Quels objectifs pour une transition énergétique? La position de la Société Chimique de France. Stanislas POMMERET Président de l lnter-division Energie Société Chimique de France EyeWire, Inc www.scf15.fr 1
Le contexte Les raisons objectives de la croissance de la demande énergétique La nécessité de renouveler notre système énergétique Le 5 ème rapport du GIEC www.scf15.fr 2
Les raisons objectives de la croissance de la demande énergétique Une répartition inégale du «gâteau» Source BP 2012, Consommation d énergie primaire en tep/habitant/an www.scf15.fr 3
Les raisons objectives de la croissance de la demande énergétique Indice de Développement Humain Source AIE/ONU 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 1 10 Consommation énergétique (Tep/habitant/an) Une corrélation très forte entre les indices de développement et la consommation d énergie www.scf15.fr 4
Les raisons objectives de la croissance de la demande énergétique Un modèle énergétique de la zone Asie-Pacifique grand consommateur de charbon Source BP 2012 www.scf15.fr 5
Le 5 ème rapport du GIEC www.scf15.fr 7
Les projections du 5 ème rapport du GIEC www.scf15.fr 9
Le mix énergétique Français Un peu d histoire Etat des lieux en 2012 Un modèle en trompe-l œil? www.scf15.fr 10
Un peu d histoire La production d énergie primaire en France www.scf15.fr 11
Etat des lieux en 2012 www.scf15.fr 12
Un modèle en trompe-l œil? Un effort notable pour réduire nos émissions compensé par une hausse de la teneur en GES de nos importations. www.scf15.fr 14
Les championnats du monde des économies décarbonées La France et les grandes zones économiques Les championnats du monde La nécessaire mobilisation de tous les pays www.scf15.fr 15
La France et les grandes zones économiques Si les pays européens de l OCDE avaient le même mix énergétique que la France, les émissions de CO 2 de la zone OCDE-Europe seraient réduits de 25%. Source AIE, 2011 www.scf15.fr 16
Les champions du monde de l économie décarbonée Source AIE, 2011 www.scf15.fr 17
La nécessaire mobilisation de tous les pays + 5,7% par an Source AIE 2011 www.scf15.fr 18
La loi relative à la transition énergétique pour une croissance verte L article 1 er Article 1 er : vision prospective Article 1 er : la position de la SCF Article 53 : le seul sur la recherche Position de la SCF sur le débat science-société Article 49 bis : l amorce du débat science-société www.scf15.fr 19
Article 1 er : vision prospective Source valeurs initiales SOeS, modèle à effort constant -20% en 2020 et -50% en 2050-30% en 2030 23% en 2020 et 32% en 2030 Seule la consommation d énergie finale est imposée par la loi en 2050 www.scf15.fr 21
L article 49 bis : l amorce du débat science-société Article 49 bis (nouveau) Le titre IV du livre Ier du code de l énergie est complété par un chapitre V ainsi rédigé : «CHAPITRE V o «Le comité d experts pour la transition énergétique o «Art. L. 145-1. Le comité d experts pour la transition énergétique est consulté dans le cadre de l élaboration du budget carbone et de la stratégie bas-carbone prévus à la sous-section 1 de la section 1 du chapitre II du titre II du livre II du code de l environnement, ainsi que de la programmation pluriannuelle de l énergie mentionnée au chapitre Ier du présent titre IV. À ce titre, il rend un avis sur les modalités d élaboration de l étude d impact mentionnée à l article L. 141-3. o «Le comité d experts est composé d un nombre de membres inférieur à dix, nommés en raison de leurs qualifications juridiques, économiques et techniques. Les fonctions de membre du comité d experts sont incompatibles avec tout mandat électif communal, départemental, régional, national ou européen et avec la détention, directe ou indirecte, d intérêts dans une entreprise du secteur de l énergie. Les membres du comité d experts exercent leurs fonctions à titre gratuit. o «Un décret en Conseil d État fixe les conditions d application du présent chapitre.» Amendement déposé par Denis Baupin et adopté par l Assemblée Nationale www.scf15.fr 25
Futur EPR CHIMIE ET NUCLÉAIRE Réacteur rapide Sodium www.scf15.fr 26
Chimie et cycle du combustible Chimie des Procédés & de l Environnement www.scf15.fr 29
Chimie et séparation des combustibles usés L extraction liquide-liquide : une technique de choix pour extraire/recycler les actinides www.scf15.fr 30
Chimie et cycle du combustible Chimie des Matériaux www.scf15.fr 31
Déformation Chimie des matériaux (1) Les matériaux ODS pour le gainage des combustibles à très fort taux de combustion des réacteurs à neutrons rapides au sodium Déplacements par atome www.scf15.fr 32
Conclusion Conclusion : la chimie essentielle pour un développement sûr et optimisé de l usage du nucléaire La chimie intervient à toutes les étapes de la production de l énergie nucléaire et est une des clés majeures de son développement www.scf15.fr 35
Biomasse & fossile : quel avenir pour les chimies du carbone? www.scf15.fr 36
Nouvelles technologies de valorisation des ressources fossiles Le renchérissement continu des hydrocarbures conventionnels, les forts enjeux géopolitiques associés, et l épuisement progressif de la production primaire des réservoirs exploités aujourd hui (30 % au maximum de l huile initialement en place) sont à l origine d un très fort intérêt pour les procédés de récupération améliorée et pour le recours à des hydrocarbures dits non conventionnels (huiles lourdes, gaz et huiles de schistes, etc.). La technique de récupération améliorée la plus prometteuse consiste en un balayage à l eau rendu plus efficace par des formulations combinant polymères viscosifiants et tensio-actifs, de sorte à mieux percoler la roche réservoir et vaincre les forces capillaires qui piègent l huile résiduelle. La valorisation des hydrocarbures non conventionnels en carburants liquides et propres pour le transport appelle des progrès continus sur les procédés et catalyseurs d hydroraffinage des huiles lourdes, et renouvelle l intérêt pour l activation du CH 4 et des alcanes en général (couplage oxydant, ). Les variantes du procédé de synthèse Fischer-Tropsch partant de charbon, gaz ou biomasse et permettant de produire des carburants liquides purs aux très bonnes propriétés de combustion, sont appelées à jouer un rôle très significatif dans la transition énergétique. Les enjeux se situent ici dans l intensification et l efficacité énergétique, basées sur des progrès en génie des procédés, catalyse, et séparation www.scf15.fr 37
2014 - IFP Energies nouvelles R&I Procédés éco-efficients Les technologies éco-efficientes dans l'industrie pour répondre au besoin croissant en carburants et intermédiaires chimiques (dont H 2 ) Améliorer les technologies de conversion des bruts lourds (procédés et catalyseurs), de purification des carburants, de production d'intermédiaires pétrochimiques et de production d'hydrogène Réalisations... HyGenSys : procédé de production d hydrogène à partir de gaz naturel, émettant moins de CO 2 et ayant un coût plus faible que les technologies existantes. Pilote du procédé mis en œuvre en 2013, en partenariat avec Heurtey Petrochem Série de catalyseurs Impulse TM * : catalyseurs pour l hydrotraitement de gazole et le prétraitement en hydrocraquage. Plus de 30 références industrielles acquises par Axens 24 * commercialisés par Axens, filiale d IFPEN www.scf15.fr 39
Biomasse et Energie Le développement de procédés de production de biocarburants ou d intermédiaires pour la chimie basés sur l usage de la biomasse, présente le triple avantage : o de contribuer à l indépendance énergétique des pays non producteurs d hydrocarbures fossiles, o de contribuer à limiter la réémission de carbone fossile dans l atmosphère, o de s appuyer sur une ressource renouvelable dans des conditions compatibles avec les finalités alimentaires animale et humaine. www.scf15.fr 41
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Valorisation/Captage du CO 2 Basée sur l utilisation de ressources pétrochimiques ou de la biomasse, mais aussi forte consommatrice d énergie primaire, la chimie dans son ensemble doit s investir dans une meilleure gestion du CO 2. Ce produit indésirable devra alors : o être capturé, o éventuellement stocké, o ou bien transformé par réduction et couplages en produits chimiques à haute valeur ajoutée, au prix d un apport d énergie décarbonée. www.scf15.fr 44
Captage et stockage souterrain du CO 2 B. Garcia et V. Rouchon, l Actualité Chimique février-mars 2013 N 371-372 P57-60 www.scf15.fr 46
Valorisation chimique du CO 2 M. Röper, l Actualité Chimique février-mars 2013 N 371-372 P62-66 CO 2 4 H2 / - 2 H2O Ni cat. CH4 Synthetic Synthetic natural Natural gas Gas CH4 2 CO + 2 H2 CO + 2 H2 Syngas Syngas CO2 2 NH3 - H2O - NH3 - CO2 Urea Urea Melamine H2 - H2O H2 Fe cat. CO Co cat. - H2O 3 H2 Cu/Zn CH 3OH - H2O cat. - H2O (CH3)2O Olefins, Paraffins Methanol Dimethyl DME ether (DME) CO / H2 CH3OH Methanol Methanol MTBE Formaldehyde Methyl Methyl methacrylate Acetic acid Acetic acid zeolite Ethylene, - H2O Propylene Propylene Poly(propylene carbonate) Poly(propylene carbonate) 2 CH3OH - H2O Dimethyl Dimethyl carbonate (DMC) (R = H, CH3) Ethylene carbonate Ethylene carbonate Propylene Propylene carbonate carbonate H2 Formic Formic acid acid H2 HNMe2 Dimethyl formamide Dimethyl formamide Sodium phenolate Sodium salicylate Sodium salicylate Ethylene NaOH Sodium acrylate Sodium acrylate www.scf15.fr 47
Chimie de la lumière et du stockage www.scf15.fr 48
La chimie des nanomatériaux pour des solutions innovantes Nanomateriaux et nanochimie, des éléments clés pour le développement des énergies décarbonées économiser les ressources naturelles Composant des cellules photovoltaïques Piles à combustible Matériaux pour les batteries Catalyseurs de transformation de la biomasse Composants pour le stockage électrochimique www.scf15.fr 49
Les défis énergétiques. vus du ciel Gâchis Energétiques Energie diffuse Collecte-Concentration- Transport Intermittence Stockage www.scf15.fr 50
La problématique du stockage Coût Amorti du Stockage par Cycle (CCC = Capital Cost par Cycle) 100 Zn-Air Li-ion Ni-Cd Pb-Acide Na-S Redox Flow (RFB) Condensateurs Coût de production de l éolien 10 Cents/ kwh/ cycle Coût de production du nucléaire et du charbon Volants Inertie 1 CCC Capital / Energie Nombre de cycles Rendement Thermique (Sels) Hydro PSH 0.1 Adapted from www.electricitystorage.org www.scf15.fr 51
Stockage Stationnaire vs. Portable Stationnaire Portable Li-ion : 90 % Li-ion : 100 % Na-S: 200-400 MW Pb-Acid: 45-125 MW Ni-Cd : 26-40 MW Li-ion : 45 MW (0.036 % de E stockée) Redox Flow : 3-11 MW www.scf15.fr 53
Diagramme de Ragone (Automobile) Condensateurs Couplage Energie-Puissance = Vitesse (dé)charge Accélération facteur 15 = autonomie 600 kg 48 L www.scf15.fr 54
Redox-Flow : Principe, Avantages, Inconvénients http://www.youtube.com/watch?v=ibgenqvljls Maria Skyllas-Kazacos Group Réservoir 1 Ox 1 PUISSANCE Cellule Electrochimique Red 2 Réservoir 2 Red 1 e- Ox 2 ENERGIE Ox 1 Red 1 anions Red 2 Ox 2 ENERGIE Découplage entre PUISSANCE et ENERGIE Différents modes de Recharge De nombreux choix possibles démontrés (VRB, Zn-Br, Fe-Cr, Br-polysulfures) Faibles densités d Energie car : - solutions peu concentrées (1-2 mole/l) : 30 (VRB)-80 (Zn-Br) Wh/kg - solutions aqueuses (V < 1.2 Volts) Déjà commercialisées pour le stationnaire www.scf15.fr 55
Applications pour stockage de l Energie Eolienne (VRB) Hokkaido, Japan. Modules de 250 kw. Total : 4 MW / 6 MWh (2005) King Island (Australia) 250 kw / 1 MWh (2003) 1800 habitants www.scf15.fr 56
/ Cheval Vapeur / Cheval Les catalyseurs : la clé des piles à combustibles Réduction de la quantité de Pt nécessaire grâce aux micro et nanotechnologies Traditionnel Microtechnologies Nanotechnologies électrodes en platine 100000 Micro-particules de Pt (spray) Nano particules Pt / C Localisation du Pt (CVD)? Nano-ingénierie catalyseur bimétallique 10000 1000 100 Nanoarchitecture de l électrode : utilisation de 100% du métal 10 Limite supérieure de coût par comparaison à un moteur thermique de 130 CV @ 3500 1 brevets CEA 1955 1970 1980 1990 2000 2006 2007 2008 2010 www.scf15.fr 57
Photovoltaïque : une ressource importante Un m 2 reçoit de 1 à 2 MWh/an www.scf15.fr 58
Photovoltaïque : principales technologies www.scf15.fr 59
Photovoltaïque : un marché en très forte croissance 50-100 GW par an d ici 2020 Situation en 2000 : «épaisseur du trait» Situation en 2013 : 140 GW, 34 GW en Allemagne, 17 GW en Italie, 4 GW en France Electricité : 7% en Italie, 5% en Allemagne (jusqu à 30 en pic), 1% en France 40% de croissance moyenne par an www.scf15.fr 60
Photovoltaïque : une grande industrie de la chimie - grade métallurgique (99%, >10 000 ppm, 1700 C) : SiO 2 + 2C Si + 2CO - grade électronique(1 ppm) Dissolution & distillation (250 C) Si + HCl SiHCl 3 Craquage réducteur par CVD en présence d H 2 à 1000 C SiHCl 3 Si 2009 : 18 000 tonnes 2013 : 300 000 tonnes -Recristallisation des lingots 1450 C (up to 450 kg) (dopage B, - Découpe, décapage, texturation -traitement de diffusion ( POCl 3 ) conversion type n -Contacts (sérigraphie) www.scf15.fr 62
Photovoltaïque : une industrie www.scf15.fr 63
Exemple de chimie de l état solide pour le solaire Intégration de nanofils de silicium dans une cellule solaire Collection des charges nanofils Substrat silicium Une approche complémentaire aux hétérojonctions Si www.scf15.fr 64
De nouveaux matériaux révolutionnaires Nouveau record en novembre 2014 : 20,1% www.scf15.fr 65
Chimie bio-inspirée & énergie www.scf15.fr 66
Production de biocarburants par photosynthèse directe H 2, propane Bacteries photosynthétiques H2 Micro-algues www.scf15.fr 67
Les matériaux stratégiques Une forte dépendance de l UE vis-à-vis du reste du monde Une forte volatilité des prix et des risques de ruptures La nécessité de les recycler, de les économiser et de chercher à les substituer www.scf15.fr 70
Biopiles à combustible H 2 /O 2 : un concept émergent Des biocatalyseurs en remplacement du platine Biodégradables et biorenouvelables Actifs sur une large gamme de ph et température Anode : Hydrogénase Efficaces et spécifiques : forts courants et faibles surtension, pas de membrane séparatrice dans la biopile Cathode : Bilirubin oxidase Structuration 3D du collecteur de courant Protéine à Ni et Fe Résistante au CO Protéine à Cu Preuve de concept 2005 2010 2012 2014 5 µw/cm 2 OCV = 1.1 V A. de Poulpiquet et al., PCCP (2014) A. de Poulpiquet et al., Electrochem. Commun. (2014) A. de Poulpiquet et al., ChemElectroChem. (2014) 60 µw/cm 2 350 µw/cm 2 1.5 mw/cm 2 www.scf15.fr 71
Catalyseurs biomimétiques sans Pt pour la production/combustion d H 2 Catalyseur bio-inspiré Hydrogenase Nano-matériaux catalytiques bio-inspirés Artero, Palacin and coll. Science, 2009, 326, 1384 www.scf15.fr 74
Photosynthèse artificielle et photoproduction d H 2 Dye-sensitized Solar Cells Odobel and coll. J. Phys Chem Lett 2013, 4, 2551 Dye-sensitized PhotoElectroChemical Cells Centre réactionnel Photosynthétique Supramolecular catalyst for H 2 evolution V. Artero et al.. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 564 www.scf15.fr 75
Chimie et Energie La chimie intervient à tous les stades dans les technologies clefs pour la production, le stockage et la transformation de l énergie. La chimie de l énergie fait appel à de très nombreuses disciplines de la chimie pour résoudre les défis auxquels nos sociétés sont confrontées. Les concepts innovants feront appel à des connaissances à l interface de la biologie, de la physique et de la chimie. Les procédés du futur devront reposer sur une analyse de leur cycle de vie pour être durables et économes des ressources naturelles grâce à une chimie innovante. www.scf15.fr 76