Perspectives énergétiques Christian Ngô ECRIN

Transcription

1 Perspectives énergétiques Christian Ngô ECRIN

2 L énergie Il faut de l énergie pour fabriquer les biens de consommation, pour se déplacer L énergie est indispensable à la vie, au développement économique et à l amélioration des conditions de vie En 200 ans, en France Consommation énergétique par 14 par français (croissance de 1,3%/an) 28 pour la France (soit 1,75%/an) (population 2) Espérance de vie => inférieure à 30 ans 1900 => environ 50 ans 2000 => plus de 75 ans

3 L énergie Évolution de la richesse des français ais Entre 1400 et ,3 Entre 1950 et Dans le monde 6 milliards d habitants mais 2 milliards sans électricité Espérance de vie de ceux qui ont le moins accès à l énergie 36,5 ans Pour le futur Croissance mondiale prévue 2-2,5%/an 2%/an consommation 2,7 en 2050, 7,2 en 2100 Explosion de l urbanisationl à 75% de la population mondiale 85% dans les pays industrialisés

4 Quelle évolution? Évolution de la population mondiale milliard milliards milliards milliards ou moins? Chaque jour il y a environ habitants supplémentaires 1 2 Plus d habitants = consommation énergétique accrue Augmentation de niveau de vie les pays en voie de développement (2,8 milliards d habitants vivent avec moins de 2$/jour) Besoin de plus d énergie Augmentation de la consommation énergétique

5 Sources d énergie Un monde dominé par les combustibles fossiles Charbon Pétrole Gaz Nucléaire Énergies renouvelables Hydraulique Nucléaire 6,6% 6,5% Pétrole Charbon 38,5% 24,7% Hydraulique Solaire (thermique, photovoltaïque) Éolien Biomasse (houille verte, déchets) Géothermie Consommation mondiale d énergie primaire (2001) 23,7% Gaz + biomasse non commerciale (un peu plus de 10%) Remarque : la biomasse est renouvelable si l on replante ce que l on consomme

6 Énergie primaire : toujours plus En 2000 : 9 Gtep (0,95 Gtep en 1900). 9 Gtep réservoir: surface de la ville de Paris et 106 m de haut Unité d énergie : Joule (J), kwh (1kWh=3,6 MJ) 1kWh = remonter 3,6 tonnes d eau d une hauteur de 100 m = un camion de 10 tonnes roulant à 100km/h Ne pas confondre énergie et puissance Énergie et vivant L homme a besoin de 2,7 kwh/jour Grossesse 90 kwh Un français consomme en moyenne 150 kwh/jour Manger équivalent à Mtep ( 6% de notre consommation d énergie totale)

7 Énergie et puissance Il ne faut pas confondre 40 l d essence 1760 MJ ( 1,8 GJ=500 kwh) + = 500 kwh en 5 h 100 kw + = 500 kwh en 10 s 180 MW De T.Vassallo Certaines sources d énergie ne peuvent pas fournir de grandes puissances Le consommateur veut avoir de l énergie où il le veut et quand il le veut

8 Deux problèmes préoccupants Accroissement de l effet de serre Énergies fossiles Répartition inégale sur la planète Variabilité des prix perturbation de l él économie À long terme, raréfaction des ressources bon marché.

9 L effet de serre Sans effet de serre la température moyenne de la terre serait à -18 C. Elle de +15 C. Depuis le début de l ère pré-industrielle l effet de serre a augmenté d environ 1% De 1750 à 2000, augmentation de 2,43 W/m 2 N2O 6% Halons 14% CH4 20% CO2 60% Le méthane est 23fois plus nocif pour l effet de serre que le CO 2 La vapeur d eau est un gaz à effet de serre mais ce que rejette l homme ne perturbe pas le climat global

10 Rejet de CO 2 Combustibles fossiles : plus il y a d hydrogène, moins il y a d émission de CO 2 Pour une 1 kwh électrique: Charbon Environ 1000g de CO 2 Pétrole Environ 750 g de CO 2 Gaz Environ 500 g de CO 2 Centrale de Porcheville Émission annuelle en CO 2 par habitant (tonnes de carbone) USA 5,2 tonnes (tonnes de carbone) RFA 3,2 France 1,8 soit 1,8 moins qu un allemand et 2,9 fois moins qu un habitant des USA Une voiture qui fait km/an ( 200g CO 2 /km) 3 tonnes de CO 2 (CO2=44/12 C) Respiration humaine 500 kg CO 2 /an

11 Les combustibles fossiles Ils émettent tous du gaz carbonique (séquestration?) Réserves limitées Le charbon Le plus polluant, plusieurs centaines d années de réserves En terme de radioactivité émise : 1 centrale charbon = 100 centrales nucléaires pour la dose à la population Le pétrole Le plus commode. La meilleure forme d énergie Actuellement irremplaçable pour les transports. Le gaz Utilisation en forte croissance (turbines à cycle combiné excellents rendements), le moins polluant

12 Quand la production du pétrole p «bon marché» déclinera-t-elle? En % 140 Gt 110 Gt 44% Extrait Reste King Hubbert en 1956 : la production des USA déclinera en 1969 (réalité 1970) Ref. réserves de pétrole : C. Campbell, J. Laherrère, Pour la Science 1998, n 247 Vers 2010 si réserves = 140 Gt Vers 2020 si 2 fois plus de réserves En 2050 même production qu aujourd hui Depuis le début des années 80 les quantités annuelles découvertes sont inférieures à la consommation

13

14 Gaz Où sont les Réserves R? ARABIE SEOUDITE IRAK KOWEIT IRAN ABOU DHABI VENEZUELA EX URSS MEXIQUE USA CHINE LYBIE RESERVES DE PETROLE N 1 : Arabie Saoudite N 2 : Irak ex URSS IRAN Abou Dhabi Arabie Séoudite USA Algerie Venezuela Norvège Mexique Pays Bas ex URSS RESERVES DE GAZ RESERVES N 1 : ex-urss N 2 : Iran RESERVES DE CHARBON Pétrole conventionnel Gtep Charbon En Europe Allemagne (n 5) Pologne (n 8) USA CHINE AUSTRALIE ALLEMAGNE INDE AFRIQUE DU SUD POLOGNE N 1 : ex-urss N 2 : USA Schistes bitumineux + sables asphaltiques plusieurs centaines de Gtep. Mais coûteux en énergie et polluant à exploiter Gtep

15 Les énergies renouvelables Exploitées depuis que l homme maîtrise le feu Intermittentes et diluées, souvent trop chères Comment pallier à ces inconvénients? Grande hydraulique Très rentable, presque complètement exploitée en France Pour la France 56% de la production électrique en 1960 Les puissances peuvent être considérables Exemple Barrage des 3 gorges (Chine) 18 GW (Réservoir : 2km de large, 640 km de long, 185 m de profondeur Petite hydraulique, marées, vagues, énergie thermique des océans

16 Les énergies renouvelables Le solaire thermique Capteurs solaires Eau chaude sanitaire, planchers chauffants Centrales solaires On concentre l énergie du soleil (T>1000 C) électricité Le solaire photovoltaïque Très cher pour le connecté réseau (0,45 /kwh >10 fois le prix du kwh conventionnel) Rentable en autonome dans les pays en voie de développement (1,5 /kwh) Technologie actuelle : beaucoup d énergie pour fabriquer les cellules (4-5 ans de fonctionnement pour récupérer l énergie)

17 L éolien Les énergies renouvelables 2 à 3 fois plus cher que le kwh standard Un réacteur nucléaire de 1000 MW e = plus de éoliennes de 1,5 MW Éolien off-shore nécessite une centrale thermique en complément La géothermie Origine : radioactivité terrestre Production mondiale ,3 TWh Exploitable à court terme en France 3 TWh/an (1 centrale nucléaire de 1000 MWe 7 TWh/an)

18 La biomasse Les énergies renouvelables La plante permet de stocker l énergie solaire tout en consommant du CO 2. Faible rendement énergétique ( 1% zones tempérées) es) Le bois 1/3 moins énergétique que le pétrole 1 centrale nucléaire de 1GW e = plus de 2500 km 2 de forêts Biocarburants 3 fois plus chers que le pétrole. Rouler ou manger (1 litre de pétrole pour faire 2 litres d ester de colza) Déchets Déchets organiques très utilisés dans le monde (fiente de volaille, excréments de porcs )

19 Production électrique à base d énergies renouvelables Dominée par l hydraulique Biocarburants Biogaz Résidus récoltes Bois Déchets urbains solides Géothermie Solaire Eolien Hydraulique France métropolitaine (1998) GWh Source DGEMP

20 Production de chaleur à base d énergies renouvelables Dominée par la biomasse Biocarburants Biogaz Résidus agricoles Bois Déchets solides urbains Géothermie Solaire Eolien France métropolitaine (1998) ktep Source DGEMP

21 Le Nucléaire : Une énergie très concentrée La fission est une énergie très concentrée (plus d un million de fois plus que le pétrole) 1g de matière fissile kwh 1g de pétrole 0,015 kwh Le premier réacteur nucléaire était naturel (Oklo, il y a 2 milliards d années). Le nucléaire actuel : les réacteurs à neutrons lents Electricité peu chère Ne contribue pas à l effet de serre Il existe des solutions scientifiques pour les déchets mais pas de décision politique

22 L énergie nucléaire Une faible dépendance vis à vis du combustible Prix de l uranium : une faible part du prix du kwh Si le prix de l U est multiplié par 10, le prix du kwh augmente de moins de 40% (pour le gaz, 70% du prix du kwh vient du prix du gaz) Mais réserves 100 ans Le nucléaire du futur : réacteurs à neutrons les rapides Un réacteur à eau sous pression de 1400 MW (N4) fonctionnant pendant 40 ans produit 7000t d U appauvri, 1000t d U de retraitement, 11t de Pu. Des réacteurs rapides utilisant ces matières peuvent fournir cette puissance pendant 8000 ans Réserves pour des dizaines de milliers d années

23 La fusion : énergie de l avenirl Fusion de deux noyaux légers (deutérium-tritium) Au stade de la recherche Réserves d-t > quelques milliers d années d-d > âge du soleil Réalisation industrielle sans doute pas avant la fin du siècle Déchets à vie courte Fusion versus fission quel sera le prix du kwh? ITER, un projet international Cadarache le site candidat pour la France

24 La gestion des déchetsd Toute activité humaine génère g des déchetsd La dilution Le confinement Certains déchets sont localisés, d autres délocalisés Lorsque les déchets sont localisés et maîtrisés il n y a pas de pollution

25 Ordre de grandeur des déchets d localisés Par personne et par an, en France Déchets inertes et ménagers Déchets industriels 2200 kg 800 kg dont 100 kg de déchets fortement toxiques Déchets nucléaires 1 kg dont 10 grammes nécessitent une grande attention

26 Déchets de l él énergie nucléaire Retraiter pour avoir des déchets ultimes Pour 1 tonne de combustible Actinides mineurs Produits de fission 0,852 kg 35,6 kg Pour réduire les déchets ultimes Faire une séparation poussée Transmuter (en réacteur ) Un déchet à vie longue est peu radioactif Plutonium 10 kg Un déchet à vie courte est très radioactif chaleur si émission très ionisante Uranium 935,548 kg Kilogrammes

27 Le stockage de l él énergie le point faible de la filière énergétique Matériau Essence Batteries au plomb Hydraulique Air comprimé Densité d énergie (kwh/kg) 14 0,04 0,3/m 3 (100m) 2/m 3 (70 bars) Pile LR6 quelques centaines d le kwh Une pile peut nécessiter, pour la fabriquer, jusqu à 150 fois l énergie que l on va récupérer Si stockage domestique, surcoût 0,15 /kwh

28 L énergie la plus propre est celle que l on l ne consomme pas Cheminée classique : rendement 10-15% Foyers fermés : rendement 70-80% Veilles Télévision (80 W) pour 3h 240 Wh veille (15W) pour 21h 315 Wh Mise en veille 6 GW (niveau mondial) = Puissance Vietnam Exemple de progrès : la lampe à incandescence Entre 1879 (Edison) et maintenant diminution par 9 de la consommation pour ma même quantité de lumière Cogénération Production de chaleur et d Production de chaleur et d électricité Système standard : Électricité (~ 35%), Chaleur (~ 65%) Cogénération (80-90%). On diminue la quantité de CO 2 par kwh (thermique + électrique) produit

29 Transports 25% Consommation finale en France 2000 (Mt) Industrie 27% 53,8 57,9 Agriculture 2% 3,4 100,7 Résidentiel-tertiaire 46% Chaleur (eau chaude + chauffage) poste important Résidentiel 80% de l énergie consommée Tertiaire 60% de l énergie consommée Le pétrole est indispensable pour les transports 50 Mt = Erika ( t), 217 Amoco Cadiz ( t) 50 Mt 1 million de barils de pétrole par jour

30 Les transports : le prochain défi d À court terme Améliorer les moteurs et carburants actuels Véhicules hybrides (électrique-thermique) À long terme Hydrogène (piles à combustibles)? Biocarburants rouler ou manger? Voiture électrique (autonomie)?? Comment produire le carburant, avec quelle énergie? En 1998, ordres de grandeur Transports terrestres kwh Aériens kwh Maritimes kwh

31 L hydrogène Vecteur énergétique du futur? Moyen de stockage? Eau (très abondante), gaz et pétrole mais il faut de l énergie pour le produire L hydrogène produit par électrolyse est 3-4 fois plus cher que par les combustibles fossiles Pour quelle utilisation? Directe (avions) Piles à combustibles (stationnaires, transports) Micro et Minipiles, SOFC (stationnaire), PEMFC Stockage Comprimé, liquéfié L hydrogène sera intéressant à grande échelle lorsque le prix du baril de pétrole sera > $/baril

32 Hydrogène et transports Piles à combustible Ce n est pas pour demain Transport de masse : encore de nombreux problèmes Prix (7500 /kw < 45 /kw) Catalyseur (pour les véhicules il faut 280 fois la production annuelle de Pt), etc. Hydrogène + piles à combustible Pour les transports il faudrait Électrolyse de l eau 450 TWh environ 60 réacteurs nucléaires (1000 MW e ) ou éoliennes (1,5 MW) Essence à partir du charbon moins de 70$/baril

33 Conclusion Faire des économies En utilisant la technologie et l éducation Trouver le meilleur panachage énergétique Il dépend de chaque pays, de la région Utiliser toutes les sources d énergies Ce sera nécessaire pour satisfaire les besoins (déclin du pétrole bon marché) La recherche est importante Diminuer les coûts de l énergie. Augmenter les rendements. Stocker l énergie efficacement et à faible coût Des ruptures technologiques peuvent complètement changer le paysage