Quelles perspectives pour l électricité en Suisse?

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1 Quelles perspectives pour l électricité en Suisse? Par Lionel Jaquerod 2MS3 Gymnase Auguste Piccard Maître : Laurent de Schoulepnikoff Remis le 6 novembre 2009

2 Résumé : Quelles perspectives pour l électricité en Suisse? Introduction : Les centrales nucléaires, représentant plus de 40% de la production d électricité en Suisse, arrivent en fin de vie dans les prochaines années. Les 3 premières des 5 centrales que compte la Suisse devraient être arrêtées entre 2009 et 2012 si elles ne bénéficient pas d une prolongation de l autorisation d exploiter. Ainsi la Suisse sera en manque d électricité très prochainement. De plus un grand contrat d importation d électricité avec la France va prendre fin dans les années qui viennent. Tous ces évènements vont plonger la Suisse dans une pénurie d électricité. Cette pénurie devrait survenir entre 2012 et Il faut donc trouver un moyen de produire de l électricité rapidement pour faire face à cette pénurie. Choix des centrales : Pour ce travail de maturité j ai trouvé judicieux de me restreindre à deux types de centrales qui seraient les plus adéquats à la situation. Je pourrai ainsi les comparer sous tous les points pour savoir laquelle est la meilleure alternative. Pour choisir ces deux centrales parmi tous les types de centrales existants, j ai du établir des critères de sélection permettant d éliminer les centrales qui ne satisfont pas au problème. Les deux centrales qui ressortent de cette sélection sont les centrales nucléaires et les centrales à cycle combiné. Explication des centrales choisies : Une centrale nucléaire utilise la chaleur produite par la fission de l uranium. Elle transforme cette chaleur en électricité par divers procédés suivant la centrale. Pour expliquer les centrales à cycle combiné, il faut tout d abord savoir ce que sont les centrales thermiques à gaz et les centrales thermiques à vapeur. Les centrales thermiques à vapeur utilisent la chaleur d un combustible (le gaz naturel le plus souvent) qui chauffe de l air sous pression qui va se détendre dans une turbine à gaz couplée à un alternateur et ainsi produire de l électricité. Pour les centrales à vapeur c est le même principe, sauf qu au lieu de chauffer de l air, on chauffe de l eau et que cette eau passe dans une turbine à vapeur. A la sortie de la centrale à gaz l air qui ressort est encore très chaud. On peut donc utiliser cette chaleur pour faire fonctionner une centrale à vapeur en série. C est ce que l on appelle une centrale à cycle combiné. Comparaison : J ai comparé les centrales sous plusieurs points de vue : physiquement, écologiquement, économiquement, politiquement et éthiquement. Ce qui en ressort est que le nucléaire est la solution qui convient le mieux à notre problème. Certains points importants le départagent de son rival : le coût de l électricité produite, les émissions de CO 2 et la durée de vie de la centrale. Mais le nucléaire à un gros point faible : son temps de planification et de construction, qui est de 20 ans (alors que celui des centrales à cycle combiné est de 7 ans). Ainsi une telle centrale ne serait pas prête à temps pour la pénurie d électricité en Suisse. Conclusion : La solution, je pense, n est pas de choisir entre les deux centrales, mais d utiliser les deux. Construire dès maintenant quelques centrales à cycle combiné qui feraient l intérim le temps que les centrales nucléaires puissent être construites et prennent le relais. Le nucléaire serait ensuite utilisé à titre provisoire en attendant l arrivée progressive des nouvelles énergies renouvelables à un niveau compétitif, d ici à 2050 si tout va bien.

3 Introduction L avenir énergétique de la Suisse est une question qui est depuis peu au centre de l attention médiatique et, depuis un peu plus de temps, au cœur des débats politiques. Lorsque j ai choisi de m intéresser à la question de ce travail de maturité, j étais loin de me douter de l importance ainsi que de la complexité de cette question. De nombreux experts mènent en ce moment des études et en tirent des conclusions qui se contredisent parfois. Ainsi dans ce travail de maturité je vais tout d abord rassembler des faits, tirés quelquefois de ces études, comparer les différentes possibilités et en tirer une conclusion personnelle qui sera mon interprétation du problème ainsi que ma proposition de solution. 1. Base du problème : Pour mieux comprendre l importance de la question traitée dans ce travail, il est nécessaire de situer le contexte dans lequel elle est posée. Il est donc nécessaire de faire le point sur la situation actuelle de la production d électricité en Suisse ainsi que les problèmes qui se posent. 1.1 Situation de la production d électricité en Suisse La Suisse a actuellement deux moyens principaux de production d électricité : les centrales hydrauliques et les centrales nucléaires. Les centrales hydrauliques ont produits 32'557 GWh en 2006 soit ~52% de l électricité produite en Suisse cette année-là. Les centrales nucléaires ont produits 26'244 GWh en 2006 soit ~42 % de l électricité produite en Suisse cette année-là. Pour les ~6% de production d électricité restants ils se partagent entre les centrales thermiques classiques (~5%) avec 3'340 GWh et les énergies renouvelables autres que les centrales hydrauliques (< 1%) avec 192,4 GWh 1. Ainsi la production d électricité en Suisse peut se présenter ainsi : Centrales hydrauliques Centrales nucléaires Centrales thermiques classiques Énergie renouvelable Tab. 1 : Graphique représentant la répartition de la production d'électricité en Suisse - 1 -

4 Il faut savoir, de plus, que la Suisse importe et exporte de l électricité. L importation se fait pour combler le manque d électricité lors des heures de pointe de la demande d électricité et l exportation se fait pour écouler le trop plein d électricité lors des heures de basse demande. L importation s est montée à 48'788 GWh en 2006 et l exportation à 46'085 GWh 1. La Suisse importe donc plus d électricité qu elle n en exporte. 1.2 Évènements à venir : La situation de la production électrique Suisse va changer dans les prochaines années. En effet, un des principaux moyens de production arrive petit à petit en fin de vie, ce sont les centrales nucléaires. Les centrales nucléaires ont, comme beaucoup d autres centrales, une durée de vie limitée. Elle est de 40 ans pour la génération de centrale construite en Suisse. Une centrale peut bénéficier d une prolongation d utilisation octroyée par le gouvernement (comme il sera question prochainement pour la centrale de Mühleberg), mais il n est vraiment pas sûr que cette prolongation soit donnée et, de plus, elle ne devrait pas être de très longue durée pour des raisons de sécurité. Si la durée de vie est respectée, les centrales de Beznau I et II devraient être arrêtée en 2009 et 2011, celle de Mühleberg en 2012, celle de Gösgen en 2019 et pour finir, celle de Leibstadt en La production d électricité va donc baisser fortement dans les prochaines années. Il faut donc trouver presque dans l urgence un moyen de combler ce manque d électricité. En plus de l arrêt de ces centrales, un autre coup dur va venir augmenter ce manque d électricité. En effet, les grands contrats d importation d électricité avec l étranger notamment la France vont prendre fin à partir de Une pénurie d électricité en Suisse est donc envisagée par les experts. Cette pénurie pourrait arriver (d après les dernières études) pendant l hiver 2012 (car c est en hiver que la consommation d électricité est la plus grande). La plupart des spécialistes (et c est ce qui ressort des différentes sources consultées) prédisent cette pénurie entre 2012 et Ainsi il faut trouver un moyen de production d électricité rapidement pour faire face à ce manque d électricité. Il faudrait donc trouver un ou plusieurs type(s) de centrales qui puisse(nt) répondre à cette pénurie. L idéal serait de trouver deux centrales que je pourrais comparer sous tous les points, que ce soit économiquement, physiquement, écologiquement, politiquement ou même éthiquement. De cette étude je pourrai ensuite tirer ma conclusion sur l avenir de la production d électricité en Suisse

5 2. Recherche des types de centrales qui pourraient satisfaire au problème : Pour sélectionner les centrales que je vais étudier, je vais établir quelques critères qui doivent impérativement être remplis pour qu une centrale soit étudiée. En effet, il y a plusieurs critères qui nous permettront de cerner quelles centrales conviendraient le mieux au problème. Parmi ces critères, certains sont absolument indispensables et obligatoires à cause des restrictions de l énoncé du problème. D autres sont importants à remplir mais pas nécessaires. Je vais donc classer ces conditions à remplir en deux catégories : les conditions nécessaires et les conditions secondaires. 2.1 Les conditions nécessaires : Exploitation possible en Suisse. La centrale étudiée doit être utilisable de manière industrielle et suffisante en Suisse. Exploitation possible tout de suite. La centrale étudiée doit pouvoir être construite et utilisée actuellement. Par conséquent la technique de production doit être prête et non en élaboration. Exploitation à grande échelle possible. Le type de centrale utilisé doit pouvoir fournir suffisamment d énergie pour répondre à une grande demande d énergie. Elle doit être un moyen de production d électricité de base. Fixons une limite à 500 MW. 2.2 Les conditions secondaires : L exploitation ne nuit pas (ou peu) à l environnement. La centrale devrait, dans la mesure du possible, nuire le moins possible à l environnement (pollution atmosphérique et des sols, élimination des déchets). L exploitation ne contribue pas (ou peu) au réchauffement climatique. Dans le contexte actuel du réchauffement climatique, il faudrait une centrale qui produise le moins possible de gaz à effet de serre. L exploitation doit être rentable. la centrale doit être la plus rentable possible, pour convaincre et intéresser les investisseurs. L exploitation doit être éthiquement acceptable. La population doit accepter le mode de production employé et la centrale doit poser un minimum de dérangements sur la population et soulever le moins possible de contestations et d oppositions

6 Prologue : 3. Brève présentation des différents types de centrales existants et explications : Je vais donc maintenant présenter très brièvement les différentes centrales actuellement utilisables et expliquer en quoi elles conviennent ou non à notre étude. 3.1 Les centrales utilisant une forme d énergie renouvelable : Ces centrales ont l avantage de nuire très peu à l environnement et de ne presque pas émettre de gaz à effet de serre. D un autre côté, ces technologies ne peuvent pas être utilisées partout. En effet, elles ont besoin de certaines conditions climatiques, météorologiques ou géographiques pour fonctionner. Je vais maintenant présenter et analyser brièvement les centrales qui sont, je pense, les principales et les plus performantes utilisant des énergies renouvelables Hydraulique Une centrale hydraulique utilise la pression de l eau (énergie potentielle) qu elle transforme en énergie mécanique, via la turbine, puis en énergie électrique. La Suisse compte un grand nombre de ces installations. Avec une part approximative de 56%, la force hydraulique est l un des deux piliers, avec l énergie nucléaire, de la production de courant électrique en Suisse 3. Elle a eu une production 32'557 GWh en C est l énergie renouvelable la plus importante de Suisse. Points forts : Très bon rendement électrique, de l ordre de 80% Production d électricité exempte d émission de CO 2 Grande flexibilité de la production en fonction de la demande Points faibles : Besoin élevé de capitaux pour les nouvelles constructions, de même que pour la rénovation et le développement Longue période de planification, d autorisation et de construction Ici, le «très peu» et le «presque pas» sont utilisés pour être le plus exact possible. Mais les nuisances sur l environnement et les productions de gaz à effet de serre sont négligeables. Elles apparaissent surtout lors de la fabrication des éléments de ces centrales, ainsi qu à quelques autres endroits, par exemple la nuisance des éoliennes sur certaines espèces d oiseaux ainsi que l inondation de vallées lors de la construction de barrages hydroélectriques

7 Cette énergie parait, au premier abord, très intéressante pour notre problème. Malgré les deux points faibles cités précédemment, elle pourrait satisfaire à notre étude. Mais il y a une des conditions nécessaires qui n est pas remplie. En effet, cette énergie n est que très peu extensible en Suisse. Le potentiel de force hydraulique suisse utilisable est techniquement de 41'000 GWh, quelque 35'000 GWh (85%) sont utilisés aujourd hui. Dans la pratique, Il faut s attendre à une croissance maximale de la production par force hydraulique d environ 700 GWh (+ 2%) jusqu en Ce qui donne une possibilité d accroissement très faible. C est pour cela que je vais rejeter ce type d énergie pour cette étude Éolienne Une éolienne transforme l énergie du vent (énergie éolienne) en énergie mécanique, via une hélice, puis en énergie électrique. Parmi les énergies renouvelables, l énergie éolienne est l une des technologies les plus économiques. Les conditions préalables, pour de faibles coûts de revient du courant, sont cependant des sites exposés au vent ainsi que des régions où il est possible de réaliser des parcs à éoliennes comportant un grand nombre de turbines à vent. L énergie éolienne en Suisse a eu une production de 15,3 GWh en 2006, ce qui représente un très faible pourcentage de la production d électricité (< 0,1%) 4. Le «concept énergie éolienne pour la Suisse», élaboré en 2004 par l OFEN (office fédéral de l énergie), l OFEFP (office fédéral de l environnement, des forêts et du paysage) et l ARE (office fédérale du développement territorial), a défini les sites propices à recevoir des éoliennes. Ces sites doivent avoir un vent moyen de 4,5 m/s à la hauteur du rotor et ne doivent pas se situer dans les zones protégées par des inventaires nationaux : les haut-et-bas-marais, les zones alluviales, les monuments naturels, les districts francs fédéraux, le parc national, le patrimoine mondial de l UNESCO et d autres réserves naturelles. 110 sites répondaient à ces critères : 30 ont été écartés d emblée, 12 ont été considérés comme favorables et 68 ont nécessité des investigations supplémentaires. En comptant les sites favorables et ceux à examiner de plus près il serait, dans l idéal, possible de construire 728 éoliennes qui auraient, au total, un potentiel de 1150 GWh. D après certains partisans des éoliennes, avec de nouvelles éoliennes on pourrait théoriquement arriver à 4000 GWh par an ce qui représente 7% de la consommation de courant de l an Mais je pense que ces valeurs sont utopiques et qu il serait impossible d atteindre ces chiffres-là. De plus, des associations de protection du - 5 -

8 paysage s opposent aux projets d éoliennes et le conseil fédéral ne donne pas assez de fonds aux constructeurs d éoliennes pour réaliser leurs projets. De toute façon, même ces 7% théorique ne sont pas suffisants. Il faudrait que le nouveau type de centrale utilisé puisse remplacer, du moins en grande partie, le nucléaire qui représente 42% de la production totale d électricité en Suisse en C est pour cela que nous n allons pas prendre en compte cette énergie dans notre étude. Mais je vais quand même insister sur le fait que, si l on peut former des grands parcs à éoliennes dans des régions exposées au vent (dans d autres pays où les conditions s y prêtent mieux), c est une énergie complètement propre, très économique et inépuisable Solaire photovoltaïque L énergie solaire peut être transformée en énergie électrique via des panneaux solaires dit photovoltaïques. On désigne par photovoltaïque la transformation directe de la lumière en énergie électrique. Cela s effectue dans des éléments semi-conducteurs électroniques. En Suisse, l énergie solaire a eu une production de 22,6 GWh en C est, comme pour l énergie éolienne, un pourcentage très faible de la production Suisse d électricité (<0,1%). Points forts : Potentiel inépuisable de l énergie primaire Production d électricité exempte d émission de CO 2 Utilisable en principe partout Points faibles : Coût de revient du courant très élevé (d un facteur 10 plus élevé en comparaison de l électricité hydraulique, nucléaire ou thermique) Rendement électrique faible des cellules solaires (10-15% selon le type de cellules) Production d énergie irrégulière Besoin de grandes surfaces (environ 1 m 2 par 100 watts de puissance soit 5 km 2 pour une centrale d une puissance de 500 MW demandée dans les conditions du point 2.1) Au vu du coût de ces panneaux solaires et de leur rendement faible, je ne m intéresserai donc pas à ce type d énergie lors de mon étude. Mais des perfectionnements vont réduire le coût et augmenter le rendement ces prochaines années. Mais cela équivaut à miser sur le long terme, ce qui ne correspond donc pas aux conditions nécessaires et ne satisfait pas à notre problème. Ainsi cette énergie en cours de développement sera mise de côté. Mais elle pourrait être sur le long terme une source d énergie intéressante que chacun peut avoir chez soi. Mais le potentiel de l énergie solaire est à mon avis souvent surestimé

9 3.1.4 Géothermique Les centrales géothermiques de construction traditionnelle utilisent la chaleur de la Terre dans les régions volcaniques et tectoniquement perturbées où il y a des couches de vapeur près de la surface. De telles installations sont principalement en service aux USA, aux Philippines, en Islande et en Italie. Par contre, l utilisation de chaleur terrestre de basse température est possible presque partout dans le monde. Avec le procédé Hot-Dry-Rock, la chaleur logée dans des couches plus profondes peut être utilisée pour produire du courant et de la chaleur. Ce système présente de nombreux points forts, comme par exemple : Production d électricité exempte de CO 2 Grands nombres de sites adéquats en Suisse Source d énergie indépendante de l heure du jour, des saisons et du climat Potentiel presque inépuisable de l énergie primaire Effet minimal sur l environnement, faible encombrement Mais ce mode de production présente un inconvénient majeur: il est encore au stade expérimental. En effet, il n y a en ce moment aucune installation commerciale en service dans le monde. C est pour cela que nous allons l exclure de notre étude. Mais une centrale pilote doit être érigée d ici 2009 à Bâle *. L installation serait la première au niveau mondial qui utilise le procédé Hot-Fractured-Rock pour produire commercialement de l énergie. 3.2 Centrales thermiques : Pour donner une définition simple et claire je vais utiliser celle du livre Guide de la technique 3, L Energie sur les centrales thermiques. Le premier rôle d une centrale thermique est de produire de l électricité à partir d une énergie primaire qui se présente sous la forme d un combustible. Certaines centrales, moins nombreuses, produisent à la fois électricité et chaleur (on les appelle centrales à cogénération). L opération ainsi définie s effectue en trois étapes principales : Transformation de l énergie chimique du combustible en énergie thermique, au cours d une réaction (combustion, fission nucléaire, etc.) Transformation de l énergie thermique en énergie mécanique, par l intermédiaire d une machine thermique, par exemple une turbine à vapeur ou à gaz * D après mes dernières recherches, cette centrale n est pas encore construite, et il semble même que le projet ait été suspendu à cause de risques sismiques. Voir bibliographie pour plus d information sur ce livre - 7 -

10 Transformation de l énergie mécanique en énergie électrique dans une machine électrique, par exemple un alternateur On distingue quatre grands types de centrales thermiques : les centrales à vapeur (alimentées par des combustibles fossiles), les centrales à gaz (utilisant généralement du gaz naturel ou plus rarement du mazout), les centrales à cycle combiné (combinant les deux centrales précédemment citées) et pour finir les centrales nucléaires (utilisant de l uranium ou du plutonium). Les centrales nucléaires étant souvent classées séparément, elles disposeront d un chapitre à part entière (voir point 3.3) Centrales à vapeur Dans une centrale à vapeur, on génère de la chaleur par la combustion d un combustible fossile (en général charbon, mazout ou gaz naturel). Cette chaleur chauffe de l eau dans une chaudière et produit ainsi de la vapeur qui est conduite vers une turbine à vapeur, laquelle actionne un générateur. Les centrales à vapeur thermiques conventionnelles pour la production de courant reposent en majorité sur l emploi de houille ou de lignite. Les centrales au charbon peuvent être exploitées économiquement si le site se trouve à proximité immédiate de la région d exploitation houillère ou tout près d un lieu approprié de transbordement de charbon. Or en Suisse, les coûts de la houille sont très élevés à cause du transbordement et du transport sur le Rhin. De plus c est le type de centrale qui émet le plus de CO 2. C est pour cela que cette exploitation serait très mal perçue par la population. Ainsi, malgré le fait que cette centrale remplit toutes les conditions nécessaires à notre étude, elle ne remplit aucune des conditions secondaires. C est ainsi que, malgré les quelques avantages de ce type de centrale, nous ne l étudierons pas. En Suisse, contrairement à la plupart des pays européens, les centrales électriques thermiques conventionnelles jouent un rôle pratiquement négligeable pour la production de courant. La centrale thermique de Vouvry en Valais, de loin la plus grande de Suisse, (combustible: mazout), fournissant une puissance de 284 MW, a été mise hors service en La quantité totale de courant produite par des centrales thermiques conventionnelles se monte à 3340 GWh en 2006, ce qui représente une part de 5,4 % de la quantité de courant cette année-là 1. La plus grande partie de cette production provient d installations d incinération d ordures ménagères et d installations de production en cogénération industrielles

11 3.2.2 Centrales à gaz Ces centrales sont un peu plus compliquées à comprendre que les centrales à vapeur, c est pour cela que je vais utiliser la définition du Guide de la technique 3, L Energie sur les centrales à gaz. Dans les centrales à gaz, le fluide de travail est généralement de l air. Ce dernier est utilisé pour la combustion de mazout ou de gaz naturel et les gaz de combustion transmettent leur énergie thermique vers une turbine à gaz qui entraîne un alternateur ou une génératrice électrique. Le cycle thermodynamique de l installation est dit «ouvert». Points forts : Technologie perfectionnée ; éprouvée et utilisée dans le monde entier Grande densité énergétique, installations extrêmement compactes Temps de planification et de réalisation très courts Faible coût de construction Grande fiabilité de fonctionnement Pleine puissance en quelques minutes Points faibles : Combustibles fossiles épuisables comme énergie primaire Emissions de CO 2 Rendement électrique de 40 à 47 % Grande sensibilité au prix du combustible Ce genre d installation pourrait donc satisfaire à notre étude. Mais ce type de centrale est surtout utilisé pour couvrir les besoins en charge de pointe du fait qu elles atteignent leur pleine puissance en quelques minutes. Mais elles ne conviennent pas très bien à la production d énergie de base. C est pour cela que nous allons lui préférer sa variante améliorée, la centrale à cycle combiné (voir 3.2.3) Centrales à cycle combiné * Afin d augmenter leur efficacité, les centrales à gaz et à vapeur peuvent être combinées ; elles sont appelées centrales à cycle combiné. La température des gaz de combustion de la centrale à gaz étant encore élevée à la sortie de la turbine, ces gaz sont utilisés pour produire de la vapeur destinée à la centrale à vapeur. Ainsi en montant une centrale à vapeur à la sortie de la centrale à gaz, on arrive à obtenir un haut rendement électrique global de l installation. Le gaz * Note : le fonctionnement de ce type de centrale sera expliqué plus en détail au point

12 naturel est utilisé la plupart du temps comme combustible. Le gazole est également possible en remplacement ou comme alternative. Points forts : Technologie perfectionnée ; éprouvée et utilisée dans le monde entier Rendement électrique très élevé, aujourd hui près de 60% Puissance unitaire élevée de 200 à 1000 MW Faible coût de construction Temps de planification et de réalisation très courts : 5 à 7 ans en Suisse, à l étranger encore moins La plus faible émission de CO 2 de toutes les installations thermiques fossiles Points faibles : Combustibles fossiles épuisables comme énergie primaire Emissions de CO 2 Grande sensibilité au prix du combustible Aucune centrale de ce type construite en Suisse à ce jour, donc aucun précédent de requête d autorisation Ce type de centrale satisfait donc à notre étude. Malgré le fait qu il n y a pas en Suisse d installations combinées servant exclusivement à la production du courant, la construction serait possible car utilisée dans le monde entier. La puissance électrique installée des centrales thermiques combinées en Suisse se monte à quelques 110 MW. Toutes ces installations sont soit des centrales thermiques à distance, soit des installations de production combinée de chaleur et d électricité industrielles. La plus grande centrale thermique combinée en Suisse est l installation «Pierre de Plan» à Lausanne qui produit une puissance électrique de 34 MW Centrales nucléaires * : Dans une centrale nucléaire, la chaleur est générée par fission nucléaire d uranium. Cette chaleur chauffe de l eau qui s évapore. La vapeur ainsi dégagée est ensuite acheminée dans une turbine, laquelle actionne un générateur. Le refroidissement du circuit de vapeur peut avoir lieu directement, par de l eau du lac ou du fleuve, ou dans un circuit via une tour de refroidissement. * Note : le fonctionnement de ce type de centrale sera expliqué plus en détail au point

13 L énergie nucléaire représente une part de 40% de la production d électricité Suisse 6. Les centrales nucléaires suisses ont eu une production de GWh en Points forts : Production d électricité exempte d émission de CO 2 Disponibilité constante Coûts de production modérés à long terme Coûts de production peu sensibles au prix du combustible Combustible très compact permettant le maintien d une réserve sur plusieurs années Points faibles : Temps nécessaire à la planification et à la construction : 20 ans Problème de l élimination des déchets radioactifs Rendement électrique de 35% Besoin de capitaux très élevés à la construction Cette source d énergie satisfait à toutes les conditions nécessaires à notre étude. Même si elle ne satisfait pas toutes les conditions secondaires, elle peut toutefois être utilisée pour notre étude. 4. Restriction à deux centrales : Pour mon étude comparative dans le cadre de ce travail de maturité, j'ai choisi de traiter en détail deux types de centrales. A la fin de ce prologue, on en arrive à la conclusion que seul quatre types centrales répondent aux critères de sélection : les centrales à vapeur, les centrales à gaz, les centrales à cycle combiné et les centrales nucléaires. J ai déjà mentionné que les centrales à vapeur (trop polluantes) et les centrales à gaz (peu adéquates à une production d électricité de base) ne sont pas à la hauteur des centrales nucléaires et des centrales à cycle combiné dans le cadre de cette étude. Ainsi j étudierai et comparerai : Les centrales nucléaires et Les centrales à cycle combiné

14 Présentation des centrales choisies : Je ne vais pas faire une description détaillée et très précise des deux centrales choisies, car ce n est pas là l objectif de mon travail. Je vais donc faire une courte description de ces centrales avec un schéma pour comprendre leur mode de fonctionnement. Je vais aussi présenter la situation de ces centrales en Suisse et dans le monde. 5. Explication des centrales nucléaires : Je ne vais pas entrer dans une longue description de la physique nucléaire et de la fission dans le cadre de ce travail de maturité. C est pour cela que je vais directement passer à l explication et la description du principe général de fonctionnement des centrales nucléaires. Je vais expliquer les deux types de réacteurs les plus courants dans le monde. C est aussi les deux types de réacteurs construits en Suisse. Mais il en existe d autres avec de nombreuses variantes. Ces deux types sont assez similaires car ils font partie de la filière des réacteurs à eau légère. Les réacteurs à eau bouillante, REB BWR (Boiling Water Reactor) : Dans ce type de réacteur, la transmission de chaleur est directe. L eau circule le long des éléments de combustible (uranium). Elle se réchauffe jusqu à ébullition, puis passe dans un séparateur de vapeur qui sépare la vapeur de l eau. La vapeur sort ensuite de la cuve et passe par plusieurs turbines qui actionnent des alternateurs qui produisent de l électricité (loi d'induction de Faraday). Elle passe ensuite dans un condenseur (pour la transformer en eau) avant d être renvoyée dans le circuit du réacteur. Le moyen utilisé pour la condensation est souvent l eau d une rivière. Des normes très strictes règlent l utilisation de cette eau. Ainsi, si le rejet de cette eau utilisée dans le condenseur fait trop monter la température de la rivière, la vapeur doit d abord passer par une tour de refroidissement, puis être refroidie par l eau de la rivière. Les réacteurs à eau pressurisée, REP PWR (Pressured Water Reactor) Dans ce type de réacteur, l eau qui circule dans le cœur est mise sous pression par un pressuriseur. Ainsi, l eau reste à l état liquide. Après son passage dans le cœur, où elle se réchauffe, elle est envoyée dans l échangeur où s effectue le transfert de chaleur avec le circuit secondaire. Ce circuit secondaire est presque similaire au circuit des BWR. Ainsi la vapeur issue de l échangeur passe dans des turbines qui actionnent des alternateurs qui

15 produisent de l électricité. Puis cette vapeur est refroidie, généralement avec l eau d une rivière, avant d être réinjectée dans le circuit. Fig. 1 : Schéma de principe d'un réacteur nucléaire à eau bouillante 7 Fig. 2 : Schéma de principe d'un réacteur nucléaire à eau préssurisée

16 5.1 Les centrales nucléaires dans le monde : En 2006, 442 réacteurs de puissance * fonctionnent dans 31 pays différents dans le monde, soit un total de 370 GW, produisant environ 17% de l'électricité mondiale. «Actuellement 48 centrales atomiques sont en construction dans le monde, et l édification de 114 autres réacteurs est prévue. Ce qui pourrait porter le parc nucléaire civil à 607 réacteurs. En 2008, 443 centrales nucléaires de 31 pays ont fourni environ 16% de la production mondiale d électricité, soit autant que l énergie hydraulique.» Pays possédant le plus de réacteurs de puissance 9 : Pays Nombre de réacteurs Nombre de centrales Part de la production électrique du pays Production électrique nette Remarques Etats-Unis % 97,4 GW Plus gros producteur France % 62,5 GW Plus gros producteur par rapport au nombre d habitants Japon % 49,8 GW Russie % 22,3 GW Royaume % 13,4 GW Uni Corée du Sud % 17,8 GW Allemagne % 21,5 GW une loi a été votée pour l'abandon de la production d électricité par des centrales nucléaires Canada % 15,2 GW Ukraine % 14 GW L'Ukraine a été obligée d'arrêter 4 réacteurs suite à la catastrophe de Tchernobyl en 1986 Chine % 10,6 GW Suède % 9 GW Suite à une décision du parlement, la production d'énergie nucléaire doit être arrêtée progressivement Inde % 3,9 GW L Inde a 6 réacteurs en construction ce qui devrait lui permettre de doubler sa production * Réacteurs utilisés pour la production d'électricité dans une centrale nucléaire Statistiques pour l année 2005 Les nouvelles centrales devraient être opérationnelles en 2007 (d après les statistiques de 2005) mais malheureusement je n ai pas pu trouver de preuve que ces centrales ont été mises en fonction à l heure actuelle

17 Espagne % 7,7 GW Depuis 1984, un moratoire sur la construction de nouvelles centrales a été décidé Belgique % 5,6 GW Suisse % 3,2 GW Cas étudié au point 5.2 Finlande % 1,8 GW Tab. 2 : Tableau rassemblant les données concernant l'énergie nucléaire par pays possédant le plus de réacteurs NB : à eux seuls, trois pays (les États-Unis, la France et le Japon) détiennent 49% des sites nucléaires et produisent 57% de l'électricité provenant des centrales nucléaires Pays ayant arrêté la production d énergie nucléaire : L Italie : L'Italie a effectué une sortie du nucléaire civil en 1987, et l'a maintenue durant toute la décennie 1990, où les cours du pétrole ne justifiaient pas de réexamen de cette option. Face à la flambée des cours du pétrole à partir de 2006, et aux engagements européens de réduction des gaz à effet de serre en mars 2007, un réexamen a été engagé. Le 22 mai 2008, le nouveau ministre italien du développement économique Claudio Scajola a annoncé que l'italie allait s'engager dans la construction de centrales nucléaires de nouvelle génération. L Autriche : L'Autriche a voté une loi sur la non-utilisation du nucléaire en Autres pays possédant des réacteurs de puissance : Afrique : Afrique du Sud Amérique : Argentine, Brésil, Cuba (construction suspendue en 1992), Mexique Asie : Corée du Nord, Iran (en construction), Israël, Kazakhstan (arrêté en 1999), Pakistan, Taïwan Europe : Arménie, Bulgarie, Hongrie, Lituanie, Pays-Bas, Roumanie, Slovaquie, Slovénie, République Tchèque

18 5.2 Centrales nucléaires en Suisse : Dans ce point je vais tout d abord retracer l histoire des centrales nucléaires en Suisse. Je vais énoncer toutes les votations populaires sur l énergie nucléaire ainsi que la construction des centrales nucléaires suisses. Je vais ensuite faire un bref survol du parc nucléaire suisse Histoire du nucléaire civil en Suisse : En novembre 1945, le gouvernement Suisse crée le comité indépendant pour l énergie atomique avec pour but de conseiller le gouvernement sur tous les projets militaires et civils ayant rapport avec l énergie nucléaire. Le 24 novembre 1957, le peuple Suisse vote sur l arrêté fédéral du 20 septembre 1957 introduisant dans la constitution un article 24quinquies sur l'énergie atomique et la protection contre les radiations. Il l accepte à 77,3%. En 1962, la première centrale nucléaire expérimentale de Suisse est mise en chantier à Lucens dans une caverne. C est une centrale construite par une société Suisse mandatée par la Confédération. A la fin de l année 1966, la centrale de Lucens est mise en route. Elle doit être utilisée jusqu à fin Malheureusement, le 21 janvier 1969, lors d'un démarrage, un problème de refroidissement entraîna une fusion partielle du cœur et une contamination radioactive massive de la caverne. L'accident est l'un des dix plus sérieux du nucléaire civil dans le monde. Heureusement, ni le personnel, ni la population ne subirent d'irradiation. C est la fin du rêve de centrales «made in Switzerland». En 1969, la centrale de Beznau est mise en service. C est la première centrale nucléaire de Suisse destinée à la production d électricité. En 1971, un deuxième réacteur est mis en service à la centrale de Beznau. Le 6 novembre 1972, la centrale de Mühleberg est mise en service. Le 20 mai 1979, le peuple suisse se prononce sur l arrêté fédéral du 6 octobre 1978 concernant la loi sur l énergie atomique *. Il l accepte à 68,9%. En novembre 1979, la centrale de Gösgen est mise en service. Le 23 septembre 1984, le peuple suisse vote sur l initiative populaire «pour un avenir sans nouvelles centrales atomiques». L initiative est rejetée à 55%. * Plus d informations sur -

19 Le 15 décembre 1984, la centrale de Leibstadt est mise en service. Le 23 septembre 1990, le peuple suisse vote sur deux initiatives populaires. La première, «pour un abandon progressif de l énergie atomique» est rejetée à 52,9%. La deuxième, «Halte à la construction de centrales nucléaires (moratoire)» est acceptée à 54,5%. La construction de centrales nucléaires est donc interdite. Le 18 mai 2003, le peuple suisse se prononce sur deux initiatives populaires. La première, «Sortir du nucléaire Pour un tournant dans le domaine de l énergie et pour la désaffectation progressive des centrales nucléaires (Sortir du nucléaire)» est rejetée à 66,3%. La seconde, «Moratoire-plus Pour la prolongation du moratoire dans la construction des centrales nucléaires et la limitation du risque nucléaire (Moratoireplus)» est rejetée à 58,4%. La construction de centrales nucléaires est donc à nouveau possible Réacteurs nucléaires de puissance en Suisse : La Suisse dispose de 5 réacteurs de puissance dans 4 centrales. Type Puissance Centrale Réacteur Mise en Démantè Production Taux service -lement * électrique en 2007 d utilisation Beznau PWR 365 MW 3045 GWh 95,8 % Beznau Beznau PWR 365 MW 2894 GWh 90,5 % Mühleberg Mühleberg BWR 355 MW 2881 GWh 92,6 % Gösgen Gösgen PWR 970 MW 8087 GWh 96,1 % Leibstadt Leibstadt BWR 1165 MW 9437 GWh 92,5 % Tab. 3 : Données concernant les réacteurs nucléaires suisses Total : 3220 MW GWh Fig. 3 : Photo de la centrale nucléaire de Leibstadt (CH) * Date prévue pour le démantèlement (durée de vie pour ces centrales : 40 ans) Le taux d utilisation est le rapport entre la production annuelle et la production possible si la centrale fonctionnait toute l année

20 6. Explication des centrales à cycle combiné : Là aussi je ne vais pas trop rentrer dans les détails de la description. Tout d abord, s il en est besoin, merci de regarder les points 3.2.1, sur les centrales à vapeur, et 3.2.2, sur les centrales à gaz, ainsi que le point sur les centrales à cycle combiné. Ceci évitera des répétitions. Je vais donc expliquer le fonctionnement de ces centrales à l aide d un schéma type d une centrale à cycle combiné. Le cycle de turbine à gaz : Tout d abord, l air est aspiré par un compresseur. Il est ensuite acheminé vers la chambre de combustion où il est chauffé (parfois jusqu à 1000 C) par le combustible (généralement le gaz naturel, plus rarement mazout, et quelquefois même le charbon). Le gaz de combustion est acheminé vers une turbine à gaz, qui le détend et le rejette vers l échangeur de chaleur. La rotation de cette turbine entraîne un alternateur produisant ainsi de l électricité. Le cycle de turbine à vapeur : Le gaz encore chaud rejeté par le cycle de turbine à gaz dans l échangeur de chaleur permet de chauffer un circuit fermé d eau. L eau ainsi transformée en vapeur est envoyée vers une turbine à vapeur qui transforme l énergie thermique acquise en énergie mécanique, entraînant ainsi un autre alternateur qui produira de l électricité. La vapeur est ensuite refroidie dans un circuit froid ou alors, dans un cas de centrale à cogénération (cas utilisé pour le schéma), est utilisée pour le chauffage à distance en passant par un échangeur de chaleur, chauffant ainsi l eau utilisée pour le chauffage. Fig. 4 : Photomontage de la future centrale à cycle combiné de Pembroke (UK)

21 Cycle de turbine à gaz Combustible (mazout, gaz naturel) Air Chambre de combustion Compresseur Turbine Alternateur Echangeur de chaleur Turbine Gaz de combustion Echangeur de chaleur Alternateur Réseau de chauffage à distance Cycle de turbine à vapeur Fig. 5 : Schéma de principe d une centrale à cycle combiné 6.1 Centrales à cycle combiné dans le monde : Pour ce type de centrale il est très difficile (contrairement au nucléaire) de trouver une liste de ces centrales construites dans le monde. De plus comme c est une centrale relativement jeune, il y en a très peu. Je ne préfère donc pas affirmer des choses dont je n ai pas vérifié les sources. La seule chose que je peux dire de manière sûre, c est que cette centrale a déjà été construite dans le monde, par exemple au Japon, en Angleterre et au Canada. De plus il est sûr aussi que la France a des projets d en construire comme alternative au nucléaire

22 Comparaison : Je vais maintenant comparer les deux centrales sous plusieurs points de vue. Tout d abord d un point de vue physique et technique (rendement énergétique, perte de chaleur, durée de vie ). Ensuite sur le plan écologique (pollution, gaz à effet de serre, déchets ). La comparaison se poursuivra sur le plan économique (prix de construction, entretien, coûts supplémentaires, rendement financier ). Ensuite vient le point de vue politique (moratoires, votations, référendums ). Et pour finir j analyserai l'aspect éthique de ces centrales. 7. Physique et technique : 7.1 Rendement : Ce point de la comparaison est très important. En effet, le rendement énergétique doit être maximum, car un rendement bas équivaut à beaucoup de pertes d'énergie, ce qui rend l installation peu intéressante économiquement et génère plus de pollution. C est pour cela que nous allons favoriser une centrale avec un rendement maximum. Nucléaire : Avec une centrale nucléaire de type PWR, le rendement de conversion de la chaleur en électricité est d environ 33%. Je n ai pas de chiffre exact à donner pour une centrale de type BWR, mais en général, les centrales nucléaires à eau légère ont un rendement se situant entre 30 et 35% suivant la génération et les particularités de la centrale. Si l on imagine que la centrale qu on pourrait construire soit équipée des dernières technologies, alors il faut prendre la valeur haute, soit 35%. Cycle combiné : Une centrale avec turbine à gaz a un rendement électrique de 40 à 47%. Mais avec la centrale à cycle combiné, la perte de chaleur est réutilisée dans le cycle à vapeur. Ainsi, le rendement, avec des centrales modernes, est de 60%. Avec de nouvelles technologies, il pourrait monter jusqu à 65%. Si l on utilise une centrale à cycle combiné à cogénération, le rendement peut aller jusqu à 90%! Mais la cogénération est réalisable surtout dans les industries proches des habitations. Dans le cas d une centrale de production d électricité de base, la cogénération est difficilement applicable. Bilan : Nucléaire Cycle combiné 35% 60%

23 7.2 Puissance unitaire : La puissance unitaire est un peu moins importante que le rendement, mais on doit quand même en tenir compte. En effet, si la production unitaire d une centrale est trop faible, cela ne vaut pas la peine de la construire dans le cadre de cette étude. Nucléaire : Parmi les projets de centrales constructibles en Suisse, il y a le ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor). C est la toute dernière génération de BWR. Sa puissance unitaire peut aller jusqu à 1600 MW. Parmi les projets, il y a aussi le EPR (European Pressurized Reactor / Evolutionary Power Reactor). C est la toute dernière génération de PWR. Sa puissance peut aller jusqu à 1650 MW. Cycle combiné : Les centrales à cycle combiné ont elles aussi une puissance unitaire assez élevée. Elle peut aller de 200 à 1000 MW pour les plus puissantes. Mais actuellement les grandes centrales construites ont une puissance de 600 MW. Bilan : Nucléaire Cycle Combiné 1600 MW 600 MW 7.3 Durée de vie : La durée de vie de la centrale peut avoir son importance dans cette étude. En effet, nous cherchons une énergie de transition qui doit pouvoir tenir jusqu à ce que des nouvelles technologies propres puissent être utilisables à une échelle plus élevée. Nucléaire : Pour la plupart des centrales nucléaires (celles utilisées en Suisse) la durée de vie est de 40 ans. Mais avec la nouvelle génération de centrale, la durée de vie pourrait aller jusqu à 60 ans. Cycle combiné : «En l'absence de données statistiques significatives et compte tenu des températures élevées en entrée de turbine, la durée de vie annoncée de 30 ans est peut-être optimiste. Une durée de vie de 25 ans apparaît plus probable.»

24 Bilan : Nucléaire Cycle combiné 40/60 ans 25/30 ans 7.4 Durée de construction : Rappelons-nous qu une pénurie d électricité est prévue pour 2020 en Suisse. Ainsi plus la centrale est construite vite, plus cela permettra d'éviter les importations d électricité. Nucléaire : Le temps nécessaire à la planification et à la réalisation d une grande centrale nucléaire est d environ 20 ans. Ce temps peut toutefois être légèrement réduit si l on utilise les restes d une ancienne centrale pour construire la nouvelle (en remplaçant les centrales nucléaires arrivées en fin de vie par exemple). Cycle combiné : Le temps nécessaire pour la planification et la réalisation d une centrale à cycle combiné est de 5 à 7 ans en Suisse, moins encore à l étranger. Ce temps peut toutefois être légèrement réduit si l on utilise les restes d une ancienne centrale pour construire la nouvelle (celle de Chavalon par exemple). Note : Rappelons-nous aussi qu aucune centrale à cycle combiné n a été construite en Suisse, par conséquent certaines autorisations sont nécessaires. Ainsi, cela prolonge le temps de réalisation d une telle centrale. Pour le nucléaire, un long cheminement doit aussi être fait pour construire une nouvelle centrale. Tout d abord, une autorisation cadre doit être requise. Plus d informations sur cette autorisation cadre au point Ceci peut donc augmenter le temps de réalisation de ces centrales. Ne pouvant lire dans l avenir et estimer et prévoir ces retards je tiendrai compte des valeurs théoriques. Bilan : Nucléaire Cycle combiné 20 ans 7 ans

25 7.5 Observation intermédiaire : Sur un point de vue physique et technique, les deux centrales sont difficiles à départager. Le nucléaire présente un net avantage sur la puissance unitaire ainsi que la durée de vie. Mais le nucléaire est lourdement pénalisé par le temps de planification et de construction (ce temps placerait la première centrale nucléaire possible à 2030!) et aussi par l un de ses plus gros défauts, son rendement énergétique très bas. On peut donc donner un avantage pour les centrales à cycle combiné. En effet, le temps de planification des centrales nucléaires ne permettrait pas de répondre à la pénurie d électricité en Suisse qui devrait arriver entre 2012 et 2020, alors que celui des centrales à cycle combiné coïncide parfaitement avec la demande. 8. Écologie : Ce point est à l heure actuelle très important. En effet, le réchauffement climatique ne nous permet pas de construire des centrales trop polluantes, comme celles au charbon par exemple. Mais il existe d autres sources de pollution que les gaz à effet de serre. Comme par exemple la pollution radioactive, la pollution sonore, la pollution chimique, la pollution atmosphérique, la pollution calorifique, la pollution lumineuse, la pollution des ondes bref toutes les sortes de pollutions (plus ou moins graves) possibles. Mais seules certaines d entre elles sont à prendre en compte pour ces deux centrales. 8.1 Gaz à effet de serre (CO 2 ) : Sur ce point la comparaison est vite faite. En effet, une centrale nucléaire n émet pas de CO 2 lors de la production de son électricité. Bien sûr il y a une pollution lors de la construction de la centrale, lors du transport de certaines marchandises et lors de la transformation du combustible, mais cela reste faible en comparaison des centrales à cycle combiné. En effet, l un des plus gros point faible des centrales à cycle combiné est la production de CO 2. Si l on utilise du gaz naturel dans cette centrale, c est toutefois la moins polluante de toutes les centrales thermiques à énergie fossile. Ce problème d émission de CO 2 se reporte aussi du point de vue économique. En effet, une taxation du CO 2 est possible en Suisse, bien qu inexistante aujourd hui

26 Regardons ces émissions sous un autre angle. L implantation de centrales à cycle combiné, permettrait, dans les pays utilisant des centrales thermiques classiques, de réduire l émission de gaz à effet de serre. Une centrale d une puissance de 400 MW rejette dans l atmosphère à peu près 750'000 tonnes de CO 2 par année. La production d'électricité de la Suisse est la plus propre d'europe au niveau des émissions de CO 2. Elle est de 12g/ kwh. En comparaison, elle est de 350g/kWh pour l Union Européenne et de plus de 500g/kWh pour l Allemagne et l Italie. Avec trois centrales d une puissance de 400 MW, les émissions liées à la production d électricité en Suisse ne seraient que de 48g/kWh. 12 En Suisse, toute construction de centrales produisant du CO 2 doit pouvoir compenser ses émissions par un autre moyen (plus de détails au point 10.1). C est pour cela que certaines entreprises d'électricité (Axpo par exemple) renoncent à construire ce type de centrale. Mais d autres (comme EOS par exemple) ont des idées pour compenser ces émissions, notamment avec l utilisation de l électricité produite pour alimenter des pompes à chaleur. Bilan : Nucléaire Cycle combiné 8.2 Risques de pollution radioactive : Le terme générique de "nucléaire" fait peur à la population en général. En effet, lorsque l on parle de nucléaire, on pense tout de suite bombe nucléaire, accident nucléaire, Tchernobyl Mais ces peurs sont bien souvent infondées. En effet, il y a un risque de pollution radioactive uniquement s'il y a un accident nucléaire. Et un accident nucléaire n est possible que si le site est mal entretenu ou si les études pour l obtention de l autorisation de construction ainsi que les critères nécessaires à la construction étaient incomplets. Autant dire que les risques d un accident nucléaire en Suisse à l heure actuelle sont quasiment nuls, du fait du haut degré de sécurité des installations existantes. 8.3 Risques de pollution calorifique : Comme nous l avons vu précédemment, l eau utilisée dans les centrales nucléaires est refroidie avec l eau d une rivière. Ainsi cela peut réchauffer le cours d eau et occasionner un danger pour la flore et la faune aquatique. Mais heureusement, en Suisse, les règles sont strictes à ce sujet. On utilise donc des tours de refroidissement avant d utiliser la rivière. On évite ainsi tout danger de pollution calorifique des rivières