Transition fossiles → renouvelables - Les ruptures possibles

Présentation au sujet: "Transition fossiles → renouvelables - Les ruptures possibles"— Transcription de la présentation:

0 Transition fossiles→ renouvelables – Les ruptures possibles
Alexandre ROJEY Je vais à présent essayer de présenter quelques possibilités de ruptures technologiques dans le domaine des énergies renouvelables et esquisser un scénario de transition des énergies fossiles vers les énergies renouvelables

1 Transition fossiles → renouvelables - Les ruptures possibles
La situation actuelle Les ruptures possibles: - Biomasse - Eolien - Solaire Transmission et stockage d’énergie associés Je vais d’abord rappeler la situation de départ. Je vais ensuite présenter quelques ruptures possibles dans les trois domaines, qui me paraissent les plus à même d’évoluer rapidement dans le futur: la biomasse, l’éolien et le solaire. Je terminerai en présentant les transformations envisageable dans les technologies de transport et de stockage d’énergie associées aux renouvelables.

2 La situation actuelle: une part des énergies renouvelables encore très faible
1% 2% 10% 6% 81% Les combustibles fossiles représentent environ 80% de la fourniture d'énergie primaire et si on suit les tendances actuelles , cette part devrait peu évoluer dans les années à venir, selon le scénario de référence de l'AIE. L'alternative est de passer à des énergies non carbonées, nucléaire et renouvelables.. Il faut donc opérer une transition, en passant d'un système dominé par les combustibles fossiles à un système qui serait dominé par des énergies alternatives non fossiles. En pratique, il s'avère que ce changement ne peut pas être immédiat. En effet, il faut voir que les alternatives qui pourraient progresser le plus rapidement dans l'avenir ne représentent qu'une part très faible de la fourniture totale d'énergie. Le nucléaire représente 16% de la fourniture mondiale d'électricité et seulement de l'ordre de 6% de la fourniture d'énergie primaire. Le solaire et l'éolien ne représentent que 1% de cette fourniture. La biomasse fournit 10% environ de cette énergie, mais en fait elle est largement utilisée dans des pays du tiers monde dans des conditions qui sont souvent loin d'être vraiment satisfaisantes Source: AIE

3 Mais une progression très rapide
En 2009, financements dans le secteur des “cleantechs”: G $ Génération d’énergie renouvelable: 119 G $ Développements R&D: G $ Energie éolienne: G $ Energie solaire: G $ Investissements en Europe (44 G $, en baisse), et aux Etats-Unis, mais de plus en plus dans les pays émergents (3G $ en Chine) MW 21000 7300 2010 Eolien: GWc (2010) Solaire thermique: GWc (2008) Solaire photovoltaïque: 21 GWc (2010) La part de la fourniture d’énergie assurée par les renouvelables reste donc très faible, mais la progression, cde ces énergies est rapide, notamment dans les secteurs de l’éolien et du solaire.

4 Contribution potentielle des énergies renouvelables
Ce diagramme présente la contribution potentielle de différentes sources d’énergie renouvelable. Il présente à la fois la quantité totale d’énergie mise en jeu et la quantité d’énergie que les auteurs de l’étude considèrent comme effectivement exploitable Ces contributions potentielles sont rapportées à une consommation de 300 EJ/an (= J = 7,2 Gtep/an)., proche de la consommation mondiale actuelle, qui est à présent un peu plus élevée, la consommation finale d’énergie ayant été en 2007 au niveau mondialde 8,2 Gtep (12 Gtep de production d’énergie primaire). On voit que les contributions potentiellement les plus importantes sont sans conteste le solaire et l’éolien. Le solaire peut en principe assurer facilement la totalité de la consommation d’énergie mondiale. En ce qui concerne la troisième place, la biomasse et la géothermie peuvent être en compétition. Toutefois, compte-tenu des progrès actuels de la biochimie, les possibilités de rupture paraissent nettement plus importantes dans le cas de la biomasse que dans celui de la géothermie.

5 Solaire, éolien, biomasse: principal potentiel de développement
Géothermie Energie des mers (courants, vagues, thermique) Hydraulique En ce qui concerne l’analyse des ruptures possibles, je vais donc me concentrer sur les cas du solaire, de l »éolien et de la biomasse. La géothermie et les énergies marines apparaissent à l’heure actuelle comme des sources d’énergie marginales ou d’intérêt régional, qui ne semblent pas se prêter à un développement rapide et massif. L’hydraulique représente un domaine exploité depuis très longtemps, techniquement mature et dont la part dans la fourniture d’énergie primaire tend à diminuer, même si la capacité de production augmente en valeur absolue. La biomasse d’une part, le solaire et l’éolien d’autre part présentent des caractéristiques très différentes .

6 La biomasse au centre de l’économie de demain?
La biomasse est relativement facile à transporter et à stocker → c’est le substitut le plus direct aux combustibles fossiles La biomasse est relativement facile à transporter et à stocker et c’est donc le substitut le plus direct aux combustibles fossiles Le carbone de la biomasse est considéré comme recyclé, étant donné qu’il est capté dans l’atmosphère. La combustion de la biomasse est considérée comme neutre en bilan carbone. Dans l’avenir, la biomasse pourrait ainsi prendre une place croissante pour la production d’énergie, mais aussi en chimie.

7 Solaire et éolien: énergies diffuses et intermittentes
Puissance Centralisée 1 GW Nucléaire Centrale à concentration, Tour solaire Facteur de disponibilité Centrale hydroélectrique 0,1 0,25 1 MW 1 0,5 0,75 Continue Intermittente Les énergies éolienne et solaire sont diffuses et intermittentes. Sur ce diagramme, est représenté en abscisse le taux de disponibilité, c'est à dire le rapport de la puissance moyenne disponible sur la puissance nominale ou puissance crête installée. Ce rapport est de l'ordre de 0,15 pour le solaire, de 0,3 pour l'éolien, de 0,5 pour l'hydraulique. Il se rapproche de 1 pour la géothermie et bien sûr le nucléaire. En ordonnée est représentée la puissance unitaire des installations; elle est de l'ordre de quelques dizaines de kW pour le solaire photovoltaïque, de l'ordre du MW pour les éoliennes de quelques centaines de MW pour l'hydraulique; il faut noter que l'on peut envisager des installations solaires de grande puissance, comme par exemple le projet de tour solaire en Australie, ou certains projets de centrales à concentration.. Energie solaire et éolienne apparaissent comme des formes d’énergie intermittentes et décentralisées. Ceci est particulièrement vrai pour l’électricité d’origine photovoltaïque qui devrait se déployer principalement en occupant les toits des habitations. Eoliennes Energie géothermale Cellules photovoltaïques 1 kW Decentralisée

8 Les ruptures à venir Par définition, impossibles à prédire,
mais potentialités et critères d’évolution Biomasse: minimiser l’empreinte en surface de sols cultivables ou espaces naturels Eolien et solaire: - Minimiser la quantité de matière nécessaire par kW produit - Développer des moyens de stockage d’énergie fiables et économiques Les ruptures à venir sont par définition impossibles à prévoir, mais on peut tout de même essayer d’évaluer les potentialités et les potentialités d’évolution en fonction de quelques critères simples. Une rupture significative devra permettre de lever ce qui apparait à l’heure actuelle comme un verrou majeur . Dans le cas de la biomasse, il s’agit de minimiser l’empreinte en surface nécessaire pour produire la biomasse qui est convertie en énergie, en augmentant la productivité par un ordre de grandeur ou en évitant d’exploiter à cet effet des sols cultivables. Dans le cas du solaire et de l’éolien, pour réduire les coûts il s’agit de minimiser la masse d’équipements nécessaire par kW produit. L’autre domaine dans lequel des ruptures sont requises est celui du stockage d’énergie.

9 Biomasse - évolution actuelle: exploiter déchets et biomasse lignocellulosique
Biomasse énergie: chaleur et électricité Carburants de première génération Esters d'huiles végétales – éthanol ex plantes sucrières Carburants de deuxième génération Éthanol et hydrocarbures de synthèse ex biomasse lignocellulosique La biomasse peut être utilisée pour produire de la chaleur dans une chaudière ou un four, de l’électricité dans une centrale thermique, de l’électricité et de la chaleur dans une centrale à cogénération. Dans le cas du transport, les biocarburants représentent typiquement une solution de transition, dans la mesure où ils permettent de se substituer aux hydrocarbures, sans nécessiter de transformations majeures du moteur. Un carburant Diesel peut être fourni par esterification à partir d'huiles végétales. Toutefois, si on veut introduire une fraction substantielle de biocarburants, disons au delà de 5 à 6% de l'ensemble des biocarburants utilisés, il faut utiliser des procédés, dits de deuxième génération, permettant de produire des biocarburants à partir de la fraction de la plante qui n'est pas utilisable pour l'alimentation humaine, c'est à dire la fraction lignocellulosique, qui est présente dans le bois ou les tiges des plantes. Les biocarburants représentent donc une voie intéressante, qui permet de diversifier les approvisionnements énergétiques et d'améliorer le bilan CO2, mais à condition de respecter des critères de durabilité et en particulier de veiller aux conditions dans lesquelles la biomasse est produite.

10 Ruptures possibles: photobioréacteurs
Photosynthèse chlorophyllienne (microalgues): → recyclage CO2 Biohydrogène Autres réactions de photosynthèse (biochimiques ou non) (photosynthèse artificielle) Association possible avec systèmes à concentration (dont lentilles de Fresnel) Les progrès dans le domaine de la biochimie rendent vraisemblables un certain nombre de ruptures technologiques dans ce domaine. Je vais me contenter de citer quelques exemples de rupture possibles: - Tout d’abord bien sûr les micro-algues; pour le moment, on est encore loin de la rentabilité économique pour la production d’énergie ou de biocarburants, mais les micro-algues présentent de l’intérêt par ailleurs pour l’obtention de produits à haute valeur ajoutée. L’intérêt des micro-algues est de pouvoir les produire sur des terrains non cultivables. On peut aussi envisager le développement de nouvelles voies de production de biohydrogène à partir de déchets végétaux et organiques. On peut également imaginer des ruptures permettant de mettre au point de nouvelles réactions de photosynthèse et ainsi de mettre au point des systèmes de photosynthèse artificielle Enfin, on peut associer des réacteurs photochimiques à des systèmes à concentration pour améliorer le rendement.

11 Eoliennes: une taille limite?
Des pales de plus en plus fines pour des surfaces balayées de plus en plus grandes La taille des éoliennes croit constamment, pour bénéficier d’un effet d’échelle. Les grandes éoliennes atteignent à présent des puissances de 2,5 MW , pour une envergure de 80 m. Deux éoliennes géantes , dont le diamètre de rotor atteint 100 m pour une puissance d’environ 3 MW, ont été installées en Allemagne. Des projets de machines dont les diamètres de rotor atteindraient 160 m, pour une puissance de 10 MW sont en développement. On peut penser que l’on est en train d’arriver à une taille limite avec de pareils monstres et que les ruptures à venir permettront d’exploiter des équipements de taille plus raisonnable.

12 Eoliennes: ruptures possibles
Nouveaux concepts d’éoliennes flottantes Eoliennes cerfs-volants: projet KiteGen Eoliennes aérostatiques: projet MARS Eolienne MHD? J’ai identifié les possibilités de rupture suivantes dans le domaine des éoliennes; Nouveaux concepts d’éoliennes flottantes: je ne vais pas détailler les options possibles, qui sont nombreuses, mais tout ce domaine se rattache à l’action qui est menée dans le secteur de l’offshore pétrolier On trouve ensuite les projets d’éoliennes à haute altitude sans mât. L’intérêt est double: d’une part alléger la structure et d’autre part de pouvoir bénéficier de vents plus réguliers en haute altitude. Il existe déjà le projet KiteGen, qui exploite un concept assez rudimentaire de grande toupie placée au sol entrainée par un ensemble de cerfs volants, mais on peut imaginer des concepts plus élaborés. Un système qui parait plus prometteur est celui de l’éolienne aérostatique, gonflée à l’hélium et entrainée en rotation. C’est le projet MARS Enfin on peut imaginer un dispositif qui pour le moment n’est que de la science –fiction est qui est un concept d’éolienne sans rotor; on fait passer à l’intérieur de boucles conductrice de l’air chargé électriquement, ce qui permet de générer un courant.

13 Solaire thermique et à concentration
Capteur thermique plan → revêtements sélectifs Centrales cylindro-paraboliques- réflecteurs de Fresnel Centrales à miroirs orientés Réductions de coût par effet d’apprentissage. Pas de ruptures majeures prévisibles? Le solaire thermique est déjà largement diffusé sous forme de capteurs, notamment pour la production d’eau chaude sanitaire. Il existe des projets de grande envergure de centrales thermiques à concentration sous différentes formes: à capteurs cylindro-paraboliques ou à tours. Il est beaucoup question du projet Desertec. Toutefois, c’est un domaine qui ne me parait pas avoir véritablement évolué en dehors peut-être de l’introduction de réflecteurs de Fresnel et je n’ai pas pour ma part identifié la possibilité de ruptures majeures. Peut-être tout à l’heure des avis différents seront exprimés et c’est la raison pour laquelle j’ai ajouté un point d’interrogation. Lentille de Fresnel

14 Systèmes photovoltaïques
Silicium monocristallin Silicium polycristallin Couches minces (silicium amorphe) Couches minces (CdTe, CIS) La plupart des cellules photovoltaïques actuelles sont réalisées à partir de silicium monocristallin. Le rendement obtenu peut atteindre en laboratoire près de 25%. En pratique, il se situe entre 12 et 20%. En utilisant du silicium polycristallin, on réduit le coût par m2 de capteur, mais le rendement obtenu est moindre. Il se situe pour un module commercial entre 12 et 14%. Les couches minces sont obtenues en déposant des couches dont l’épaisseur ne dépasse pas en général 1μ. On peut notamment réaliser des couches minces de silicium amorphe, dont le rendement se situe entre 6 et 7%, mais qui permettent de convertir en électricité la lumière diffuse, contrairement aux cellules à silicium cristallin. Des travaux de développement portent actuellement sur des couches minces mettant en œuvre des éléments autres que de silicium: couches minces à base de tellure de cadmium (CdTe) et à base de cuivre, indium et sélénium (CIS) On espère dans l’avenir pouvoir augmenter le rendement en utilisant des cellules multijonctions, sur lesquelles sont déposées des couches minces actives dans différents domaines de longueur d’(onde. Enfin, de nouveaux types de cellules, entièrement organiques sont en développement. Les rendements obtenus sont encore faibles, mais progressent rapidement.

15 Solaire photovoltaïque*
L'ensemble des progrès réalisés dans le domaine des photopiles conduisent à une baisse constante du coût du kWh produit par les photopiles. On estime que ce coût est divisé par un facteur de l'ordre de 2 tous les 10 ans. Il se situe actuellement entre environ 0,25 €/kWh pour l'Europe du sud et 0,50 €/ kWh pour l'Europe du Nord. Il reste à gagner un facteur proche de 10 pour arriver au même niveau que les solutions de production centralisée existantes. Si on prend en compte une augmentation du prix de l'énergie dans l'avenir et une pénalité carbone pour les centrales à combustible fossile, la compétitivité pourrait être assurée d'ici D'ici là, le marché va se développer sur des bases différentes: d'une part, auprès de particuliers prêts à équiper leur habitation, à condition de disposer d'une incitation suffisante et d'autre part d'industriels et de collectivités confrontés à la nécessité d'améliorer leur bilan carbone. * Source EdF

16 Evolution du rendement des cellules photovoltaïques
Le rendement de conversion représente un facteur économique important, car il est plus facile de rentabiliser un capteur dont le rendement est élevé et qui de ce fait pour des conditions imposées produit davantage de courant. La figure montre la progression des rendements obtenus avec différents types de capteurs photovoltaïques au cours de ces dernières années. Une des possibilités pour atteindre des rendements très élevés consiste à associer un capteur photovoltaïque à un système à concentration.

17 Ruptures possibles: capteurs photovoltaïques
Couches minces → revêtements épaisseur moléculaire Couches multi-jonctions (et à concentrateurs) Membranes souples Cellules organiques? Couche de 1 mm = qques kg / m2 1μ = qques g/m2 1 nm = qques μg / m2 (1 μg d’or fin = 3 c) Le secteur des capteurs photovoltaïques se préte à différents types de rupture, et dès à présent, on voit poindre un certain nombre de possibilités intéressantes: Dans le domaine des couches minces, on peut aller vers des revêtements dont l’épaisseur se rapprocherait de l’épaisseur moléculaire L’étape suivante consiste à réaliser des couches minces multi-jonctions pour augmenter le rendement. On peut réaliser des membranes souples On voit aussi que des concepts entièrement nouveaux comme celui des membranes organiques peuvent progresser rapidement.

18 Transmission et stockage d’énergie
Systèmes décentralisés: réseaux Intelligents – La révolution des NTIC Le stockage d’énergie: une nécessité absolue pour aller vers un taux de pénétration élevé des renouvelables Coûts élevés, rendements limités, fiabilité parfois insuffisante: le principal point d’achoppement actuel Le caractère décentralisé et intermittent des énergies renouvelables entraîne la nécessité de nouveaux types de réseaux de transmission, qui doivent être des réseaux intelligents capables de gérer des situations beaucoup plus complexes que dans le passé et c’est un domaine dans lequel les nouvelles technologies de l’information et de la communication, les NTIC sont en train d’effectuer une révolution. Pour l’avenir la mise au point de systèmes de stockage d’énergie performants et économiques représente toutefois le facteur de rupture le plus critique.

19 Systèmes de stockage énergétique de grande puissance
L’intermittence des systèmes de production d’électricité utilisant une énergie renouvelable (solaire, éolien), peut être compensée en modulant la puissance d’une centrale thermique opérant en back-up (telle qu’une centrale à cycle combiné). Pour augmenter le niveau de pénétration des énergies renouvelables, il faudra dans l’avenir recourir à des systèmes de stockage d’énergie de grande capacité. Le type de dispositif sélectionné pour assurer le stockage peut être caractérisé d’une part par le niveau de puissance qu’il permet d’atteindre et par le temps de réponse (discharge time)

20 Ruptures possibles: stockage d’énergie
Sites artificiels de stockage gravitaire hydraulique Stockage hydropneumatique à compression- détente isotherme Batteries à électrodes liquides et batteries redox flow Stockage chimique réversible en phase liquide (carburant électrochimique) Le stockage d’énergie représente donc une technologie clef pour l’avenir des énergies renouvelables. En association avec les systèmes de production d’énergie renouvelable, on peut considérer plusieurs types de stockage d’énergie stationnaire innovants: On peut concevoir tout d’abord des sites artificiels de stockage gravitaire hydraulique On peut envisager aussi des systèmes de stockage hydropneumatique à compression et détente isothermes On peut également concevoir de nouveaux systèmes de batteries à électrode liquide ou de type redox flow. Enfin, des ruptures pourraient intervenir dans le domaine du stockage chimique réversible en phase liquide

21 Stockage électrochimique en phase liquide (carburant électrochimique)
Oxydation Réduction - Batterie Redox flow O2 Pour les installations stationnaires de grande puissance, on développe actuellement des batteries spécifiquement adaptées: Les batteries sodium-soufre liquides: les électrodes sont liquides (sodium et soufre liquide). De cette façon le système n’est pas limité par la surface des électrodes et en outre on évite le vieillissement du à des recristallisations successives, ce qui permet de réaliser un très grand nombre de cycles dans de bonnes conditions de fiabilité. L’électrolyte est constitué par une céramique conductrice d’ions. - Les systèmes Redox flow. Dans le cas de ces systèmes, les matériaux actifs aux électrodes sont dissous en phase liquide. Comme dans le cas de la batterie sodium soufre les deux systèmes en phase liquide sont séparées par une membrane en céramique, qui, en conduisant les ions joue un rôle d’électrolyte. On peut ainsi concevoir un carburant electrochimique qui est chargé sur un site producteur, peut être transporté et utilisé n’importe où, y compris sur un véhicule. Plus généralement des systèmes de stockage chimique réversibles en phase liquide permettraient d’associer une densité de stockage rekativement élevé et une grande facilité d’utilisation. air air O2 Réduction electro(photo)chimique Oxydation électrochimique Réaction réversible

22 Ruptures technologiques: potentiel d’application vs
Ruptures technologiques: potentiel d’application vs. Maturité technologique Capteurs photovoltaïques couches minces multijonctions Capteurs photovoltaïques couches minces Photobioréacteurs Capteurs thermiques plans Stockage chimique phase liquide Sites stockage gravitaire artificiels Commercial Ruptures Potentiel d’application Batteries à électrodes liquides et redox-flow Stockage hydropneumatique Eoliennes en mer Eoliennes sans mat Systèmes à concentration Sur ce tableau, j’ai récapitulé l’ensemble des technologies envisageables en fonction d’une part de leur maturité technologique et d’autre part de leur potentiel d’application. Les technologies les plus prometteuses en termes de rupture se situent en haut à gauche: faible maturité technologique et fort potentiel d’application. Les capteurs photovoltaïques à couche mince et les systèmes de stockage électrochimiques en phase liquide paraissent de ce point de vue les plus prometteurs. Eoliennes verticales Hydroliennes Marginal Maturité technologique

23 La transition à venir Après- demain 2030-2050 Demain 2020-2030
Energies renouvelables + Stockage d’énergie Véhicules électriques/ Route électrique Avion à hydrogène Demain Mix énergétique diversifié Solutions hybrides Energies fossiles (gaz naturel) + Renouvelables solaire-éolien /biomasse CSC Multimodalité des transports Aujourd’hui Energies fossiles Moteur à combustion interne On voit donc que pour faire face aux grands défis de l’énergie et du développement durable, il va donc falloir mettre en œuvre une nouvelle transition de grande ampleur . Le système énergétique pourrait évoluer d’un système basé aujourd’hui sur des énergies fossiles, vers un système basé demain sur une hybridation des énergies renouvelables solaire, éolien et biomasse avec des énergies fossiles, le gaz naturel étant dans ce cas largement préférable au charbon. L’étape suivante, après-demain serait un passage vers un niveau élevé d’utilisation des renouvelables en conjonction avec des moyens de stockage d’énergie.

24 Conclusion: La rentabilité économique des énergies renouvelables reste encore insuffisante Investir dans l’innovation est donc indispensable pour préparer l’avenir Il est nécessaire d’ouvrir le champ des possibles et d’envisager l’ensemble des ruptures technologiques Il serait utile d’évaluer à un stade précoce de manière aussi complète que possible et sur une base homogène les différentes options envisageables La rentabilité économique des énergies renouvelables reste encore insuffisante. Il est donc nécessaire d’investir dans l’innovation pour préparer l’avenir. Il est nécessaire d’identifier des filières innovantes et d’assurer un développement allant du stade de la recherche jusqu’à l’industrialisation et la commercialisation finales. Investir dans l’innovation partait plus important que subventionner les technologies existantes. Pour identifier les ruptures à venir, il est nécessaire d’explorer tout le champ des possibles et pas seulement les domaines déjà couverts actuellement. Il faudrait pouvoir évaluer à un stade précoce sur une base homogène les différentes options possibles.