Quelles énergies pour 2050?

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1 Laboratoire Ampère Unité Mixte de Recherche CNRS Génie Électrique, Électromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications Quelles énergies pour 2050? Directeur de Recherche CNRS, Laboratoire Ampère Génie électrique et électronique de puissance Responsable du programme PROGELEC, ANR Production Renouvelable et Gestion de l Électricité Musée du car 11 mai

2 Sommaire Un brin de physique Les énergies renouvelables Énergie solaire Énergie éolienne Stockage de l'énergie Nucléaire ou charbon? Applications Usage 2

3 Un brin de physique La vérité en physique? L'expérience! 3

4 Un brin de physique : puissance 1000 km Ordre de grandeur puissance, W = Watt k = 1000 M = 106 G = 109 T = 1012 taille cyclone 1 km Centrale nucléaire Ariane éolienne voiture 1m cheval homme Hiroshima Turbine à gaz 1W 1 kw 1 MW 1 TW 1 GW puissance 4

5 Un brin de physique : ordres de grandeur L'énergie, 1 Joule = 1 J = 1 Watt x 1 seconde 1 Wh = 3600 J (Watt heure) 1 kwh = 3,6 MJ 1 tep = 11,63 MWh = 41,86 GJ (tonne d'équivalent pétrole) 5

6 Un brin de physique Premier Principe Conservation de l'énergie Mouvement perpétuel Sources d'énergie Transformation de l'énergie 1 litre d'eau à 60 C + 1 litre d'eau à 40 C = 2 litres d'eau à 50 C 1 litre d'eau à 60 C + 1 litre d'eau à 40 C = 1 litre d'eau à 80 C + 1 litre d'eau à 20 C? 6

7 Un brin de physique Second Principe 1 litre d'eau à 60 C + 1 litre d'eau à 40 C = 2 litres d'eau à 50 C 1 litre d'eau à 60 C + 1 litre d'eau à 40 C = 1 litre d'eau à 80 C + 1 litre d'eau à 20 C? Dégradation de l'énergie : la chaleur! 7

8 Un brin de physique Second Principe: rendement de Carnot T Chaude η=1 T froide Réversible! 8

9 Un brin de physique Second Principe: rendement de Carnot T Chaude η=1 T froide Réversible! Irréversibilité : le temps s'écoule... 9

10 Un brin de physique Second Principe: rendement de Carnot T Chaude η=1 T froide Réversible! Irréversibilité : le temps s'écoule... Dégradation de l'énergie (production de chaleur) Centrale (charbon, nucléaire) : η ~ 30 % 10

11 Un brin de physique Second Principe: rendement de Carnot T Chaude η=1 T froide Réversible! Irréversibilité : le temps s'écoule... Dégradation de l'énergie (production de chaleur) Centrale (charbon, nucléaire) : η ~ 30 % Moteur thermique (voiture ) : η ~ 15 % 11

12 Un brin de physique Second Principe: rendement de Carnot T Chaude η=1 T froide Réversible! Irréversibilité : le temps s'écoule... Dégradation de l'énergie (production de chaleur) Centrale (charbon, nucléaire) : η ~ 30 % Moteur thermique (voiture ) : η ~ 15 % Moteur électrique : η 99 % Électronique de puissance : η 99 % Économie d'énergie ~ Électrification 12

13 Un brin de physique Énergie grise (cycle de vie, écoconception) Matériau Bois Béton armé Aluminium Énergie grise (MWh/m3) 0,1 à 0,6 1,

14 Un brin de physique Second Principe L'eau tiède! Existe t-il des mécanismes contraires? Mécanismes qui accumulent de l'énergie? Oui, la vie Rendement énergétique : ~ 1 % Exosquelette 14

15 Les énergies renouvelables Grenelle de l'environnement Le réchauffement climatique 100 % EnR 15

16 Les énergies renouvelables Réchauffement climatique Émissions de CO2 Climato-sceptiques? Réchauffement climatique : oui Dû à l'activité humaine : peut-être Consommer les ressources fossiles : non! Ressources fossiles : des millions d'années, Activité industrielle des dizaines d'années. 16

17 Les énergies renouvelables Épuisement des énergies fossiles Épuisement des matières Énergie fossiles : c'est en cours L'eau potable : elle est polluée un peu partout Lithium, Gallium, Terres rares Métaux rares toxicités 17

18 Les énergies renouvelables Chine restreint ses exportations de terres rares. Le Monde du 14 mars 2012 La plupart des matériaux rares existent un peu partout dans le monde. Investissement très lourds Rentables à long terme Très polluant Surpopulation 18

19 Les énergies renouvelables énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine. Soleil (énergie solaire, ) Éolienne, Hydraulique, Biomasse Terre (géothermie...) Solaire, éolien : intermittence 19

20 Les énergies renouvelables : parts divers 4% divers 1% renouvelable 7% renouvelable 5% électricité 21% électricité 23% gaz naturel 20% gaz naturel 23% charbon 5% charbon 3% produits pétroliers 42% EU 27 en Énergie disponible pour la consommation finale : TWh [eurostat-08] produits pétroliers 46% France en Énergie disponible pour la consommation finale : 1846 TWh [eurostat-08] 20

21 Les énergies renouvelables : parts Le potentiel! 21

22 Énergie Solaire Soleil Naine jaune (étoile) Réacteur de fusion thermonucléaire (ITER) 150 millions de km! Le jour et la nuit (rotation de la terre) 23

23 Énergie Solaire : rayonnement PV thermique 24

24 Énergie Solaire : thermique Chauffe-eau et chauffage solaire Simple et robuste Stockage 25

25 Énergie Solaire : thermique - CSP Solaire thermique à concentration (CSP) Nevada Solar One (SolarPaces 2008, Las Vegas,NV) 26

26 Énergie Solaire : thermique - CSP Nevada Solar One (SolarPaces 2008, Las Vegas,NV) 27

27 Énergie Solaire : thermique - CSP Centrale thermique! Nevada Solar One (SolarPaces 2008, Las Vegas,NV) 28

28 Énergie Solaire : thermique - CSP Panneaux solaires Stockage thermique Production d'électricité Source : IEA CSP roadmap,

29 Énergie Solaire : CSP carburant Stockage/production Depuis le stockage Coût en $/MWh 350 Source : IEA CSP roadmap, années 30

30 Énergie solaire : photovoltaïque Ensoleillement en kwh/m²/an LPCM CNRS # kwh/m²/an Source : ADEME 31

31 Énergie solaire : photovoltaïque Source : ADEME 32

32 Énergie solaire : photovoltaïque Rendement maximal (NREL) Coûts minimaux et maximaux ( /MWh) ,7 0,65 0,6 0,55 0, ,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0, Source : W. Hoffmannn, EPIA, Valencia 2008 Rendement maximal théorique > 80 % Prise en compte des convertisseurs et maintenance va de venir de plus en plus significative L'énergie photovoltaïque est une énergie d'avenir! 33

33 Énergie éolienne Vive le vent! 34

34 Énergie éolienne En cours de déploiement massif, Coût raisonnable, Nuisance? Connexion au réseau? Terres rares? Potentiel de l'éolien terrestre 35

35 Énergie éolienne : marine Eolien offshore Appel d'offre de l'état Coût plus élevé, Nuisance Connexion au réseau? Éolien flottant? 36

36 Bilan PV+éolien Intermittence => besoin de stockage ~ 1,2 TWh 37

37 Stockage d'énergie Nécessaire au développement des énergies renouvelables intermittentes 38

38 Stockage de l'énergie (ordres de grandeur) nature nom Chimique Carburants liquides (essence) Biocarburants Capacité (kwh/kg) 13 Coût ( /MWh cycles) 160 / / 1 0, /1 Biologique Sucres, lipides (alimentation) Thermique Briques, sels, chang. de phases Électrochimie Batteries (Li-ion, Ni-Mh, Pb) 0, k /1000 Batteries à flux 0,03 3 M / 10k k / 1k Condensateurs 0, M / 1 M Supercondensateurs 0, k / 1 M Inductif supraconducteur (SMES) 0,005 1M/1M Air comprimé (CAES) 0, k / 10 k Volants d'inerties 0, k / 100 k 0, k /100 k Piles à combustible Électrique Mécanique Hydraulique pompé (STEP) 39

39 Stockage de l'énergie : électrochimie Lithium-ion (Pb, Ni-mh...) Sécurité (électrodes) Cyclabilité (~ 1000) : durée de vie Densité énergétique (0,15 kwh/kg) : autonomie Coût : ~ 500 /kwh Réserve de lithium Progrès attendus : Li-air (5 kwh/kg)... Durée de vie (7000 cycles) Déploiement : téléphone mobile, PC portable, véhicule électrique 40

40 Stockage de l'énergie : électrochimie Pile à combustible (PaC,FC) Hydrogène = carburant sans CO2 Électrolyseur membrane échangeuse de protons (PEMFC) : nafion oxyde solide (SOFC) : haute température Stockage 1 kg (H2) = 10 kg d'acier, hydrure métallique Pile à méthanol (éthanol) Catalyseur : platine (biomimétisme, photosynthèse ) Coût 100 k pour un VE technologie pour 2050 Déploiement : Alimentations de sauvegarde (USA) 41

41 Stockage de l'énergie : CAES Stockage à air comprimé Stockage géologique Rendement correct Coût moyen Récupération de la chaleur Acceptabilité? 42

42 Stockage de l'énergie : STEP Station de Transfert d'énergie par Pompage Barrage hydraulique avec deux réservoirs Pompage-turbinage Bon rendement > 80 % Faible coût (d'adaptation) Géographie adaptée! Moins de 10 % des besoins 43

43 Stockage de l'énergie : bilan Pas de solution simple! Besoin d'une production régulière et contrôlable tant que des solutions de stockage ne sont pas massivement déployées. Cette énergie doit être peu coûteuse : Le nucléaire Le charbon 44

44 Nucléaire ou charbon? En attendant des solutions de stockage 45

45 Nucléaire ou charbon Fission nucléaire ( fusion) : un neutron frappe un gros noyau atomique (Uranium), le casse en noyaux plus petits et émet plusieurs neutrons (réaction en chaîne). Danger des centrales nucléaires : radiation, Dangereux, Tchernobyl : emballement, de 4000 à décès, déchets. très polémique! 46

46 Nucléaire ou charbon L'industrie du charbon est dangereuse : Mine Silicose décès par an! (Les dossiers de la Recherche, n 47, février 2012) L'industrie nucléaire est dangereuse et elle tue dans les pays riches L'industrie du charbon est dangereuse et elle tue beaucoup plus mais dans des pays pauvres! 47

47 Nucléaire ou charbon Coût ( /MWh) Ces industries sont condamnées pour des raisons économiques, 700 à moyen terme! PV Valeurs sans stockage! 300 éolien Énergies ponctuelles Nucléaire charbon années 48

48 Applications Transports Réseaux Habitat Usage 49

49 Application au transport Consommation en 2005 : 165 Mtep Émission de CO2 : 327 Mt Industrie 21% Industrie 24% Transport 34% Transport 49% habitat 30% habitat 42% source : DG TREN 2005 Le trajet domicile-travail correspondent à une proportion importante (70 %) de la consommation et des émissions de CO2 des voitures, et 80 % des émissions de CO2. Le trajet journalier moyen < 30 km! 50

50 Application au transport Véhicule électrique motorisation électrique pile à combustible batterie : li-ion rendement > 50 % Véhicule hybride moteur thermique + électrique stop & go hybride parallèle ou série (groupe électrogène) hybride rechargeable : lourd haut de gamme récupération d'énergie au freinage... Thomas Edison 51

51 Application au transport Véhicule bas de gamme électrique : stratégie Renault Pour le trajet domicile-travail Véhicule thermique voire avec une pile à combustible Pour les trajets longs Nous aurons donc toujours besoin de carburant liquide carburant liquide renouvelable? Biocarburant (3ème génération) Carburant de synthèse 52

52 Application au transport Carburant de synthèse À partir des énergies fossiles (Fischer et Tropsch) Capture du CO2 + H2 par électrolyse + énergie renouvelable (forme de stockage) Photosynthèse Méthanol ou éthanol (peu de carbone) Pas renouvelable! Carburant de synthèse (Biomasse) 53

53 Application aux réseaux électriques Smart Grid Super Grid - DESERTEC 54

54 Application aux réseaux électriques La bataille des courants Thomas Edison, courants continus George Westinghouse et Nikola Tesla, courants alternatifs Chaise électrique Transformateur électrique : lignes à haute tension Alternateur Ligne haute tension à courant continu, HVDC 55

55 Application aux réseaux électriques Ligne haute tension à courant continu, HVDC Ligne longue (λ = 6000 km à 50 Hz) Câbles (capacité = énergie réactive) Éolien offshore (câbles, HVDC) Coût d'une ligne aérienne (Pyrénées)? Courant continu haute tension (HVDC) IFA 2000 (interconnexion France-Royaume-Uni) Point à point 56

56 Application aux réseaux électriques La question n'est plus de savoir si nous passerons aux courants continus mais quand nous y passerons (EPE, 2011)! Électronique de puissance à haute tension : carbure de silicium, SiC 100 MW = 1 cm3 57

57 Application aux réseaux électriques Smart Grid (réseaux intelligents) Facturation à la seconde (lissage des intermittences) Consommateur intelligent Producteur intelligent Le stockage va devenir rentable 58

58 Application à l'habitat Isolation thermique (énergie grise!) Panneaux photovoltaïques (courant continu) Charges à courant continu (hifi, PC, électroménager, éclairage à LED...) Réseaux à courant continu = 30 % d'économie (bureaux) Actionneurs intelligents (volets, puits canadien, double parois...) Consommation locale de l'énergie = source d'économie 59

59 Quel usage Véhicule électrique : rendement de 50 % 3 fois moins de consommation d'énergie 3 fois plus de kilomètres Sécurité énergétique (DESERTEC) Génération et consommation locale de l'énergie Villa ou centre ville? Analyse sur cycle de vie! 60

60 Conclusion Photovoltaïque à fort rendement, voire CSP Consommation locale Réseaux intelligents Véhicules électriques + transports en commun ferrés Carburants renouvelables Limite des ressources de la planète : surpopulation 61