La recherche scientifique face aux défis de l énergie: quelques exemples

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1 1er colloque Energie CNRS & Académie des Technologies : La Recherche au cœur de la transition Energétique La recherche scientifique face aux défis de l énergie: quelques exemples Sébastien Candel Laboratoire EM2C, CNRS, Ecole Centrale Paris 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

2 «Energy is the single most important technological challenge facing humanity today. Nothing else in science or technology comes close in comparison» L énergie est le défi technologique le plus important que l humanité ait à affronter aujourd hui. Rien en science ou en technologie ne s en approche Nathan Lewis, Powering the planet, Engineering and Science, Caltech, n 2, /15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

3 Accumulation des gaz à effet de serre Les facteurs du changement global Croissance des besoins énergétiques Epuisement des ressources fossiles Augmentation des émissions polluantes

4 Production Mb/j 120 Le «peak oil» sera un long plateau suivi d une lente décroissance D après Yves Mathieu, IFPEN (2006) 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

5 Energie primaire dans le monde en 2010 : Gtep 13.3 % 5.6 % 81.1 % Energies renouvelables Energie nucléaire Energies fossiles Hydraulique Gtep (2.3%) Biomasse (bois) Gtep (10%) Autres renouvelables Gtep (1%) Nucléaire Gtep Total pour la combustion : 91.1 % Charbon Gtep (27.3%) Pétrole Gtep (32.3%) Gaz Gtep (21.4%) 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

6 La croissance des énergies fossiles Production d énergie primaire par type de ressource (Mtep) Production de charbon par région (Mt) Production de gaz naturel par région ( en milliards de m 3 ) En 40 ans La production d énergie primaire a été multipliée par 2.2 La production de charbon a été multipliée par 2.6 La production de gaz naturel a été multipliée par 3.3 6

7 Energie primaire en France en 2010: 270 Mtep Chiffres arrondis, d après le mémento sur l énergie, 2011, CEA 10% 40% 50% Energies renouvelables Energie nucléaire Energies fossiles Hydraulique + Eolien 7 Mtep ( 2.5 %) Biomasse (bois) + solaire thermique 17.1 Mtep (6.3 %) Autres renouvelables 0.9 Mtep Nucléaire Mtep Total pour la combustion : 55 % Charbon 11.4 Mtep (4.2 %) Pétrole 82.0 Mtep (30 %) Gaz 40.1 Mtep (15 %) 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

8 La facture énergétique de la France en 2012 : 61 milliards 88% du déficit commercial de la France correspond aux achats d énergies fossiles Le trou de la balance énergétique en 2011 devrait donc être encore plus large cette année que l'an passé. En 2010, il avait déjà atteint 47,8 milliards d'euros contre 39,7 milliards en Depuis le début de la décennie 2000, la facture énergétique de la France n'a cessé de se creuser et depuis 2003, la moitié de la détérioration du solde commercial français est liée au facteur énergie. 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

9 Sûreté et risques Acceptabilité sociale Science et technologie Energie Environnement gaz à effet de serre, émissions polluantes Capacités et atouts industriels Facteurs économiques et indépendance énergétique Un problème complexe qui devrait être envisagé de façon rationnelle, en écartant les prises de positions émotionnelles Ressources Efficacité énergétique Sécurité d approvisionnement 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

10 «Il n y a pas de vent favorable pour celui qui n a pas de port» (Sénèque) Le rôle de la science dans ce débat est d identifier les voies de recherche qui permettront de faire face au besoin croissant d énergie, de discerner à l avance les problèmes scientifiques majeurs qu'il faudra surmonter au prix d'un effort soutenu, de permettre d'aborder ces problèmes de façon raisonnée et systématique, sans a priori. 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

11 Il y a clairement besoin d améliorer l efficacité énergétique au niveau de la production et de la consommation notamment dans l habitat, la mobilité et l industrie Augmenter l efficacité énergétique permet à la fois d améliorer la compétitivité économique, de prolonger les réserves et de réduire les émissions de gaz à effet de serre Dans l utilisation des énergies fossiles, des gains importants peuvent être réalisés par augmentation des rendements des procédés, déploiement de systèmes de cogénération d électricité et de chaleur, hybridation thermique/électrique dans les automobiles, développement de nouvelles technologies de combustion permettant la capture du CO2, son stockage ou sa réutilisation. Il s agit de généraliser les solutions disponibles et rechercher des solutions innovantes Autoplus La réduction de consommation est possible même sur des modèles qui sont plus connus pour leur puissance leur poids et leur cylindrée

12 Airbus A320 Un progrès considérable avec les moteurs à grand taux de dilution moteurs CFM56 produits Passage en atelier tous les 5000 décollages 75% des parts de marché. Compresseur BP Compresseur HP Foyer Soufflante Turbine BP Le débit d air secondaire est 5 fois celui du débit d air primaire Turbine HP 50% Snecma 50% General Electric

13 Le rendement de propulsion augmente avec le taux de dilution A380 Foyer T= lbf (311 kn) (GP7270) d= 3.16 m 10/15/

14 Pour augmenter le taux de dilution, il faut faire croître la puissance spécifique du flux chaud donc augmenter la température d entrée turbine Pour améliorer le rendement thermique, il faut augmenter le taux de compression Rendement thermique du coeur Rendement global 0.2 Turboréacteurs Faible taux de dilution ADP Forts taux de dilution Soufflante non carénée ADP : advanced ducted propellor 10/15/ Rendement de propulsion D après B.L. Koff (2004) Journal of Propulsion and Power, 20,

15 Evolution de la consommation spécifique avec le taux de dilution en croisière Turboréacteurs Faibles taux de dilution Grands taux de dilution Très grands Taux de dilution 10/15/2012 Date de certification Adapté de B.L. Koff (2004) Journal of Propulsion and Power, 20,

16 La formule de Breguet-Leduc donne la distance franchissable Propulsion Finesse aérodynamique Consommation spécifique Aérodynamique Rapport des masses initiale et finale Matériaux et structures 10/15/

17 6 Moyenne sur la Flotte (Etats-Unis d Amérique) Evolution de l indice énergétique global Moyens courriers Longs courriers Année d introduction 10/15/2012 d après J.J. Lee (2010) Energy conversion management 51, 189-

18 On peut exprimer l indice d utilisation énergétique en litres de kérosène par 100 km et par siège La masse volumique du kérosène est 10/15/2012 Colloque Energie, CNRS, 2 octobre

19 Le double défi énergétique et environnemental soulève des difficultés majeures 1 ère génération Consommation spécifique, CO2 Chambre simple tête Chambre double tête Oxydes d azote (NOx) Injection multipoint LPP Réduction des émissions de NOx en préservant les performances Réduction des coûts d exploitation Oxydes d azote NOx 1 2 Pression et température 10/15/

20 Pour concevoir des foyers à faible émission d oxydes d azote, assurer la stabilité de la flamme, éviter les phénomènes dynamiques, il faut réaliser des expériences de plus en plus fines Flame swirlée confinée et développer des moyens de simulation de plus en plus complexes pour calculer des écoulements turbulents réactifs

21 La simulation de l allumage d un foyer de turbine à gaz d hélicoptère illustre les progrès considérables réalisés dans le domaine du calcul (travaux Cerfacs-CNRS-Turboméca, réalisés dans le cadre d INCA) 21

22 Allumage d un foyer annulaire Foyer MICCA2, EM2C,CNRS Les expériences d allumage de ce foyer multi-injecteurs peuvent être utilisées pour valider les méthodes de simulation. La même configuration est exploitée pour analyser la dynamique de la combustion résultant du couplage de la combustion et de modes azimutaux, un problème fondamental pour les turbines à gaz modernes (travaux réalisés par EM2C, CNRS et Snecma dans le cadre d INCA) 10/15/

23 Synthèse et conclusions Prolonger les ressources fossiles, réduire les émissions de gaz à effet de serre, diminuer les niveaux d émissions polluantes sont des objectifs fondamentaux actuels En général, l amélioration de l efficacité énergétique passe par des avancées sur tous les éléments du système comme illustré dans le cas des avions (réduction de la consommation spécifique, réduction de trainée, allégement des structures ) Atteindre ces objectifs nécessite une mobilisation de tous les acteurs et un dialogue intense entre chercheurs, ingénieurs et technologues 10/15/

24 Synthèse et conclusions Plus généralement, l amélioration de l efficacité énergétique et la réduction des émissions polluantes sont des enjeux majeurs dans beaucoup de domaines (automobile, turbines à gaz, procédés ). On retrouve dans ces secteurs des défis semblables et beaucoup de possibilités de progrès 10/15/