Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 1 Energie-environnement et technologies de loffre: prospective 2050 avec le modèle POLES.

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1 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 1 Energie-environnement et technologies de loffre: prospective 2050 avec le modèle POLES

2 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 2 La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030 La problématique à 2050: prise en compte des innovations radicales Base de Données Techs-DB pour la modélisation et laide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener) Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires

3 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 3 La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030 La problématique à 2050: prise en compte des innovations radicales Base de Données Techs-DB pour la modélisation et laide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener) Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires

4 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 4 POLES : Large scale power technologies

5 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 5 POLES : New and Renewable technologies

6 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 6 Dans POLES la courbe d apprentissage conventionnelle: COST = A * CUMCAP -b est remplacée par une courbe deux facteurs... Intégrant aussi la recherche cumulée (publique et privée): COST = A * CUMCAP -b * (CGERD+CBERD) -c avec variable éxogène variable endogène La « courbe d apprentissage à deux facteurs » (TFLC) dans POLES

7 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 7 Analyse des budgets de R&D Energie selon lAIE

8 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 8 Four key technology portfolios (From J. Pershing, IFRI-RFF seminar, March 2003) 550 M$/yr 200 M$/yr 400 M$/yr 300 M$/yr 200 M$/yr 2.4 G$ - 74 % of NCEP 2010 proposal 300 M$/yr 450 M$/yr

9 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 9 La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030 La problématique à 2050: prise en compte des innovations radicales Base de Données Techs-DB pour la modélisation et laide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener) Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires

10 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 10 Des innovations incrémentales aux innovations radicales et changemts. struct. Urbanisation Transmater. Changements structurels (WETO-H2 …) Modèle POLES 2030-2050 Scénarios: Référence Stabilisation IPTS Modèles Détaillés TRANSPORT SIDERURGIE H2 + CCS Véh. TBE Bat. TBE Technologies (Facteur 4 …) ULCOS

11 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 11 Léconomie de lhydrogène dans le modèle POLES

12 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 12 11 Hydrogen technologies 2 x 2 End-use technologies Hydrogen Fuel-Cells for stationary uses (+Natural Gas FC) HFC, GFC Hydrogen Fuel-Cell Vehicles (+Methanol FCV), FCVH, FCVM 10 H2 Production technologies Hydrogen from Gas Steam ReformingGSR Gas Steam Reforming with CO2 SequestrationGSS Coal Partial OxidationCPO Coal Partial Oxidation with CO2 Sequestration CPS Biomass PyrolysisBPY Solar High-temp. Thermochemical cyclesSHT Nuclear High-temp. Thermochemical cyclesNHT Water Electrolysis, dedicated Nuclear power plantWEN Water Electrolysis, dedicated Wind power plant WEW Water Electrolysis, baseload electricity from Grid WEG

13 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 13 5 Carbon Capture & Sequestration options Electricity technologies PFC + CCS => PSS Pulverized fuel Supercritical with CCS ICG + CCS => CGS Integrated Coal Gasification with CCS GGC + CCS => GGS Gas powered Gas turbine in combined cycle with CCS Hydrogen technologies GSR+CCS => GSS Gas Steam reforming with CCS CPO+CCS => CPS Coal Partial oxidation with CCS

14 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 14 Les véhicules TBE (Très Basse Energie)

15 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 15 Parts de marché des différentes technologies TBE dans le Transport - France

16 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 16 Secteur résidentiel-tertiaire, création de 3 types de bâtiments: -Standard = moyenne des consommations du pays/région avec progrès technique -Basse Consommation (neuf et réhabilitation thermique), 50 % de la consommation standard -Très Basse Consommation (neuf), 1/3 de la consommation standard dans les régions en développement, 1/4 dans les pays industrialisés Diffusion en fonction du retour sur investissement de léconomie réalisée Sous contrainte de renouvellement des parcs Les batiments TBE (Très Basse Energie)

17 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 17 Parts de marché des bâtiments TBE dans le résidentiel - France

18 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 18 La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030 La problématique à 2050: prise en compte des innovations radicales Base de Données Techs-DB pour la modélisation et laide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener) Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires

19 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 19 Techs-DB: vers une harmonisation des évaluations de coût des technologies Observé ? Des écarts importants

20 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 20 Techs-DB, coûts de référence de lélectricité: du bi- au tri- dimensionnel invest. / combust. / valeur du C

21 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 21 Techs-DB, la quatrième dimension: fondamentaux de la production dhydrogène

22 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 22 Techs-DB – POLES: H2 production costs (fuel prices from Reference, no CO2 penalty)

23 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 23 Lobservatoire des technologies énergétiques Dans le cadre du programme Energie du CNRS et du projet de maison de lénergie de lINPG LObservatoire des technologies énergétiques abritera la base Techs-DB du LEPII-EPE Visant à rassembler les informations de coût et de performance sur une cinquantaine de technologies génériques

24 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 24 La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030 La problématique à 2050: prise en compte des innovations radicales Base de Données Techs-DB pour la modélisation et laide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener) Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires

25 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 25 La production dHydrogène La contrainte carbone (en /tCO2) sera déterminante pour la compétitivité des différentes options de production, la production à partir des fossiles implique la séquestration Loption Gaz ne devrait être que transitoire (prix du gaz) Resteraient en compétition les options Charbon + CSC, Biomasse, Eolien et Nucléaire dédié (de 600 /toe à 400 en 2050 ? NB: 50 $/bl = 350 /toe) Aux USA les « roadmaps » ne font apparaître que les deux premières options, mais annonces / Electrolyse à Haute Température avec Nucléaire

26 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 26 Le transport Ramené à la tep, le coût de transport pourrait représenter de 25 à 50 % du coût de production (en 2050) La difficulté est denclencher le cercle vertueux des « rendements croissants » (les réseaux élec. et gaz ont été développés dans un environnement dit de « monopole naturel ») Le problème est donc celui du financement dune nouvelle infrastructure de réseau dans un environnement institutionnel libéralisé, avec coûts initiaux élevés mais décroissants

27 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 27 Les marchés Sur le marché du stationnaire lhydrogène devra affronter la concurrence de lélectricité: +LHydrogène peut alimenter des systèmes de production distribuée en cogénération +Soit en combustion directe (micro-turbines, mélange HyNat), soit en PACO (dans ce cas, un coût dinvestissement de 500 /kWe ne représente que 1/10ème du coût actuel) -Mais les bâtiments basse-énergie (ou Facteur 4) seront peu favorables à des solutions à fort investissement -Lefficacité technique et économique de la chaîne « électricité > H2 > électricité » reste à démontrer …

28 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 28 Les marchés Sur le marché des transports: +LHydrogène peut remplacer le pétrole pour les véhicules particuliers et utilitaires et constituer une alternative de long terme au pétrole +Soit en combustion directe (solution BMW), soit en PACO (quel % à quel horizon de temps ?) -Mais dans ce cas un coût dinvestissement de 50 /kWe représente 1/100ème du coût actuel (moteur thermique = 3000 pour 60 kWe) -Le véhicule H2 devra aussi affronter la concurrence des hybrides rechargeables et des véhicules électriques 100% batterie

29 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 29 Scénarios pour lhydrogène (WETO-H2) Lhydrogène devra relever deux défis: -celui de lapport dune véritable valeur ajoutée / élec -celui de la construction dune infrastructure lourde (10s G$) en univers incertain … et libéralisé Pour la production deux scénarios sont possibles: -Le scénario américain (et chinois) de la production par centrale charbon avec CSC (électricité chère, avantage de cogen distribuée sans CO2) -Le scénario européen « RENUC » électricité bon marché mais H2 stockage dans le complexe électrique (décentralisé ? centralisé saisonnier ?) LHydrogène se développera-t-il ? Peut-on imaginer une cohabitation des différentes voies: -C aux US, Chine, Inde -NUC en F, EurEst, ChineREN dans reste Europe Ou au contraire un seul modèle dominant ???

30 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 30 La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030 La problématique à 2050: prise en compte des innovations radicales Base de Données Techs-DB pour la modélisation et laide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener) Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires

31 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 31 POLES : Processus de découverte Pétrole et Gaz Ressources Récup. ULtimes = Pétrole en place X Taux de Récup. Les découvertes, fonction à rendement décroissant de l effort de forage Réserves = Découvertes - Production Cumulée Prix du pétrole = f(Réserves/Production) Pétroles non conventionnels = f(prix petr)

32 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 32 Référence 2050: retour du charbon, pics pétrolier et gazier Dans le scénario de référence, la tension croissante sur les hydrocarbures se traduit par un prix de 60 $/bl en 2050

33 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 33 En 2050, les réductions démission atteignent respectivement 35 et 60 % par rapport à la référence IMAGE 2.2 Les profils S550 et S650 tous gaz (S450-S550 CO2) dans létude GRP pour la DG ENV

34 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 34 Les dotations internationales de droits démission à 2050 Pour les profils globaux de létude GRP et des dotations « Multi-Stage », on peut retenir les ordres de grandeur suivants :

35 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 35 550e-F4 : Impacts sur la consommation mondiale dénergie u La consommation primaire mondiale passe de 24 (Ref) à 12 Gtep u Près des deux tiers de lapprov. sont assurés par les renouvelables et le nucléaire

36 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 36 La séquestration se généralise dans la production délectricité entre 2020 et 2030

37 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 37 Fundamentals of electricity costs from Techs-DB

38 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 38 Consommation mondiale de liquides

39 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 39 F4-2: Prix internationaux u Dans le scénario prix endogène, la sortie des énergies fossiles se traduit par une stabilisation des prix internat. u Le prix du pétrole plafonne à 23 $ en 2020, et baisse ensuite

40 Programme Energie du CNRSNogent, 20 Janvier 2005 40 Les transitions énergétiques: propos détape Au-delà de 2020-2030, la poursuite du développement énergétique imposera des innovations radicales Il est certain que les solutions feront appel à quatre clusters: 1/ technologies TBE, Très Basse Energie 2/ Energies Renouvelables 3/ Nucléaire III et IV 4/ H2 et/ou Elec avec séquestration A lintérieur des clusters il est impossible aujourdhui de sélectionner les gagnants (pick the winners) Trois transitions se superposeront, en interdépendance dynamique: 1/ Peak Oil 2/ Stabilisation GES 3/ Matériaux fissiles Lenjeu pour la recherche et de tenter dappréhender les dynamiques relatives de progrès technique et de contrainte de ressource/émission