussi les prix que le public est prêt à payer. Quant aux inconvénients, ils sont liés aux nuisances et à la pollution. Cet exposé essaie de présenter ces limites. Aucune source d’énergie n’est parfaite et prometteuse sans réserve pour l’avenir. Il y a de nombreux verrous technologiques. On essaie d’analyser dans quelle mesure la recherche d ’aujourd’hui et de demain peut contribuer à limiter les nuisances ou à proposer des solutions alternatives. Tous les modes de « production » d’énergie ont des inconvénients : il faut choisir les moindres La recherche a un rôle important à jouer : elle peut lever certains verrous technologiques 7

3 Energie: unités L’unité légale: le joule
Les unités utiles pour le citoyen: le kWh, le litre. Les unités utiles au niveau de la consommation globale : La tonne équivalent pétrole: 1tep (= kWh)  C’est un bon ordre de grandeur de la consommation individuelle par an  l’homme de cette terre consomme 1,7 tep par an  le français moyen consomme 4.2 tep  cette consommation pourrait être réduite de moitié : il y a gaspillage Au niveau du monde: 1 Gtep L’estimation des ordres de grandeur nécessite de mesurer, donc de définir une unité. La tonne-équivalent-pétrole (tep) est l’unité adaptée pour parler de l’énergie au niveau mondial car c’est l’ordre de grandeur de ce que consomme en moyenne chaque habitant de cette planète (1,7 tep). Compte tenu de la population mondiale, la consommation annuelle globale est de 10Gtep. On peut la traduire en TWh. Cette seconde unité est en général réservée à la consommation globale d’électricité. consommation globale annuelle dans le monde : 10 Gtep (chiffres de 2002)

4 Energie: comment la consomme-t-on?
Comment consomme-t-on les 10 milliards de tep annuels? C ’est ce qu’indique le tableau du bas du transparent. On y voit sur la première ligne que 27% de l ’énergie mondiale est consommée à terme sous forme d ’électricité. La seconde ligne concerne la France seule. Elle consomme 0,25 Gtep, c ’est à dire 2,5% de l ’énergie totale dépensée dans le monde. Le pourcentage dépensé sous forme électrique est de 40% car la France est un pays développé qui, de plus, a beaucoup misé sur l’électricité (par exemple au niveau du chauffage). Par ailleurs ces pourcentages concernent les énergies primaires dépensées et tiennent donc compte des rendements de production d ’électricité qui ne sont que de l’ordre de 35%. Les autres chiffres indiquent que grosso modo, l’énergie total dépensée est divisée sur 3 « postes utiles» comparables qui concernent l ’industrie, les habitations (tertiaire-résidentiel) et le transport. Mais on voit aussi que le poste essentiel est en fait celui des pertes. Celles-ci sont dues à des facteurs incompressibles (ou presque) comme l’extraction et le raffinage, mais aussi à des postes compressibles : rendement des centrales électriques, en particulier nucléaires et transport de l’électricité. La diminution de ce poste « pertes » passe par de nouvelles technologies nucléaires (réacteurs à haute température) ou l’utilisation de la supraconductivité dans le transport de l’électricité. Dans les deux cas, des recherches et développements sont nécessaires. Ces chiffres sont donc en soit utiles car ils conduisent à des questions posées à la fois au scientifique et au citoyen : peut-on réduire les pertes (par exemple dans les transports d ’électricité)? Peut-on moins dépenser en transport, par exemple en utilisant des trains plutôt que des camions? Peut-on moins dépenser dans les maisons en les isolant mieux, en les chauffant autrement (avec le soleil), en éteignant les lampes...? En 30 ans, il y a eu en France croissance d’un facteur 2 du parc auto, de la surface d’habitations chauffées, de l’électroménager. Cela peut-il continuer?

5 Energie: comment la consomme-t-on?
Ce transparent est identique au précédent à une exception près: le pourcentage marqué en rouge dans la colonne électricité. L’électricité finale produite en France ne représente que 15% de l’énergie primaire car le rendement des centrales (nucléaires en particulier) n’est que le 1/3. Il y a donc 30% de l’énergie primaire perdue sous forme de chaleur dans les refroidisseurs de centrales.

6 Energie: d’où vient-elle aujourd’hui? pour faire quoi?
Sources d’énergie énergies non-renouvelables pétrole gaz charbon nucléaire (uranium, autres?) énergies renouvelables hydroélectrique éolien solaire biomasse géothermique marées ou hydrauliennes Formes d’énergie chaleur chaleur puis « mieux » travail (moteurs) électricité pb du rendement thermo. « mieux » travail pas de pb de rendement thermodynamique L’énergie est produite soit à partir de combustibles fossiles, soit à partir de sources renouvelables. L’encart de gauche est une liste de ces modes de production. L’encart de droite indique les formes d’énergie utilisées. On part systématiquement d’une forme « chaleur » pour les énergies fossiles (couleur rouge sur le transparent). Cette chaleur est soit utilisée comme telle, soit transformée en travail (ou électricité), c’est-à-dire une forme plus noble d’énergie dont le second principe de la thermodynamique nous apprend qu’elle est obtenue via un rendement qui est inférieur à 1. Le rendement est d’autant plus faible que la chaleur primaire est obtenue a température limitée. Le géothermique est de ce point de vue une mauvaise source d’énergie renouvelable car les températures mises en œuvre sont trop faibles. C’est pourquoi le mot « géothermique » est écrit en rose et non en rouge. Le nucléaire n’est aussi pas optimisé: la température d’une chaudière nucléaire reste limitée (actuellement) ce qui conduit à un rendement de seulement 30% dans les centrales nucléaires actuelles (réacteurs PWR). Par contre les énergies hydrauliques, éoliennes, hydrauliennes ne passent pas par la forme « chaleur ». Elles fournissent directement du travail ou de l’électricité (couleur bleue sur le transparent). Les rendements sont alors plus favorables Le solaire peut être utilisé soit pour faire de la chaleur, soit pour produire directement de l’électricité (photovoltaïque). C’est pourquoi le mor « solaire » est écrit en bicolore sur le transparent.

7 Energie: d’où vient-elle?
Energies: fossiles ou renouvelables ? La situation d ’aujourd’hui On peut produire de l ’énergie soit à partir de combustibles fossiles, soit à partir de sources renouvelables. Ces diagrammes montrent la situation de 2001 dans le monde, en Europe et en France. Paradoxalement, il apparaît que les énergies renouvelables sont moins consommées en Europe et en France que dans l ’ensemble du monde. Ceci résulte du rôle de la biomasse (bois) dans de nombreux pays peu développés.

8 Energie: d’où vient-elle?
Energies fossiles: les diverses productions Les données de ce transparent sont reprises et commentées sur le tableau suivant. L’intérêt de commencer par ce transparent dans un exposé oral est simplement une lisibilité plus facile que celle d ’un tableau. On peut embrayer sur le tableau suivant en en cachant d’abord le bas et en commentant seulement que les chiffres utilisés dans les histogrammes ci-dessus sont repris dans le tableau avec un code de couleur qui fait ressortir ceux qui sont importants.

9 Energie: d’où vient-elle? bilan avantages - inconvénients - limites
Energies non renouvelables Le présent transparent résume ce que l’on peut dire sur les énergies fossiles: on commence par les citer, puis on donne leurs consommations actuelles dans le monde, dans l’Union Européenne, et en France. Les énergie fossiles actuelles sont le pétrole, le gaz, le charbon et l ’uranium (appelé ici « nucléaire-fission » puisque on fait fissionner l’uranium dans un réacteur). Une dernière colonne est intitulée « nucléaire-fusion »: les pourcentages associés sont nuls car on n ’a pas encore réussi à réaliser la fusion contrôlée. Elle est toutefois ajoutée ici car c’est une solution essentielle pour l’avenir compte tenu des réserves associées en combustible (le deutérium que l’on trouve dans l’eau de mer: voir lignes suivantes). Les pourcentages indiqués en bleu sont ceux qui sont essentiels : on voit la dominance actuelle du pétrole, le rôle spécifique du nucléaire en France, le rôle corrélativement plus faible du charbon. On voit aussi (dernière colonne) que les énergies fossiles (donc non renouvelables) sont totalement dominantes aujourd’hui. Cela ne peut pas durer si l’on note les réserves qui sont indiquées dans les dernières lignes. Deux estimations sont données selon que l’on est optimiste (espérance de nouvelles découvertes) ou pessimistes (on ne tient compte que des réserves prouvées). En tout état de cause, les réserves sont faibles car elles ne couvrent que des périodes courtes - de l’ordre du siècle, sauf dans le cas du charbon (mais il est polluant) et dans le cas de l ’uranium si on utilise la technique des surgénérateurs (chiffres entre parenthèse). Les indications vertes et rouges du milieu du tableau sont les avantages et les inconvénients des diverses sources. Les mots verts qui reviennent le plus sont « abondants » (mais pour des temps de l’ordre ou inférieurs au siècle), et « peu cher » (la société est-elle prête à payer d ’autres sources : voir plus loin). On note la grande abondance des combustibles pour le « nucléaire-fusion »: voir ci-dessus. La notion « liquide » ou « gazeux » correspond à une commodité d ’utilisation et de transport. Les mots rouges sont  liés aux « réserves » (de l ’ordre du siècle) et les problèmes d ’  « effet de serre » et de « pollution ». On a distingué la « pollution » qui est dispersée et les « déchets » qui sont localisés et dont il faut éviter la dispersion. Dans la cas du nucléaire, on a rajouté la « sûreté » (risque d ’accident) et le rendement car, dans les réacteurs actuels, le rendement n ’est que de l ’ordre du tiers, ce qui est inférieur à ce que l ’on fait par exemple avec le gaz (fonctionnement à plus haute température dans les turbines à gaz). La fusion encore non réussie (c’est son principal inconvénient) produira aussi des déchets nucléaires mais dans une mesure moindre si on la compare à la fission. C’est pourquoi le mot déchet n ’est pas inscrit en caractères gras dans cette colonne.

10 Energie: d’où vient-elle? bilan avantages - inconvénients - limites
Energies renouvelables Il est difficile de faire des histogrammes sur les productions d ’énergie renouvelables car les pourcentages sont très faibles et présentent des incertitudes fortes. On voit que seulement deux d’entre elles sont significatives: l’hydraulique et la biomasse (essentiellement le bois utilisé largement dans de nombreux pays). Les avantages des énergies renouvelables sont d ’abord qu ’elles sont renouvelables! Il faut cependant voir les ordres de grandeur des gisements potentiels (voir en bas du transparent et les commentaires ci-dessous). Un autre avantage de l’hydraulique, de la biomasse et du géothermique réside dans le fait qu ’ils représentent une énergie stockée, donc utilisable quand on veut, par opposition à l’éolien et au solaire. Le mot abondant caractérise le solaire. Il faut bien comprendre que le solaire est abondant partout (il est réparti sur toute la planète) et que, contrairement à ce que l’on croit souvent le solaire est abondant même au nord de la France . La puissance moyenne (sur l ’année, jour et nuit confondues) est de 300 W/m2 en France avec des variations inférieures au facteur 2 entre le sud et le nord du pays : on peut se chauffer au solaire à Lille! Le rendement de conversion en électricité est bon pour l’hydraulique et l’éolien. Par contre les rendements sont faibles pour le géothermique car les sources sont généralement peu chaudes. Les autres inconvénients sont les ressources annuelles limitées (sauf pour le solaire: voir ci-dessous) et surtout les notions d ’intermittence et de coût. L’intermittence du vent et du soleil implique le stockage de l ’électricité produite dans des batteries. Les seules batteries efficaces pour stocker des quantités d’énergie significatives sont au plomb. Leur durée de vie n ’est que de 10 ans, ce qui implique de prévoir leur démantèlement et la pollution associée. Le mot déchets a donc été ajouté dans la cas du solaire (ce qui peut à priori étonner). Quant au coût, il est un problème d ’ordre social: le public est-il prêt à multiplier par 10 sa facture énergétique (voir transparent n°21). Le bas du transparent concerne les ressources annuelles exprimées en Gtep (à comparer à la consommation mondiale de 10 Gtep du transparent 2), puis en pourcentages dans le cas de l’Europe et de la France. On voit que, sauf dans le cas du solaire qui est très abondant, les productions des autres sources renouvelables ne peuvent excéder 5 à 10% des besoins, et cela au prix d ’un effort énorme: par exemple, il faut couvrir le quart du territoire de cultures dédiées pour produire par la biomasse 12% de l’énergie consommée en France. Pour le solaire, 4% de la surface du territoire permettrait de subvenir à tous les besoins, mais ce, à un prix excédant de plus d’un facteur 10 les coûts des énergies fossiles. (voir transparent n°27). Dans le cas du géothermique (qu’il ne faut pas confondre avec le solaire thermique: voir n°26), une utilisation de toute l’énergie disponible en France (surface totale), ne conduirait qu’à 2,3% des besoins. On voit sur cet exemple comment il faut être prudent: les 15Gtep annuels de géothermique mondial ne sont en fait pas exploitables car ils sont répartis partout (trop dispersés) et en particulier sous les océans, ce qui n’autorise pas une exploitation importante. Quelques chiffres: production hydroélectrique en France: 70TWh. Puissance installée: 25GW. Production théorique max: 200 TWh.. Production hydroélectrique mondiale: 2645 TWh. Puissance installée: 700GW. Potentiel théorique mondial: 36000TWh (source: rapport Bilger). Minihydraulique français: actuel: 4.6TWh; exploitable: 9TWh. Solaire: en France 10000km2 de toit2 fois la production d’électricité totale (450TWh) si les toits étaient en silicium! Eolien: ressource mondiale: 57000TWh/an à comparer à TWh=10Gtep. Moitié off shore avec profondeur < 50m. Europe: 9% du potentiel mondial (5000TWh), mais 72% de la production ; production 2002: 50TWh. France: potentiel sur terre (10% des surfaces avec vitesse moyenne de vent > 6m/s): 30GW ou 66TWh; potentiel off shore (<30km des côte, <30m de profondeur): 30 GW ou 90TWh/an. Géothermique:roches à ° à 6000m de profondeur: sphère de 1km de diamètre=100MWe pendant 1 siècle (Ademe); potentiel en France: 100 à 135 TWh/an; potentiel Europe: 700 à 900 TWh/an (source Ademe,Bilger) AUTRES DONNEES SUR LE TRANSPARENT SUIVANT (n°11)

11 …oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ?
- que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - le solaire (ressources immenses) - les autres sources renouvelables resteront marginales il pollue : séquestration nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? elle n’est pas réussie : la réussira-t-on? il est trop cher : que peut-on faire? …..et les rendements?... …...et le problème du stockage?... Sur le tableau du transparent précédent, les corrections de rendement sont: pour l’hydraulique, on rapporte la production hydraulique non pas aux 275Mtep d’énergie primaire consommée, mais à 75% de cette valeur car l’énergie utile (exclusion des pertes à la production des centrales nucléaires) représente 60+15% --60: tout ce qui ne passe pas par le vecteur électricité; 15: vecteur électricité-- de la consommation primaire totale). Par ailleurs, parce que l’hydraulique et l’éolien donnent des énergies nobles, j’ai doublé leur résultat pour les favoriser, ce afin de tenir compte du fait que les rendements thermodynamiques sont au mieux de 1/2. Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003 (source: ministère de l’industrie): On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep, soit 3300TWh. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep (marée motrice Rance: 0.05Mtep) Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. énergie totale des marées sur terre: 22000TWh (2Gtep) source: Ecrin sept 2004 Potentiel mondial des usines marée motrice : 100TWh ou 10Mtep …oui mais…

12 Le charbon et l’effet de serre
- l’effet de serre existe et il croît - tout ce qui brûle y contribue sauf la biomasse - il faut apprendre à séquestrer le CO2: ● dans les anciens gisements ● problèmes du transport - cet état de fait impliquera que l’on centralise les combustibles à effet de serre. ● Modification profonde des transports ● ferroutage et abandon de l’essence pour les voitures

13 …oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ?
- que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - le solaire (ressources immenses) - les autres sources renouvelables resteront marginales il pollue : séquestration CO2 nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? elle n’est pas réussie : la réussira-t-on? il est trop cher : que peut-on faire? …..et les rendements?... …...et le problème du stockage?... Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003: On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. …oui mais…

14 Energie nucléaire fission: les problèmes à résoudre
monter les températures brûler 238U ou/et 232Th multiplier les protections (coques) stocker les déchets de façon sûre produire moins de déchets les détruire rendements réserves sûreté déchets Etat actuel des technologies combustible caractérist. ralentisst Fluide caloporteur 235U (0,7%) ou 239Pu neutrons lents oui (eau) eau 238U(99,3%) neutrons rapides non (pas d’eau) sodium Les problèmes des réacteurs nucléaires actuels (à fission) sont liés aux mots sûreté, réserves et déchets. Ce transparent rappelle les technologies des réacteurs actuels. Les PWR (réacteurs à neutrons lents) ne brûlent que de l’uranium -235 et du plutonium-239. Les réacteurs à neutrons rapide brûlent aussi l’uranium-238 (200 fois plus abondant que l’uranium 235). Actuellement, ils sont refroidis au sodium. Super-Phenix a été fermé à cause de la dangerosité liée à la grande masse de sodium (5000tonnes) qui y est utilisée. Phoenix est la seule installation de ce type qui subsiste aujourd’hui. Une question forte est celle de la possibilité de réaliser un réacteur rapide refroidi par un autre fluide que le sodium. Le transparent suivant évoque les potentialités pour le futur. Propositions: génération IV

15 …oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ?
- que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - le solaire (ressources immenses) - les autres sources renouvelables resteront marginales il pollue : séquestration CO2 nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? elle n’est pas réussie : la réussira-t-on? il est trop cher : que peut-on faire? …..et les rendements?... …...et le problème du stockage?... Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003: On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. …oui mais… 44

16 L’autre énergie nucléaire : la fusion (comme dans les étoiles)
les promesses de la fusion réserves infinies en deutérium ! peu de déchets un objectif encore non atteint des progrès constants mais lents deux voies possibles fusion inertielle densités atteintes:30 fois celle de l’eau tokamaks installations actuelles majeures en Europe: Méga-joule (Bordeaux) JET (Oxford) et Tore supra (Cadarache) installation prévue : ITER échéance : ans : c’est loin... Ce transparent concerne l ’autre façon de libérer de l ’énergie d ’origine nucléaire: la fusion entre noyaux léger (isotopes d ’hydrogène). L ’avantage majeur serait de résoudre définitivement le problème des réserves: le combustible (deutérium) est abondant dans l ’eau de mer. La difficulté est de réussir la fusion contrôlée. La solution considérée actuellement comme la plus prometteuse est celle des tokamaks. Les installations Jet et Tore Supra ont permis de beaucoup progresser, mais pour aller au delà et espérer réussir la fusion de façon rentable, il faut passer à une échelle supérieur: c ’est le projet Iter dont la taille implique une collaboration mondiale. Le schéma est une vue de Iter. Progresser sur ce sujet est un enjeu majeur de la physique des plasmas.

17 …oui mais… Pour le futur, on sait : Sur quoi peut-on compter ?
- que la consommation mondiale va croître - que le pétrole va s’épuiser rapidement Sur quoi peut-on compter ? - le charbon (réserves ultimes: 1400 ans) - le nucléaire (réacteurs rapides: réserves 14000ans) - la fusion (réserves infinies) - le solaire (ressources immenses) - les autres sources renouvelables resteront marginales il pollue : séquestration CO2 nécessaire il fait des déchets : peut-on les détruire? elle n’est pas réussie : la réussira-t-on? il est trop cher : que peut-on faire? …..et les rendements?... …...et le problème du stockage?... Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003: On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. …oui mais…

18 Le solaire : il est partout
Le point sur le solaire Le solaire : il est partout L’éolien : c’est du solaire La biomasse : c’est du solaire L’hydraulique : c’est du solaire La houle : c’est partiellt du solaire Le solaire : c’est du solaire Le pétrole, le gaz, .. c’est du solaire que la nature a su stocker Seules les marées (l’attraction lunaire) et la géothermie (la radioactivité de la terre) ne viennent pas du solaire… Proportions 1/10000 (<1%) 1 à 3% 3/10000 3/1000 100% dispersé concentré Puissances dispo Solaire* : W/m2 Géothermique : W/m2 Marées (France)**: 0,2W/m2 * Moyenne sur toute la planète au niveau du sol ** Côtes françaises rapportées à la surface du pays Ce transparent montre la place essentielle du solaire dans la vie de la planète. Les sources d’énergie renouvelables viennent en fait essentiellement du solaire. Origine des pourcentages donnés dans la case « rendements »: - éolien : potentiel: 50000TWh à comparer aux 109TWh totaux du soleil au niveau du sol. - Biomasse: les rendements au niveau de la croissance des plantes sont de 1% en zone tempérées et 2-3% en zone tropicale. Hydraulique: le potentiel hydraulique mondial est de 36000TWh total et de 14000TWh exploitables Houle: puissance de l’ordre de 1W/m2 (expérience menée en Ecosse sur une ferme de 30MW pour 20 km2: voir pour la Science, oct. 2004, p19); la puissance au niveau des côtes est de 50kW par mètre linéaire (marées et vagues). L’énergie thermique de la mer est 100 fois supérieure à celle des vagues. Puissances disponibles: Puissance solaire en haut de l’atmosphère: 1368W/m2 au zénith, 342W/m2 en moyenne dont 265 ne sont pas réfléchis vers l’espace. L’atmosphère et les nuages absorbent 67 W/m2. Marées: la puissance des vagues à la côte est de 50kW/mètre. On trouve 0,2W/m2 pour la France si on rapporte 2000km de côte active à km2 de surface. Les meilleures sources d’énergie renouvelable sont l’hydraulique (concentré) et le solaire lui-même.

19 Energies renouvelables et électricité (énergie totale)
Une comparaison avec nos voisins Pays France Allemagne Espagne Italie Danemark hydraulique 13% 3,2% 17,4% 15,9% 0,1% éolien 0,06% 5% 3,3% 0,5% 12% Photo-voltaïque 0,01% 0,02% 0,04% 0,003% biomasse 0,4% 0,9% 0,8% 3,5% géothermie 0,005% 0% 0,2% total 14% (5%)* 9% (4%)* 22% (8%)* 17% (6%)* 15% (6%)* Ce transparent se focalise sur la production d’électricité par énergie renouvelable. Il montre que, contrairement à des idées reçues la France n’est pas plus mal placée que les pays qui sont réputés écologiques et qui ont fait des efforts majeurs sur l’éolien. La raison tient au rôle fort de l’hydroélectrique en France. L’Allemagne semble même à la traîne. En effet sa production d’électricité éolienne en 2003 n’était que 25TWh, pour 20 TWh hydraulique. (La France fait environ 75TWh hydraulique). L’Allemagne a une puissance éolienne installée de l’ordre de 14000MW; le Danemark a une puissance installée de 3000MW. Les champs installés en mer dans les années concernent des éoliennes de 2MW et ils font chacun 160MW nominal. Il faut relativiser les pourcentages du Danemark. La production électrique totale du Danemark est de 40TWh, c’est-à-dire la moitié de la production hydroélectrique française. Des pays non mentionnés sur ce transparent font nettement mieux en renouvelable: ce sont la Suède, l’Autriche et le Portugal qui font respectivement 54%, 67% et 34% d’électricité hydraulique (chiffres 2001). Ces pourcentages sont calculés par rapport à l’électricité consommée (et non produite) dans le pays. Pour la France le chiffre hydraulique correspondant en 2001 est 16%. Il manque dans le transparent ci-dessus l’électricité produite à partir des déchets. Elle n’est pas vraiment écologique. Elle représentait 2,7% de l’électricité totale en Allemagne en 2002. * Corrections rendement incluses

20 Faites du chauffage solaire !
Le solaire thermique: Il est essentiel de le développer pour chauffer les habitations individuelles. Une maison de 100 m2 reçoit en moyenne plus de 20kW d’énergie solaire même au nord de la France (équivalent à 100 ampères au compteur électrique) On peut localement stocker la chaleur Brûler du gaz ou du pétrole pour assurer l’ensemble du chauffage et de l’eau sanitaire est un non-sens Se chauffer exclusivement à l’électricité fait partie du gaspillage : pour délivrer 1kWh de chaleur dans la maison, on gaspille 2kWh de plus dans une centrale électrique nucléaire Pour progresser, il faut : une incitation politique pour baisser les coûts d’investissement* (l’Etat et certaines régions le font déjà) *4000€ :eau chaude pour 4 personnes; 15000€ pour équiper (eau chaude+chauffage) un pavillon de 120m2: amortissement: 10ans. un développement au niveau industriel: design, normes, formation des architectes et service après vente Il n’y a pas de verrou technologique majeur. Faites du chauffage solaire ! 1,5m2 de capteur par personne = 60% de son eau chaude Sur le tableau du transparent précédent, les corrections de rendement sont: pour l’hydraulique, on rapporte la production hydraulique non pas aux 275Mtep d’énergie primaire consommée, mais à 75% de cette valeur car l’énergie utile (exclusion des pertes à la production des centrales nucléaires) représente 60+15% --60: tout ce qui ne passe pas par le vecteur électricité; 15: vecteur électricité-- de la consommation primaire totale). Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003 (source: ministère de l’industrie): On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep, soit 3300TWh. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep (marée motrice Rance: 0.05Mtep) Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. énergie totale des marées sur terre: 22000TWh (2Gtep) source: Ecrin sept 2004 Potentiel mondial des usines marée motrice : 100TWh ou 10Mtep

21 Le solaire photovoltaïque :
Son premier problème : le coût 1 kWh solaire = 30 c€ (raccordement au réseau) ou 60 c€ (non raccordement : problème du stockage) avec une durée de vie est de 25 ans. 1 kWh gaz ou nucléaire = 2,5 c€ Les améliorations possibles: augmentation des rendements (recherche d ’efficacité plus forte sur tout le spectre solaire) recherche sur des nouveaux matériaux: semiconducteurs organiques Tant qu’on ne sait pas stocker l’électricité cette solution restera marginale dans les pays développés Malgré tout les Allemands font un gros effort: 500MW actuellement installés; objectif de 5500MWcrête en 2010: opération toits. Prix d’achat: 62c€ par kWh Les leaders: les japonais Tous les toits du Japon moins de 1% de la consommation électrique (Japon) Ce transparent aborde le problème des coûts qui est un inconvénient majeur des énergies renouvelables. Le solaire est particulièrement concerné. Le coût du kWh est 10 fois le coût du kWh gaz ou nucléaire. Le surcoût est même pire si l’on doit ajouter des batteries pour stocker l ’énergie (cas du non-raccordement au réseau). Pour cela, la recherche doit trouver de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de production plus économiques. La figure du bas montre comment un effet loupe permet de réduire la surface de la cellule, donc de diminuer les coûts. Pour accroître les rendements on peut aussi empiler des couches minces adaptées aux diverses parties du spectre solaire ou faire appel à des matériaux nouveaux comme le diséléniure de cuivre et d ’indium. Des recherches sont très nécessaires sur la mise en œuvre de nouveaux matériaux moins onéreux. Les allemands font un gros effort. Il est prévu d’installer toits solaires d’ici à Il est dit que la puissance associée est 5500MW (5 réacteurs nucléaires), mais ceci n’est vrai qu’en crête, à midi les jours ensoleillés…Il faut réduire d’un facteur 5 pour donner des valeurs moyennes et d’un autre facteur 5 à cause du rendement des capteurs. Tout ceci est calculé pour des surfaces de toit couvertes de 50m2. Quant aux coûts d’installation, ils ne sont rentabilisés en 25 ans que si on considère le prix d’achat « boosté » à 14c€ qui est imposé par l’état à EDF. Si EDF achetait l’électricité solaire au coût de 2,5c€, il faudrait 140 ans pour retrouver sa mise….

22 Le second problème du solaire photovoltaïque est celui de l’intermittence qui pose le problème du stockage de l’électricité Ce problème est plus général : on a besoin de stocker l’énergie dans de nombreux cas… En particulier dans le cas des transports

23 Les transports disparition des carburants actuels
nécessité de moins polluer en ville essence artificielle produite à partir du charbon ? - non : car effet de serre rôle accru de l’électricité - on la produit comment ? Le nucléaire est le mieux placé hydrogène : un nouveau carburant mais ce n’est pas une source d’énergie production à partir du solaire, du charbon ou du nucléaire Sur le tableau du transparent précédent, les corrections de rendement sont: pour l’hydraulique, on rapporte la production hydraulique non pas aux 275Mtep d’énergie primaire consommée, mais à 75% de cette valeur car l’énergie utile (exclusion des pertes à la production des centrales nucléaires) représente 60+15% --60: tout ce qui ne passe pas par le vecteur électricité; 15: vecteur électricité-- de la consommation primaire totale). Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003 (source: ministère de l’industrie): On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep, soit 3300TWh. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep (marée motrice Rance: 0.05Mtep) Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. énergie totale des marées sur terre: 22000TWh (2Gtep) source: Ecrin sept 2004 Potentiel mondial des usines marée motrice : 100TWh ou 10Mtep

24 Demain l’hydrogène ? Production : rendement à améliorer
électrolyse thermoproduction bioproduction Source primaire solaire nucléaire Stockage (basse température) compression hydrures métalliques Utilisation pile à combustible combustion

25 Pour conclure… Contrairement à ce que l’on entend souvent sur les medias: Il n’y a pas de solution miracle L’avenir passe par le déclin du pétrole L’avenir passe par les ressources limitées des énergies renouvelables hors solaire A moyen terme, l’éolien va se développer L’avenir passe par des solutions complémentaires ajoutées les unes aux autres: l’eau chaude et le chauffage solaire doivent avoir toute leur place A plus long terme, il sera indispensable de faire appel au charbon, au solaire et au nucléaire* comme sources d’énergie, à l’hydrogène comme vecteur et moyen de stockage, (mais l’hydrogène s’imposera lentement…..) … et … à l’efficacité énergétique et aux économies d’énergie que nous pouvons tous réaliser dès aujourd’hui !!!! Savez-vous qu’une télévision en veille consomme plus que cette télévision allumée 3 heures par jour? Savez-vous que oublier une lampe allumée par français nécessite 3 à 4 réacteurs nucléaires? Savez-vous que prendre le train sur un trajet long coûte 10 fois moins d’énergie que prendre sa voiture (passager unique)? Savez-vous que l’on peut gagner un facteur 3 sur l’isolation thermique des habitations? * Les allemands n’arrêteront pas le nucléaire

26 20% de la population mondiale consomment 60% de l’énergie… que souhaitons-nous pour demain?
Devenons raisonnables : pensons à économiser ! Soyons raisonnables : l’avenir ne peut passer que par une complémentarité de modes de production tous imparfaits

27 La biomasse ne peut remplacer l’ensemble du pétrole
La biomasse c’est: Le bois Le biogaz (méthane ou Gaz Naturel Véhicules) Les huiles végétales (colza, tournesol) ou dérivés (diester ou Ester Méthylique d’Huile Végétale) L’alcool (betterave, canne, blé) ou dérivés (Ethyl Tertio Butyl Ether) La biomasse est insuffisante pour remplacer l’ensemble du pétrole Rendements: 1 à 2 tep/Ha pour biogaz ; 0,75 tep/Ha pour diester ou bioéthanol 10% des carburants routiers français à partir du diester ou du bioéthanol = 30 à 40% de l’ensemble des terres agricoles 50% des carburants routiers français = totalité de la forêt française 40% des carburants routiers mondiaux = ensemble des terres arables La montée de la production de bioéthanol Europe : objectif très ambitieux: mobilisation de 4 Mha en 2010 : 20Mtep de bioéthanol (8% de la consommation française; 7% de la surface de la France) Injection de ces biocarburants dans les carburants liquides (10%) Prix actuel: 3 fois le prix du pétrole Nécessité d’adapter les moteurs à ces carburants Nécessité de régler les questions d’ordre « purification » (cycle benzénique). Programme « énergie » au CNRS et au MRT La biomasse présente l’inconvénient de sa manipulation difficile. Les enjeux de recherche concernent donc la gazéification avec une production aussi faible que possible de déchets (mâchefer et goudrons). Le schéma du transparent ne doit bien sûr pas être regardé dans ses détails. Il montre seulement deux aspects : d ’une part le fait que le traitement de la biomasse n ’est pas simple mais doit être optimisé dans une démarche de recherche; d ’autre part que la gazéification de la biomasse n ’est pas dé corrélé du problème de l ’effet de serre dû au gaz carbonique. Données numériques: valorisation de tous les déchets ménagers, industriels et agricoles: 60 TWh/an de production électrique en France selon EDF (15% de la consommation électrique) Production naturelle de biomasse dans le monde: 71Gtep/an. Il faut 5 à 6 Mha consacrés aux biocarburants pour fournir 25% de la consommation nationale de carburant. 9Mha sont actuellement consacrés à la culture des céréales et 1,3Mha sont en jachère.

28 Les évolutions prévisibles de la biomasse
Eléments additionnels pour la France: Bioéthanol (ajout à l’essence) Défiscalisation 380€/m3 25000ha consacrés 309000ha de blé et 62000ha de betterave (3,9% des surfaces disponibles) nécessaires pour atteindre 5,75% en teneur de biocarburants Aide européenne : 45€ à l’hectare Diester (biodiesel) Défiscalisation 350€/ha 300000ha consacrés Montée possible à ha (selon la profession)

29 La croissance forte de l’éolien dans le monde et en France
La croissance forte de l’éolien dans le monde et en France (source : ADEME) Monde : croissance 30% par an 18000 MW installés en 2000 6000 MW ajoutés en 2001 Europe : 22000 MW début 2003 12000 MW en Allemagne 4144 MW en Espagne 2800 MW au Danemark France : 68 MW en 2000 sur une quinzaine de sites 147 MW fin 2002 300 MW sur 40 sites en 2003 4000 MW en 2006 12000 MW en 2010, c’est-à-dire de l’ordre de 5000 à grosses éoliennes (respect des 21%) potentiel français à terre: 70TWh (13% de l’électricité, 6% de l’énergie totale consommée*) *correction rendement incluse Ce transparent montre l’évolution forte des années passées et du futur proche dans le cas de l’éolien. En particulier, la France s’est engagée dans une construction massive d’éoliennes. Le passage à 21% d’électricité renouvelable implique la construction de 5000 à éoliennes de grande dimension compte tenu de la non disponibilité permanente du vent (le rapport puissance réelle sur puissance nominale est de 23% sur l’ensemble du parc mondial). Eolien: ressource mondiale: 57000TWh/an à comparer à TWh=10Gtep. Moitié off shore avec profondeur < 50m. Europe: 9% du potentiel mondial (5000TWh), mais 72% de la production ; production 2002: 50TWh. France: potentiel sur terre (10% des surfaces avec vitesse moyenne de vent > 6m/s): 30GW ou 66TWh; potentiel off shore (<30km des côte, <30m de profondeur): 30 GW ou 90TWh/an. Attention : le rendement moyen d’une éolienne n’est que de 23% Une éolienne de 750kW avec un vent de 15m/s (force 7) ne fait plus que 28kW à 5m/s (force 3)

30 La croissance forte de l’éolien dans le monde
Quelques autres données sur l’éolien : Puissance installée en Allemagne: 12000MW mais seulement moins de 6% de l’électricité objectif de 30% en 2020 (12%* énergie totale) projet de 200 éoliennes 5MW en mer Baltique Puissance installée au Danemark: 2800MW jusqu’à 20% de l’électricité, mais moins de 9%* de l’énergie totale consommée. Les dimensions : 600kW: mât de 28mètres diamètre de 30mètres 3MW (Dewi): mât de 92 mètres diamètre de 80 mètres Les prix : ils sont raisonnables (0,04-0,06€/kwh) Le développement du « off-shore »: projets 20 turbines de 1MW au large de Copenhague. 200 éoliennes de 5MW en mer Baltique Les pourcentages par rapport à l’énergie totale (primaire) sont corrigés pour les rendements thermodynamiques (voir le premier transparent).

31 Energies renouvelables et électricité (énergie totale)
Une comparaison avec nos voisins Pays tC-énerg/hab France 0,24 Allemagne 1,08 Espagne 0,74 Italie 0,66 Danemark** 1,38 hydraulique 13% 3,2% 17,4% 15,9% 0,1% éolien 0,06% 5% 3,3% 0,5% 12% Photo-voltaïque 0,01% 0,02% 0,04% 0,003% biomasse 0,4% 0,9% 0,8% 3,5% géothermie 0,005% 0% 0,2% total 14% (3%)* 9% (2%)* 22% (5%)* 17% (4%)* 15% (3%)* On ajoute ici les données sur la production de CO2 par habitant liée à la production d’énergie. On voit que le Danemark est très mal placé. La raison en est que les centrales qui doublent les éoliennes sont des centrales sales. L’Allemagne est pénalisée par les centrales au charbon de l’Allemagne de l’Est. **Pays très émetteur de gaz à effet de serre; chiffres 1999 * Corrections rendement incluses

32 Le solaire photovoltaïque :
Son premier problème : le coût 1 kWh solaire = 30 c€ (raccordement au réseau) ou 60 c€ (non raccordement : problème du stockage) avec une durée de vie est de 25 ans. 1 kWh gaz ou nucléaire = 2,5 c€ Les améliorations possibles: augmentation des rendements (recherche d ’efficacité plus forte sur tout le spectre solaire) recherche sur des nouveaux matériaux: CdTe Semiconducteurs organiques Silicium micro-cristallin couches minces (CIS) nouvelles méthodes de production des capteurs actuels au Si: procédé à « lit fluidisé » coulée continue en creuset froid cellules à concentration Tant qu’on ne sait pas stocker l’électricité cette solution restera marginale dans les pays développés Malgré tout les Allemands font un gros effort: 500MW actuellement installés; objectif de 5500MWcrête en 2010; toits. Prix d’achat: 62c€ par kWh Coût d’installation pour un pavillon de 120m2: 40000€; amortissement: 40 ans, sur une base de 9c€ par kWh (prix de vente EDF) Les leaders: les japonais Tous les toits du Japon moins de 1% de la consommation électrique (Japon) Ce transparent aborde le problème des coûts qui est un inconvénient majeur des énergies renouvelables. Le solaire est particulièrement concerné. Le coût du kWh est 10 fois le coût du kWh gaz ou nucléaire. Le surcoût est même pire si l’on doit ajouter des batteries pour stocker l ’énergie (cas du non-raccordement au réseau). Pour cela, la recherche doit trouver de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de production plus économiques. La figure du bas montre comment un effet loupe permet de réduire la surface de la cellule, donc de diminuer les coûts. Pour accroître les rendements on peut aussi empiler des couches minces adaptées aux diverses parties du spectre solaire ou faire appel à des matériaux nouveaux comme le diséléniure de cuivre et d ’indium. Des recherches sont très nécessaires sur la mise en œuvre de nouveaux matériaux moins onéreux. Les allemands font un gros effort. Il est prévu d’installer toits solaires d’ici à Il est dit que la puissance associée est 5500MW (5 réacteurs nucléaires), mais ceci n’est vrai qu’en crête, à midi les jours ensoleillés…Il faut réduire d’un facteur 5 pour donner des valeurs moyennes et d’un autre facteur 5 à cause du rendement des capteurs. Tout ceci est calculé pour des surfaces de toit couvertes de 50m2. Quant aux coûts d’installation, ils ne sont rentabilisés en 25 ans que si on considère le prix d’achat « boosté » à 14c€ qui est imposé par l’état à EDF. Si EDF achetait l’électricité solaire au coût de 2,5c€, il faudrait 140 ans pour retrouver sa mise….

33 Quelques réflexions sur la consommation totale
Peut-on réduire la consommation totale ? Au niveau du monde: la réponse est clairement : non Au niveau de la France : un facteur 2 ? chauffage et climatisation: ● isolation optimale des habitations : ce sera long… ● utilisation raisonnable de la climatisation… choix des équipements: ● lampes basse consommation ● optimisation des appareillages (classe des appareils, non-utilisation de veille des téléviseurs…, extinction des appareils non utilisés) choix des moyens de transport et des lieux d’habitat: ● privilégier les transports en commun et le ferroutage ● ne pas prendre sa voiture pour rien… ● proximité des lieux de vie et de travail ● ne pas privilégier les vacances lointaines… Sur le tableau du transparent précédent, les corrections de rendement sont: pour l’hydraulique, on rapporte la production hydraulique non pas aux 275Mtep d’énergie primaire consommée, mais à 75% de cette valeur car l’énergie utile (exclusion des pertes à la production des centrales nucléaires) représente 60+15% --60: tout ce qui ne passe pas par le vecteur électricité; 15: vecteur électricité-- de la consommation primaire totale). Quelques données numériques sur la production de renouvelables en France en 2003 (source: ministère de l’industrie): On rappelle que la consommation totale primaire est en France de 275Mtep, soit 3300TWh. Production géothermique: 0,2Mtep Hydraulique: 6Mtep (marée motrice Rance: 0.05Mtep) Bois + déchets de bois: 9Mtep Total énergies renouvelables : 18 Mtep Puissance installée en éolien: 230 MW Déchets urbains: 13TWh ; équivalent à 1Mtep Solaire photovoltaïque installé: 20MW Solaire chaleur: m2 de capteurs thermiques (0,02Mtep) Économies d’énergie: 7Mtep par an après 10 ans d’efforts. énergie totale des marées sur terre: 22000TWh (2Gtep) source: Ecrin sept 2004 Potentiel mondial des usines marée motrice : 100TWh ou 10Mtep Réduire la consommation nécessiterait : un changement de mentalité (ne voit-on pas souvent l’inverse?) - un changement dans les structures de l’habitat

34 Energie: comment la consomme-t-on?
Evolutions de consommation sur les 30 dernières années Sur ce transparent, on montre les évolutions des consommations en France sur 30 ans. Il y apparaît que les transports explosent (doublement du parc automobile). La part du tertiaire a relativement moins augmenté si l’on note que les surfaces construites ont doublé. Une meilleure isolation y est sans doute pour quelque chose. La consommation énergétique de l’industrie a baissé, ce qui révèle des efforts de rationalisation. La production et la consommation d’électricité a beaucoup augmenté et cela pour les particuliers et les industriels. L’électricité nucléaire y est sans doute pour beaucoup. D’ailleurs, la consommation totale a beaucoup plus augmenté en France que dans les pays voisins. C’est un effet négatif de la politique d’EDF. On retrouve un phénomène analogue en Norvège. L’énergie peu chère y a conduit à du gaspillage. 18