Énergie : enjeux et perspectives

Énergie : enjeux et perspectives Pascale GILLON ICARE, CNRS Orléans France Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité Environnement Mars 2013 1

LES SOURCES D ENERGIE Sommaire ENERGIES FOSSILES pétrole brut gaz naturel charbons énergies fossiles non conventionnelles PROBLEMATIQUES LIEES A LA COMBUSTION pollution atmosphérique effet de serre ENERGIE RENOUVELABLES CHIMIQUES ET DEVELOPPEMENT DURABLE : CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE biocarburants de 1 ère génération (bioéthanol, biodiesel) bioénergies de 2 ème génération (biogaz, bio huile) hydrogène-biohydrogène CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 2

LES SOURCES D ENERGIE 3

Qu est-ce que l énergie? NOTION D «ÉNERGIE» 4

Notion d énergie L énergie au quotidien est une force en action. En voici quelques exemples : La flamme de la cuisinière à gaz fournit l énergie nécessaire pour la cuisson L énergie produite par les réacteurs d un avion permet à ce dernier de voler et d arriver à bon port sans s écraser L énergie lumineuse dispensée par le Soleil alimente la croissance des plantes de la Terre L énergie humaine, au sens propre comme figuré, permet aux hommes de réaliser des exploits 5

Notion d énergie Grande pyramide de Gizeh (Égypte ; -2550 av. J.-C L'énergie déployée pour réaliser les monuments de l antiquité ou historique nous étonne toujours Temple d Artémis, ou temple d Éphèse (560-440 av. J-C. ; Selçuk, Turquie) Le Mont-Saint-Michel (709) Le château de Chambord (1519-1547) 6

Les sources d énergie L'énergie provient de différentes sources que l on trouve dans la nature : Bois Charbon Pétrole Gaz Vent Tronc d arbre coupé Mine de charbon à ciel ouvert Rayonnement solaire Extraction de pétrole (Arabie Saoudite) Chutes d eau Oléoduc de gaz naturel (Alaska) Uranium Barrage du Chevril (ou de Tignes) ; 253 millions de m3, 1 milliard de kwh (source EDF) 7

Les sources d énergie Le soleil Les énergies fossiles le charbon le pétrole le gaz naturel Electricité primaire l énergie hydraulique le nucléaire Autres sources les combustibles traditionnels (bois, tourbe) la biomasse et les déchets l énergie éolienne l énergie des vagues et des marées la géothermie 8

L'énergie peut prendre différentes formes Énergie musculaire Énergie bio-chimique Énergie électrique Énergie mécanique Chimique-thermique Naim Suleymanoglu, haltérophile, lors des jeux olympiques d Atlanta (1996) La photosynthèse des plantes est un processus biochimique Arbre touché par la foudre Marteaux et pointes d accroche dans un piano Flammes sortant des réacteurs de la fusée Ariane IV au décollage, 2006) 9

Evolution technologique et consommation d éd énergie Consommation journalière (millions de barils EP) 1860 : 8 1920 : 20 1980 : 150 2000 : 200 2030 : 400 Population : 1860 : 1 Milliard 1920 : 2 1980 : 5 2000 : 6 2030 : 8 10

ENERGIES FOSSILES 11

ENERGIES FOSSILES 81% des besoins énergétiques mondiaux en 2000 pétrole : 35% gaz naturel : 22% charbons : 24% Nucléaire : 7% Hydroélectricité et géothermie : 3% Solaire et éolienne : 0,2% Biomasse (bois et déchets) : 10% 12

Pétrole brut Mais réserves prouvées de pétrole brut conventionnel consommées en 2045 en fait probablement avant 13

Découvertes et production de pétrole brut Gb/an Découvertes Gb/a 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Discovery Production Production 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 http://cordis.europa.eu/fp6/dc/index.cfm?fuseaction=usersite.fp6homepage 14

Gaz Naturel (GN) épuisement prévu 2070 (d après réserves prouvées de GN conventionnel) 15

Charbons o solide composé essentiellement de carbone + minéraux + composés organiques selon degré de houillification Tourbe ; lignite ; houille ; anthracite ; graphite o ressources abondantes mais exploitation délaissée en Europe o utilisations sidérurgie chauffage production d électricité (55% aux USA, 70% en Chine) conversion possible en carburants liquides : Gazéification du charbon puis procédés Fischer-Tropsch (FT) Charbon CO + H 2 Carburants liquides o combustion du charbon généralement plus polluante que celle du gaz naturel GN préféré o 250 ans de réserves prouvées Réactivation probable de la filière 16

Energies fossiles et combustion : problématiques environnementales UV Couche d ozone Climat Qualité de l air 17

Énergies fossiles et combustion : Problématiques Combustion Espèces soufrées CO 2 Effet de serre NO x O 3 COV HC suies Pluies acides Modifications du climat Pollution chimique troposphérique et stratosphérique Effets sur la couche d ozone Effets sur la santé 18

Energies fossiles et effet de serre Les cinq années les plus chaudes depuis 1890 : 2005 1998 2002 2003 2006 19

Energies fossiles, effet de serre et développement durable : captage du CO 2 20

Les énergies renouvelables Une énergie renouvelable est une énergie qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l échelle de l'homme. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre elle-même (énergie géothermique) 21

Les énergies renouvelables le solaire L énergie solaire thermique L énergie photovoltaïque L héliothermodynamique L énergie solaire passive Production de vapeur à partir de la chaleur du Soleil par concentration, puis conversion de la vapeur en électricité Production d électricité à partir de la lumière, grâce à des panneaux solaires Utilisation directe de la lumière du Soleil pour le chauffage Production de chaleur par conversion de l énergie contenue dans le rayonnement solaire ; rentable pour le chauffage dans les régions ensoleillées. de haut en bas : chauffe-eau solaire, cuiseur solaire. 22

Les énergies renouvelables : l eau L énergie des vagues L énergie marémotrice L énergie osmotique Utilisation de l énergie résultant de la diffusion ionique provoquée par l arrivée d eau douce dans de l eau salée de mer ; une énergie chimique est transformée en énergie mécanique L énergie maréthermique Exploitation de la différence de température entre les eaux profondes et les eaux superficielles des océans. C est à Jules Verne (1828-1905) que l on doit cette idée, dans Vingt mille lieus sous les mers. L énergie hydrolienne Schéma de fonctionnement d'une usine utilisant l'énergie des vagues Utilisation de la puissance du mouvement des vagues ; la puissance théorique récupérable est de 50 kw par mètre de côte. Principe de fonctionnement de l énergie marémotrice Utilisation de la puissance issue du mouvement des marées Utilisation de la puissance des courants sousmarins 23

Énergies renouvelables : le vent L énergie éolienne Cette énergie est tirée du vent au moyen d un dispositif aérogénérateur (éolienne, moulin à vent) Éolienne de production d électricité et éolienne de pompage d eau La génération d électricité se fait en ajoutant à l éolienne un générateur électrique pour fabriquer un courant continu ou alternatif ; le générateur est relié à un réseau électrique ou à un parc de batteries. L éolien est aussi utilisé pour le pompage de l eau, à destination du bétail, pour l irrigation des cultures, etc. 24

Les énergies renouvelables : la géothermie Le principe consiste à extraire l énergie géothermique contenue dans le sol pour l utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité. Centrale géothermique islandaise. À Reykjavik, 80 % des habitations sont chauffées à l aide de l énergie géothermique Champ géothermique de Hverarönd (Islande, baluchiterium, 2003) Par rapport à d autres énergies renouvelables, la géothermie présente l avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (Soleil, pluie, vent). Les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années. Vues schématiques d une maison équipée d une installation géothermique (pompe à chaleur géothermique) et d une sonde 25

ENERGIES RENOUVELABLES CHIMIQUES CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE (BIOCARBURANTS ET BIOCOMBUSTIBLES) 26

BIOMASSE La conversion de la radiation solaire en énergie chimique par la photosynthèse conduit à la croissance de bois, d herbes et de formes aquatiques qui constituent la biomasse. carburants électricité chauffage 27

Les biocarburants Thématique «ancienne» : Diesel (1900) Avantages Sécurité d approvisionnement Réseaux de distribution et technologie des moteurs existants Environnement Moins d émissions polluantes Réduction de l effet de serre par réduction de l émission de CO2 fossile Agriculture Aménagement du territoire Débouchés 28

Coûts Les biocarburants Inconvénients mais coûts identiques aux carburants fossiles avec un pétrole à 75 dollars le baril Augmentation du prix des matières premières Utilisation d engrais, de pesticides, défrichements, Compétition pour les terres arables 29

Les biocarburants Issus de la biomasse Carburants (de substitution, co-carburant, additif) : Moteur DIESEL (Huiles végétales pures HVP, EMHV esters méthyliques d huiles végétales, EEHV) Moteur ESSENCE (Éthanol, ETBE ether ethyl tertiobutyle) (CH 3 ) 3 -C-0-C 2 H 5 Seules énergies renouvelables directement disponibles sous forme liquide de nos jours 30

Les biocarburants de 1 ère génération (Agrocarburants) Matières premières : produits de réserve Plantes sucrières et plantes amylacées Plantes oléagineuses BIOETHANOL Betteraves Canne à sucre Erable à sucre Blé Maïs Pommes de terre BIODIESEL (DIESTER) Colza Tournesol Soja Arachide Lin Olivier Palmier à huile Cocotier

Les biocarburants de 1 ère génération Obtention de bioéthanol à partir des plantes amylacées Hydrolyse enzymatique Plantes amylacées Amidon Glucose -amylase amyloglucosidase OH HO O C 6 H 12 O 6 Fermentation anaérobie Saccharomyces cerevisiae HO OH 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 OH 3,5 tonnes de blé produisent 1 tonne d éthanol 1 hectare de céréales produit 2,5 tonnes d éthanol 32

Les biocarburants de 1 ère génération Obtention de bioéthanol à partir des plantes sucrières OH Plantes sucrières saccharose OH OH O O O OH OH C 12 H 22 O 11 + H 2 O Fermentation anaérobie Catalyse enzymatique OH OH HO 4 C 2 H 5 OH + 4 CO 2 12,6 tonnes de betteraves produisent 1 tonne d éthanol 1 hectare de betteraves produit 5,8 tonnes d éthanol 1 hectare de betteraves produit 2 tep/an 33

Les biocarburants de 1 ère génération Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses Plantes oléagineuses trituration Huile végétale : triglycérides O R O O R R : chaîne alkyle (C6-C30) grasse saturée, monoinsaturée ou polyinsaturée R O O O 34

Les biocarburants de 1 ère génération R Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses : trans estérification Huile végétale : triglycérides O O R O O O O R +3 CH 3 OH Cat. 50 C P atm R O O + OH ester CH 3 glycol HO 35 OH

Biocarburants : bilan environnemental Remplacer un litre d essence par : un litre d éthanol un litre d ETBE (ether ethyl tertiobutyl) - 75 % gaz à effet de serre - 31 % gaz à effet de serre Remplacer un litre de gazole par : un litre d EMHV ester méthylique d huile végétale - 80 % gaz à effet de serre 36

Biocarburants de 1 ère génération : carburants de substitution? Culture initiale Poids brut de carburant obtenu par hectare (tonnes) tep/ tonne Energie brute produite par ha (tep) Nombre de km 2 mobilisés pour produire 50 Mtep en % du territoire français en % des SAU 1997 Huile Colza 1,37 1 1,37 365000 66% 122% Huile Tournesol 1,06 1 1,06 472000 86% 157% Ethanol Betterave 5,78 0,69 3,98 125500 23% 42% Ethanol Blé 2,55 0,69 1,76 284000 52% 95% source : rapport DIREM/ADEME sur les biocarburants, 2003 37

Biocarburants et biocombustibles de 2 ème o issus de la biomasse non alimentaire génération o branches mortes, écorces, broyats divers, plaquettes forestières o biomasse agricole non-spécifique : paille, son, déchets industrie viticole o biomasse agricole dédiée (spécifique) : taillis à très courte rotation (TTCR : bouleau, saule), Miscanthus giganteus o sous-produits et résidus de l industrie papetière o lisiers, décharges (ordures ménagères), stations d épuration, etc. (biogaz) o huiles végétales usées o microalgues (biocarburant et biogaz) 38

Conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique : Bio-huile pyrolyse lente bois, déchets forestiers, déchets agricoles pyrolyse rapide 600 C dt/dt faible 5-30 min 650 C dt/dt très élevée trempe 0,5-5 s Huile + «charbons» + gaz Bio-huile CO + H 2 FT Chauffage industriel (Autres conversions thermochimiques : gazéification) Électricité Biocarburants de 2 ème génération 39

Méthanisation de la biomasse : Biogaz Méthanisation de la biomasse (eaux usées, boues de stations d épuration, déjections animales, déchets de l industrie agroalimentaire, ordures ménagères) dans un digesteur : Fermentation anaérobie des matières organiques pendant 1 à 3 semaines 55 à 80 % de méthane 20 à 45 % de CO 2 épuration électricité «Gaz Naturel» réseau Carburants liquides GNV 40

BIOGAZ Fabrication en plusieurs étapes : la récolte: déchets des agro-industries, des déchets municipaux et de des déchets agricoles. la méthanisation dans un digesteur contenant des bactéries méthanogènes 1-hydrolise : la matière organique est décomposé par action de l'eau 2-acidogénèse : la matière décomposé forme des acides organiques. 3- acétogénèse : l'acide acétique CH3COOH produit par bactéries acétogènes 4- méthanogénèse :CH3COOH --> CH4 + CO2 entre 25 C et 45 C et peut durer jusqu'à un mois Avantages et inconvénients Substitut du pétrole Bilan neutre en CO2 Production d engrais MAIS Coût de l installation et de fonctionnement Odeurs Rejets liquides Déséquilibre minéral des engrais 41

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Le biogaz peut être utilisé selon plusieurs modes de valorisation 3 filières : Énergie thermique Énergie électrique Biocarburant 44

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Microalgues : une nouvelle source d énergie? Stockage de l énergie solaire Capacité à fixer le CO 2 sur les substances organiques Taux de croissance élevé (rendements théoriques 30 fois supérieurs aux agrocarburants actuels) Adaptées à une grande variété de climats et de terres Surfaces utilisées qui n'entrent pas en concurrence avec l agriculture alimentaire Mais il n existe pas de procédé grande échelle faisable économiquement : - productivité insuffisante en volume (forte dilution dans l eau) - optimisation de la souche d algues pour un profil de lipides produits mal contrôlé - coût des procédés en aval de la culture - recyclage des résidus et des engrais 46

Microalgues Certaines microalgues ont des propriétés particulièrement intéressantes : une partie du CO 2 incorporée dans leur biomasse à l'aide de l'énergie solaire est transformée en huile. Certaines espèces peuvent contenir jusqu à 70 % de leur masse en huile, (comparée à 5% pour la majorité des graines issues de l agriculture) laquelle peut servir de carburant au même titre que celle de colza ou de tournesol. Croissance par division cellulaire mais production lipidique par effet de stress qui arrête la division. Deux moyens de culture : systèmes ouverts ou systèmes fermés (photobioréacteurs). 47

Microalgues : les recherches à ICARE concevoir un dispositif de culture en photobioréacteur étudier les paramètres de croissance et de stress définir les modalités d'extraction, analyser la composition de l'huile, trans estérifier pour en faire un carburant ou gazéifier par traitement hydrothermique étudier le comportement en combustion 48

Photobioréacteur Le photobioréacteur est un dispositif fermé pour la culture des microalgues. Les algues en milieu aqueux circulent dans un canal transparent soumis à la lumière avec injection de CO 2 et de nutriments. La période de croissance d environ 30 jours est suivie d une période 49 de stress pour augmenter le stockage de lipides dans les cellules.

Microalgues en photobioréacteur Les paramètres de culture sont nombreux et interagissent entre eux et au cours du temps : - Intensité lumineuse : penser la géométrie des systèmes de culture pour que chaque cellule ait le meilleur accès à la lumière - Taux de CO2 : garantir une teneur en CO2 dissous en fonction de l activité des cellules mais maîtriser l acidité du milieu - Taux d oxygène produit par la photosynthèse, éviter la suroxygènation -ph - Concentration en nutriments (N et P) - Cycle jour/nuit - Température - Vitesse de déplacement 50

algues lumière eau CO 2 nutriments culture récolte séparation solide-liquide biomasse humide séchage extraction des lipides chauffage gazéification hydrothermique transesterification production de biodiesel CH 4 +H 2 H 2 O 51

Conclusions La production de bioénergie peut limiter les effets de la raréfaction des énergies fossiles Il reste de nombreux travaux à développer Étendue des sources de biomasse Diversité des procédés de conversion Influence de la source sur la combustion Les microalgues peuvent être une solution à condition d être capable de passer à grande échelle sur des production en continu durable et respectueuse de l environnement à coupler au recyclage des gaz à effet de serre à intégrer sur un procédé complet de recyclage de l eau, des minéraux et des autres déchets. en limitant l emploi des solvants dans la bioraffinerie 52

Merci de votre attention 53

Définitions ETBE C O C 2 H 5 Ester méthylique d huile végétale EMHV estérification O O R 1 C + OH R 2 R 1 C + H 2 O OH Trans estérification O CH 3 CH 3 CH 3 R C + OH R R C + OH R O-R O R O O R 2 54

Définition tep : tonne équivalent pétrole 1 tep=41,868 GJ 1 tonne de pétrole brut correspond à peu près à 7,3 barils 55

Procédé Fischer-Tropsch Transformation gaz liquide 2(n+1)H 2 + nco catalyseur C n H 2n+2 + n H 2 O Température 150 300 C Éviter le soufre (poison de catalyseur) Catalyseur au Cobalt à basse T pour favoriser les longues chaînes d alcanes Couplage gazéification de la biomasse avec la réaction Fischer-Tropsch pour faire des biocarburants 56

Les thèmes de recherche conduits à ICARE sur les biocarburants Détermination des paramètres thermocinétiques Étude de la cinétique de la combustion Gazéification de biomasse dans l eau supercritique Vaporisation de gouttelettes de biocarburants en conditions de moteur diesel Propagation de flammes de biogaz et syngaz 57

Gazéification de la biomasse par eau supercritique Les déchets issus de l agriculture constituent un des gisements les plus importants d énergie renouvelable. Leur conversion en biocarburants pour des applications via la combustion augmente son intérêt économique malgré une faible valeur calorifique initiale. La conversion peut être réalisée dans l eau supercritique. L eau supercritique est obtenue au-delà de 374 C et 22 MPa (c est un fluide qui a des propriétés spécifiques entre un gaz et un liquide ; en particulier, c est un solvant pour tous les composés organiques). Les réactions de décomposition y sont très rapides et complètes. L intérêt ici est que l on peut traiter la biomasse humide ce qui améliore la balance énergétique en éliminant le besoin de la sécher. A Icare, la dissolution, l hydrolyse et l oxydation en eau supercritique ont été étudiées dans une cellule diamant hydrothermique sur de petits volumes de naphtalène, de cellulose et de glucose. Actuellement les travaux se poursuivent sur de la biomasse réelle (vinasses et microalgues). Des visualisations durant la gazéification de la biomasse sont obtenues et les produits de la décomposition sont analysés. 58

Gazéification de la biomasse par eau supercritique Diagramme schématique du dispositif expérimental HDAC (hydrothermal diamond anvil cell) Chambre de 50 nl Pression 2000MPa Température 500 C N 2 Suivi décomposition en fonction du temps 59