Nouvelles technologies de l’énergie Christian Ngô ECRIN et CEA

1. Nouvelles technologies de l’énergie Christian Ngô ECRIN et CEA ngo@ecrin.asso.fr www.ecrin.asso.fr Pour en savoir plus L’énergie : ressources, technologies et environnement ; C.Ngô, Dunod 2002 Déchets et pollution : impact sur l’environnement et la santé C.Ngô et A.Régent, Dunod 2002 Technologies du futur : enjeux de société, ECRIN, Omniscience 2005

2. Charbon Pétrole Gaz Nucléaire ( 50 ans) Énergies renouvelables ( 500 000 ans) Hydraulique Solaire (thermique, photovoltaïque) Éolien Biomasse (houille verte, déchets) Géothermie Sources d’énergie Combustibles fossiles ( 200 ans) La biomasse est renouvelable si l’on replante ce que l’on consomme

3. Un monde dominé par les combustibles fossiles Consommation mondiale d’énergie primaire (2002) 10,4 Gtep (milliards de tep) (Commerciale et non commerciale) Le consommateur veut avoir de l’énergie quand il le veut et où il le veut IFP Panorama 2005

4. Chaleur 3 Gtep Transports 2 Gtep Électricité 1 Gtep Les principaux usages Ordre de grandeur des usages de l’énergie dans le monde Un secteur trop négligé Énergie primaire 10 Gtep Énergie finale 6 Gtep Le problème le plus difficile à résoudre De grosses pertes • Plus 2 problèmes : • L’effet de serre • La raréfaction du pétrole puis du gaz Le problème le plus facile à résoudre Source Observatoire de l’énergie De B. Barré

5. Sources d’énergie Utilisations possibles à échelle notable

6. Optimistes vers 2030-2040 Pessimistes vers 2010 Quand la production du pétrole « bon marché » déclinera-t-elle ? Consommation de pétrole En 2050 on exploitera sans doute la même quantité de pétrole qu’aujourd’hui ( 3,5 Gt) mais besoins 2 à 3 fois supérieurs Plus problème des investissements et de la dépendance d’une région limitée du monde

7. La planète va manquer d’énergie • Scénario bas pour 2050 (P.R.Bauquis)  8 milliards d’habitants, 18 Gtep (< prévisions des économistes) • Il manquera  20% dans le bilan énergétique car la production de pétrole sera la même, en valeur absolue, que maintenant (en 2000, 40% pour 9 Gtep) • Les renouvelables ne pourront pas répondre à cette demande ni le nucléaire  si 20% de nucléaire : 0,6 Gtep  4 Gtep. Soit 3,4 Gtep de centrales ou 2200 réacteurs nucléaires (44/an). • Avec les remplacements, il y faudrait en tout environ 3 000 réacteurs ou 15 millions d’éoliennes de 750 kW •  Le nucléaire est indispensable mais il ne pourra pas résoudre le problème seul

8. Cogénération Production de chaleur et d’électricité Système standard : Électricité (~ 35%), Chaleur (~ 65%) Cogénération (80-90%). On diminue la quantité de CO2 par kWh (thermique + électrique) produit L’énergie la plus propre est celle que l’on ne consomme pas Deux exemples Veilles Télévision (80 W) pour 3h  240 Wh veille (15W) pour 21h  315 Wh Mise en veille  6 GW (niveau mondial)

9. Les combustibles fossiles • Le pétrole (électricité, chaleur, transports) • La meilleure forme d’énergie • Actuellement irremplaçable pour les transports • Dans 100 ans il y aura encore du pétrole (naturel ou technologique) • Pétrole non conventionnel (off-shore profond, sables asphaltiques, schistes bitumineux) • Le gaz (électricité, chaleur, transports) • Son gros intérêt : les turbines à cycle combiné (rendement > 50-60%) • Après le pic du pétrole, celui du gaz • GTL • Le charbon (électricité, chaleur) • Le plus polluant, plusieurs centaines d’années de réserves • CTL •  Le charbon est l’énergie de l’avenir

10. La séquestration du CO2 • Tous les combustibles fossiles émettent du gaz carbonique (CH4<CH2<C). • L’Homme émet deux fois plus de CO2 que ce que la planète peut absorber • La séquestration • Ne peut être utilisée que dans des installations centralisées • Avec de nouvelles technologies (O2 pur, etc.) • Forte perte de rendement ( 15-25%) • Les problèmes de sûreté du stockage • La séquestration ne pourra résoudre qu’une faible part du problème des émissions de gaz à effet de serre

11. L’énergie nucléaire (électricité) • Électricité peu chère dont le prix est stable dans le temps (à l’échelle de 40-60 ans) • Ne contribue pas à accroître l’effet de serre • Mais les réserves sont limitées ( 100 ans) • Une énergie concentrée (les déchets aussi) • 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. Un facteur 10 prix du kWh  7 • Si la France avait choisi le pétrole au lieu du nucléaire 800€/français et par an en devises Futur  réacteurs à neutrons les rapides (1 an d’uranium pour les REP actuels = plus de 150 ans de fonctionnement avec les rapides) et haute température. Horizon 2050-2100. Réserves pour des dizaines de milliers d’années

12. Les énergies renouvelables Exploitées depuis que l’homme maîtrise le feu • Une production électrique dominée par l’hydraulique • Une production de chaleur dominée par la biomasse • Il faut utiliser les énergies pour diminuer la consommation de combustibles fossiles mais pas pour les remplacer • Il n’y a pas que la technologie. L’éducation et la formation jouent un rôle important • Intermittentes et diluées, souvent trop chères • Comment pallier à ces inconvénients ?

13. L’électricité

14. L’hydraulique • Hydraulique  pratiquement complètement exploitée en France • Petit hydraulique (<10 MW)  encore des possibilités (1 GW) 0,04€/kWh

15. L’énergie des mers Énergie des vagues Puissance moyenne côte atlantique : 45 kW/m Énergie dissipée côtes métropole : 417 TWh/an • Investissement  1500 à 3000 €/MW • Coût  50 à 100 €/MWh Énergie des courants de marée(>2m/s) Énergie disponible : 10 MW/km² de chenal équipé • Coût  30 à 60 €/MWh Énergie thermique des mers • Très cher mais localement moins que l’énergie importée Ref : Projet « énergie des mers d’ECRIN-Énergie

16. Les 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) le stockage de l’énergie (environ 48% du prix de l’installation au bout de 20 ans) Électricité et solaire

17. L’éolien • L’éolien • 2 à 3 fois plus cher que le kWh standard • Allemagne 2003 14,345 GW installés18,6 TWh (15%) • L’éolien nécessite une centrale thermique en complément lorsqu’il n’y a pas de vent  émission de gaz à effet de serre • Le Danemark pollue moins, la France polluerait plus • L’éolien offshore 6 MW/km² de ferme offshore, 20 millions kWh/an par km² • Investissement  1500 à 2500 €/MW, voire 3000 €/MW • Coût  70 à 100 €/MWh mais futur (?)  40 à 60 €/MWh Ref : Projet « énergie des mers d’ECRIN-Énergie Potentiel techniquement exploitable en France 30 GW soit 66 TWh /an sur zones terrestres + éolien en mer (90 TWh/an)(source Ademe)

18. La géothermie Origine : radioactivité terrestre • Un gros potentiel à long terme 99 % de la planète a une température > à 200°C Pour produire de l’électricté il faut des hautes températures • Production mondiale 2000  47,3 TWh • Exploitable à court terme en France  3 TWh/an • Perspectives : Roches chaudes fracturées. Première estimation du potentiel européen : 900 TWh/an (Source ADEME)

19. La biomasse • La plante permet de stocker l’énergie solaire tout en consommant du CO2. • Faible rendement énergétique(1% zones tempérées) • Le bois1/3 moins énergétique que le pétrole • La biomasse inclut les déchets • Électricité (monde)  199 TWh en 2003 Dans le monde, 1,2% de la production électrique. 3 fois plus que l’éolien, 4 fois plus que la géothermie et 70 fois plus que le solaire. • En France 0,6% de la production d’électricité ou 5,1% de la production d’électricité renouvelable • La production d’électricité n’est pas l’usage le plus intéressant de la biomasse (quantités limitée sur la planète)

20. Si stockage domestique, surcoût  0,15€/kWh Le stockage de l ’énergie le point faible de la filière électrique 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

21. La chaleur

22. Le solaire thermique Solaire Passif : usage direct du rayonnement (chauffage, éclairage naturel) Solaire Actif : Chauffage eau sanitaire, planchers chauffants Productivité : de 350 kWh/m2 an à 800 kWh/m2/an en France Couverture des besoins thermiques : 40 à 70 %

23. Les énergies renouvelables La biomasse La plante permet de stocker l’énergie solaire tout en consommant du CO2. Faible rendement énergétique(1% zones tempérées) Le bois1/3 moins énergétique que le pétrole 1 centrale nucléaire de 1GWe = plus de 2500 km2 de forêts Biocarburants 2 à 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…)

24. La géothermie • 0,06 W/m2 soit 3500 fois moins que le flux solaire. • Gradient géothermique = 3,3°C par 100m • Mais il existe des zones favorisées • France : 150.000 tep (160.000 équivalents logement) • Puissance thermique installée : 337 MWth • Gisement exploitable : 200 Mtep (coût du MWh thermique [12 € (Bassin parisien)] (Source ADEME) •  Développement de pompes à chaleur

25. Biomasse (dont déchets) 13 % de la consommation mondiale d’énergie (chauffage, cuisson) France : 9 Mtep 7 millions de foyers (parc médiocre) Environ 1400 chaufferies pour l’industrie, le tertiaire et l’habitat collectif (bonne qualité du parc) Potentiel encore valorisable : 3 à 5 Mtep Déchets Déchets organiques très utilisés dans le monde (fiente de volaille, excréments de porcs…) Source : J.L.Bal ADEME

26. Mieux valoriser la chaleur perdue (basse température) La pompes à chaleur Un amplificateur d’énergie Coefficient de performance Q= rapport entre la chaleur fournie et l’électricité consommée Typiquement de l’ordre de 3-4 Source froide Air (marche jusqu’à -15°C) Eau Sol • Stockholm qui utilise la mer Baltique • Tokyo qui utilise les eaux usées La pompe à chaleur réversible Chaud l’hiver, froid l’été

27. Les transports

28. Les transports routiers Toutes les émissions ont fortement diminuées sauf celles de CO2 • Améliorations • Moteurs conventionnels • Carburants conventionnels • Moteurs alternatifs • Carburants alternatifs • Moteurs et carburants sont indissociables Auto oil 2000 Lutter contre l’augmentation de l’effet de serre et anticiper un pétrole cher

29. Le pétrole est indispensable pour les transports 50 Mt = 1 700 Erika (30 000 t), 217 Amoco Cadiz (230 000 t) En 1998, ordres de grandeur (France) Transports terrestres  500109 kWh (500 TWh) Aériens  60 TWh ; Maritimes  30 TWh À comparer à la consommation d’électricité  450 TWh À court et moyen terme Véhicules hybrides (électrique-thermique) (Il faudrait recharger des batteries par l’électricité) À long terme Hydrogène(piles à combustibles) ? Comment produire le carburant, avec quelle énergie ? Les transports routiers : le prochain défi

30. La biomasse Biocarburants Plus chers que le pétrole. Rouler ou manger Les biocarburants : un amplificateur d’énergie 1l de pétrole  2 litres bioéthanol, 3 litres de diester Les carburants de synthèse BTL (Fischer Tropsch) Avec apport d’énergie extérieur, cela revient à doubler la production par hectare Un problème : la France exporte de l’essence et importe du diesel

31. Hydrogène + piles à combustible • Pour les transports il faudrait  • Électrolyse de l’eau  450 TWh • environ 60 réacteurs nucléaires (1000 MWe) • ou 180 000 éoliennes (1,5 MW) Hydrogène et transports Ce n’est pas pour demain Piles à combustible 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. Pas assez fiable Essence à partir du charbon  40$/baril

32. Le véhicule hybride Le plus probable à moyen terme Un scénario hybride Possible (C.Ngô, L’énergie, Dunod, 2000) Production d’électricité actuelle : 72g de CO2/kWh 50 Mtep pour les transport (25% de notre énergie) Véhicule hybride avec batterie rechargeable 30% de son énergie électrique pourrait provenir du réseau 20% de l’énergie du moteur thermique pourrait venir des biocarburants Au total économie de 50% de l’énergie et de 50% des émissions de CO2 Avec environ une dizaine de réacteurs nucléaires supplémentaires on satisfait la pointe et on alimente les transports  gain en CO2 pour la production d’électricité

33. 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) Changer sa manière de consommer l’énergie Nous ne pouvons pas continuer avec le même modèle de consommation La recherche est importante Dans tous les domaines Conclusion

34. Le manque d’énergie a contribué à faire disparaître des civilisations Les sumériens (abattage des forêt) La surface boisée du Liban est passée de 90% à moins de 7% en 1500 ans  diminution de 80% des précipitations  désert Les Grecs La fabrication du bronze consommait beaucoup de bois abattage des forêts  conséquences sur les sols et l’agriculture schéma identique à celui des Sumériens Les romains(plus de bois, déclin de la fertilité des sols) ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Et nous ? Sauront–nous mieux gérer l’épuisement des combustibles fossiles ? http://generationsfutures.chez.tiscali.fr/obj_fossile/histoireenergie.htm