Le Nucléaire dans ses Synergies avec les Renouvelables»

Le Nucléaire dans ses Synergies avec les Renouvelables» Frank Carré 1, Nicole Mermilliod 2, Jean-Guy Devezeaux de la Vergne 3 et Serge Durand 4 Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives 1 Direction de l énergie nucléaire 2 Direction de recherche technologique 3 I-Tese Direction de l énergie nucléaire 4 CEA & European Institute of Technology KIC InnoEnergy Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

Synergies entre Nucléaire et Renouvelables 2 Complémentarité entre productions centralisée / stable (nucléaire) et décentralisée / intermittente (renouvelables) Electricité (stockage, gestion intelligente ) Electricité et hydrogène (stockage, transport, industrie ) Electricité, hydrogène et carburants de synthèse ( ) + Chaleur BT + Chaleur industrielle + Recyclage du CO 2 + 3 Autres synergies Acceptation, Risques, Technico-économie, Normalisation Technologies clés et disciplines transverses 4 Perspectives Plusieurs types de synergies 1 Nucléaire et renouvelables : au cœur des politiques énergétiques française et européenne Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

Production électrique en France depuis 1950 600 TWh Production d énergie primaire 2008 : 273,6 Tep (Source MEDDEM) primary energy production 2008 : 273,6Tep source MEDDEM 549 TWh 500 Fossil 8% 400 300 200 coal electricity oil renewable Nuclear 78% 100 - Hydro & renewable 14% 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2008 2010 Source IEA Key Figures 2008 3

Politique énergétique française Satisfaire la demande d énergie croissante (électricité, transports, industrie, agriculture, habitat ) en réduisant les émissions de CO 2 (réduction d un facteur 4 d ici 2050) 13 juillet 2005 Loi de programme sur les orientations de politique énergétique : Economies d énergie, Diversification, Energies renouvelables, Option nucléaire ouverte 9 juin 2009 Discours du President Sarkozy à Chambéry : La France a l ambition politique d être un chef de file sur la scène internationale à la fois pour l énergie nucléaire et pour les énergies renouvelables > 23% d énergies renouvelables Parité des investissements en R&D entre énergies renouvelables et nucléaire 17 juillet 2009 Création de l Alliance Nationale de Coordination de la Recherche pour l Energie (ANCRE) (membres fondateurs : IFP, CNRS, CEA & CPU) Liens à établir avec l European Energy Research Alliance (EERA) CEA : Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives : nucléaire + solaire, biomasse 2 e génération, batteries, énergies marines 4

A New Energy Policy in Europe A new Energy Policy for Europe proposed by the European Commission (Jan. 2007) and endorsed by the Council (March 2007): Security of Supply & Competitiveness Reduction of Greenhouse Gas Emissions At least -20% by 2020 towards a low carbon energy system by 2050 20% renewable energies by 2020 20% energy savings by 2020 Communication from the Commission (Nov. 2007): Maintain competitiveness in fission technologies, together with long-term waste management solutions Complete the preparations for the demonstration of a new generation (Gen-IV) of fission reactors for increased sustainability Implementing initiatives of the SET Plan (> 2008): Sustainable Nuclear Energy Technology Platform European Industrial Initiative to supplement R&D by large experimental and prototype facilities SNE-TP Strategic Research Agenda 5

SET-Plan, EERA & EIT KIC InnoEnergy Strategic Energy Technology Plan (Dec. 2007) Wind energy Solar energy Electricity networks Bio-energy Geothermal Wind Photovoltaic Smart grids Bio-energy Carbon capture & storage Carbon capture & storage Nuclear fission Materials for Nuclear Innovation for the SET-Plan energy-mix CC Benelux: Intelligent energy-efficient buildings & cities CC Iberia: Renewables (wind, CSP, solar PV, marine ) CC Alps Valleys: Sustainable nuclear & renewable energy convergence CC Sweden: Smart electric grid & Electric storage CC Poland +: Clean coal technologies CC Germany: Energy from chemical fuels 6

Production d électricité décarbonée et synergie amont (*) avec la production d électricité photovoltaïque (*) synergie pour un investissement en cellules PV «sans CO 2» Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

Production «bas carbone» de cellules PV Bilan carbone de cellules photovoltaïques dont le silicium est produit en Chine, en Allemagne ou en Europe g CO 2 /Wc Chine (100% charbon) Allemagne Europe ~ 130 gco 2 /Wc en France avec ~80% d électricité «bas carbone» Synergie entre (nucléaire & énergies renouvelables) et solaire photovoltaïque pour un bilan carbone performant de cette énergie 8

Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables par le réseau : Fourniture en base vs intermittente Fourniture centralisée vs décentralisée Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

Complémentarité entre nucléaire et solaire pour le suivi de charge diurne Solaire Nucléaire Fossile Cas d un pays du Golfe arabo-persique: nucléaire en base et solaire pour satisfaire la pointe 10

Réseau intelligent (Smart Grid) Source: EPRI 1111

Réseau intelligent (Smart Grid) Source: EPRI 1212

Gestion dynamique des stockages d énergies Source: IEA 13

Hybridizing Nuclear Energy with Renewable Energy Enhances Integration To Grid Slide 14 Electrical Generation Present Approach Intermittent Renewables Constrained By System Dynamics and Transmission Architecture Peaking Load (Expensive) Baseload (Large, Efficient Generators) Improved Grid Stability and Security Build base generation in excess of peak. Energy not needed for electricity used to make transportation fuels Energy Storage via Fuel Production Efficiency Gains Stable and Resilient Grid Source: Electric Power Demand Data from Market Oversight @FERC.gov 14

Réseau intelligent : synergies via le réseau Un équilibrage spatial du réseau entre énergies centralisées (nucléaire) et décentralisées (éolien et solaire) [excepté les fermes extérieures du type Desertec] Une forte complémentarité entre le nucléaire et l hydraulique gravitaire pour faire face aux pointes avec de l énergie sans carbone Une forte complémentarité entre le nucléaire (base) et la répartition statistique du solaire pendant les périodes de forte demande (journée, surtout dans les pays du Sud avec la climatisation) Mais une gestion difficile dans le même réseau d énergies intermittentes et de l énergie nucléaire, moins modulable que les turbines à gaz. C est surtout pénalisant pour l éolien. 15

Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables pour la production d électricité et d hydrogène Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

Energy for the future: How to manage supply and demand? CO 2 free ENERGY NUCLEAR Example of annual French cycle Type of storage Direct Batteries Applications Clean vehicles Weeks + Smart Grids Indirect RENEWABLE How to store available electricity? H 2 Fuel cells Hydraulics Solar energy Wind Biofuels Wind production per day 17

Mt / an (Europe) L hydrogène : usages, échéances, scénarios 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Prospective I-tésé des marchés de l hydrogène: une visibilité des marchés actuels en-deçà de 2030, un décollage des marchés futurs au-delà Marchés de hydrogène l (Europe) Marché de l hydrogène (Europe) Raffinage Niches démonstrateurs Stockage, niches Transports 0 Chimie Sidérurgie 2000 2010 2020 2030 2040 2050 18

Production nucléaire d hydrogène ~3,2 /kgh 2 Alkaline Electrolysis Nuclear Reactor Elec. LWR Low Low Temperature Temperature Electrolysis Electrolysis High High Temperature Temperature Electrolysis Electrolysis 100% electricity ~4,5 /kgh 2 Heat (With the courtesy of US-DOE NE) Thermochemical Thermochemical Hybrid Hybrid Cycles Cycles Thermochemical Thermochemical Cycles Cycles H 2 100% heat HT Electrolysis ~8 /kgh 2 NGNP NGNP 19

H 2 nucléaire pour les transports et l industrie Primary Energy Electrolyse Alcaline BIOMASS + HYDROGEN BIOFUEL C 6 H 9 O 4 + water + 5.5 H 2 6 -CH 2 - & CO H 2 Transports Distribution Stockage Electrolyse à haute température Biocarburants de 2 e génération Applications industrielles (NH 3, raffinage, chimie ) Transports (PC, combustion) 20

Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables pour la production d électricité, d hydrogène et de biocarburants Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

CtL avec énergie nucléaire (H 2, O 2, chaleur ) Nuclear Hybrid Coal to Liquid Nuclear Plant 250 MWe Electrolyzers Fischer-Tropsch Synthesis Product Upgrade O 2 HTE or LTE H 2 Synfuel 25,000 barrels/ day H 2 S Sulfur Product Coal 4,400 tons/day Gasifier CO 2 Gas Cleanup Uses 70% less coal Virtually no CO 2 emissions Over 95% of carbon in feed is converted to product Steven E. Aumeier 22 22

Synergie nucléaire + électrolyse + biocarburants Intérêt d une augmentation des rendements massiques par l ajout de H 2 Jusqu à plus de deux fois de rendement au kg de biomasse Meilleure utilisation d une ressource limitée (concurrence usage des sols) Le défi : un coût au litre à diminuer, notamment en fonction du prix de l hydrogène Hypothèses gouvernementales de 2020 en France : 10% de carburants renouvelables avec ~2,5% en BtL Soit un enjeu de ~ 1 Mt tonnes de BtL A long terme, l enjeu est de substituer une part significative de la consommation de carburants Intérêt de la production nucléaire d hydrogène (décarbonée) Le démonstrateur BtL de Bure-Saudron Un moyen de «stocker» l électricité dans les carburants Un enjeu de plusieurs dizaines de réacteurs post 2030 en Europe 23

What is a Hybrid Energy System? Slide 24 Tightly coupled systems that exploit complementary characteristics of various energy processes and inputs to produce multiple energy products with life-cycle attributes that help achieve national energy security objectives Benefits include: Greenhouse gas emission reduction Optimal use of carbon / non-carbon energy resources Energy production efficiency Greater system stability while integrating intermittent sources (capital deployment efficiency, flexibility) Flexibility in accommodating technology change & product demand change Domestic resource & production based 24

Nuclear hybrid systems & lifecycle carbon emissions from liquid fuel production g CO 2 -eq / mile driven Conventional Fossil Fuels HTR High Temperature Reactor CTL Coal to Liquid LWR Light Water Reactor BTL Biomass to Liquid Conventional BioFuels Nuclear-Hybrid BioFuels Nuclear energy decreases the carbon cost of all systems to levels well below the current baseline the best results are achieved with nuclear biomass hybrids. 25 25

Besoins en énergie pour le raffinage du pétrole 150 C 300 C 800 C 80% de la chaleur sous forme de vapeur à 400 C 400 C 400 C 600 C 700 C Utilisation de gaz pour la haute température > 600 C 600 C 500 C 900 C 150 C 26

Applications potentielles de la chaleur nucléaire HT En cooperation avec Pré-réduction de minerai par la production nucléaire de gaz de synthèse Une sidérurgie bas carbone avec récupération possible du CO 2 950 C He He surchauffe électrique 900 C 950 C CH4+H2O reformeur CO+H2+ GS: syngas GR: recycled gas CO 2 absorption GR iron ore coeur 400 C circuit primaire IHX cond. turbine pompe H2O cycle de Rankine 850 C 630 C 250 C préchauffe générateur de vapeur 150 C générateur de vapeur pour l absorption du CO2 reactive CH 4 25 C reformer H 2 O 575 C GS CO 2 pre-heating GS+GR GS+GR 815 C 25 C réseau prereduction reactor 170 C soufflante H2O à 25 C Optimisation thermodynamique H 2 O 900 C 25 C CH 4 feed (heating) H 2 O CH 4 feed (heating) pre-reduced iron Un HTR (600 MWt) ) exploité en cogénération peut alimenter une unité de préréduction produisant 6000 tonnes/jour de fer pré-réduit (2 unités s standards). 27

Valorisation du CO 2 : alternative/complément à CCS Emetteurs industriels Valoriser le CO 2 Chaîne de production d énergie électrique décarbonée : Optimiser l utilisation du parc électrique existant Transport & distribution de l électricité : Stabiliser le système d électricité VItESSE Valorisation du CO 2 en un vecteur énergétique multi usages : le MeOH Filière technologique liée à la conversion du CO 2 par couplage électrolytique non carboné Fort besoin en énergie CO2 + 3H2 CH3OH + H2O (1) CO2 + H2 CO + H2O puis nco + 2nH2 (-CH2)n + nh2o (2) (-CH2)n est un hydrocarbure comme l essence, le gazole ou le kérosène MTG MTO Carburants MTP Polymères Intermédiaires chimiques 28

Synergie au sein d un système de production d énergie : Electricité Transports Industrie, agriculture, habitat Réseaux de chaleur BT + Dessalement Vers un «Smart Power» nucléaire Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011

Nuclear Energy Challenges - The Next Century Slide 30 Nuclear Energy Technology Used Fuel Separations Advanced Reactor Design Gen-IV Systems LWR Sustainability Fuel Performance Advanced Fuel Design & Testing Materials Performance Waste Form Development & Testing Licensing Support Design and Safety Methods AgI Fuel Cycle Technology Reactor Systems Advanced Fuels and Materials Radioactive Waste Nuclear Energy Integration Nuclear Safety Resource extraction Feedstock assembly Thermal treatment Heat exchanger/ heat circulation Heat deposition Gas & liquids T/H Thermal Design Hydrogen Generation Catalysis/Synthetic Fuels Electrical Generation & Storage CO2 Separation, Recycle or Sequestration Alternative CO2 Uses Lifecycle Analyses, Hybrid System Design, Signal Processing & Visualization Advanced Controls Feedstock Extraction & Processing Energy Transfer Energy Storage Byproduct Systems Analyses, Management Integration, Monitoring & Control 30

Des Smart Grids aux Smart cities? Source: IEA 3131

Des synergies via les usages du nucléaire Nucléaire actuel Electrolyse alcaline (hydrogène ) Nucléaire et haute température: Electrolyse avancée (tous usages de l hydrogène, biocaburants ) Chimie des hydrocarbures (biocarburants) Métallurgie Dessalement Osmose inverse Procédés Flash Usage mixte possible avec NTE Réseaux de chaleur Gains en efficacité énergétique Réchauffe possible par NTE (biomasse) 32

Slide 33 Transition to a Balanced Low Carbon Energy Portfolio Using Nuclear HES Fossil Nuclear Renewables Today: High Carbon Intensity Foreign Dependent Trillions $ to foreign economies Hybrid Energy Systems Briefing Low Carbon Intensity Domestic Dependent Trillions $ to U.S. economy 33

Demonstrations de cogénération nucléaire Démonstration HTTR I-S H2 (~2015) Intéresser des utilisateurs potentiels des produits cogénérés (H2, chaleur ) Consortium public/privé pour la réalisation de prototypes R&D Gen IV, HTTR, NGNP Démonstration NGNP (> 2021) + Autres démonstrations? HTR-PM (~2014) PBMR?? 34

Enjeu de la taxe carbone pour évoluer vers une production d énergie bas carbone Drawing of Ken Cox published in the The Daily Telegraph, London 35

Synergies entre Nucléaire et Renouvelables Plusieurs types de synergies 1 Nucléaire et renouvelables : composantes essentielles et complémentaires d une production d énergie «bas carbone» (électricité, transports ) 2 Complémentarité entre productions centralisée / stable (nucléaire) et décentralisée / intermittente (renouvelables) Electricité (stockage, gestion intelligente ) Electricité et hydrogène (stockage, transport, industrie ) Electricité, hydrogène et carburants de synthèse ( ) + Chaleur BT + Chaleur industrielle + Recyclage du CO 2 + Utilisation optimale des sources d énergie sous contrainte CO 2 avec stockages et gestion intelligente des réseaux pour la flexibilité 3 Autres synergies Acceptation, Risques, Technico-économie, Normalisation Technologies clés et disciplines transverses 4 Synergies à approfondir dans le cadre d ANCRE (GP9) Convention annuelle de la SFEN Energies renouvelables et nucléaire Paris, 24 mars 2011