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  1. Quelles énergies pour demain ?Christian Ngô CEA

  2. L’énergie Pour le physicien Les processus élémentaires qui gouvernent notre monde macroscopique sont régis par une loi dans laquelle une quantité, appelée énergie, est conservée pour un système isolé Origine de cette loi : l’uniformité du temps Pour ce qui nous intéresse ici Un corps ou un système possède de l’énergie s’il peut fournir un travail.

  3. L’énergie est fondamentale pour l’homme L’homme a besoin d’énergie : pour se nourrir, pour se chauffer, pour se déplacer, pour travailler, etc. .... pour vivre et accroître son bien-être Il ne faut pas la gaspiller ; il faut aussi prévoir l’avenir et penser à nos enfants. de à

  4. L’énergie • Plusieurs aspects • Scientifiques • Sources, stockage, transport, conversion, etc. • Economiques • Prix, taxes, projection dans le futur, etc. • Politiques • Indépendance énergétique, acceptation du public, etc. • Environnementaux • Pollutions locales, globales, gestion des déchets, etc.

  5. est indispensable à la vie est un élément majeur du développement de l’humanité L’énergie • Consommation électrique mondiale : 12 000 Twh • Population : 6 milliards d’individus • Puissance moyenne consommée : P=230 watts • (pour la France P=940 watts) • 4 milliards d’individus sont au dessous de cette moyenne • On constate que : • le taux de mortalité infantile croît lorsque P<500 w/habitant • (2,2/1000 -> 150/1000 pour les très faibles consommations) • L’espérance de vie chute brusquement lorsque P<180 w/habitant • (elle descend à 36,5 ans pour les très faibles consommations)

  6. Répartition de la consommation d ’électricité Consommation (kWh) ONU (1997) Puissance = 1 watt ; consommation = 8,77 kWh 1600 kWh => seuil des 180 watts 4400 kWh => seuil des 500 watts

  7. Evolution de la population mondiale 1987=5 2100=10-12 1961=3 1925=2 2020-25=8 1820=1 2000=6 1976=4

  8. L’énergie dans le monde source OCDE

  9. L’énergie dans l’Union Européenne source OCDE

  10. L ’énergie en France 1997 Source OCDE En 1796 28 millions d ’habitants, 0,3 tep/habitant En 1995 4,15 tep/habitant (14 fois plus avec une bien meilleure efficacité énergétique) Source DGEMP

  11. Origine de l’électricité en France Hydraulique : 56% en 1960

  12. Evolution des sources d’énergie <19ème siècle : bois, hydraulique, éolien, traction animale 19ème siècle :charbon, machine à vapeur 20ème siècle :Pétrole, gaz, nucléaire

  13. Consommation d’énergie primaire par habitant et par an

  14. Charbon Pétrole Gaz Nucléaire Energies renouvelables : Hydraulique Solaire (thermique, photovoltaïque) Eolien Biomasse (houille verte, déchets) Géothermie (conduction, convection) Les différentes sources d’énergie Le problème pour certaines sources : la disponibilité et le stockage de l’énergie.

  15. % Autres Charbon Pétrole Gaz Electricité

  16. D’où vient l’énergie ? La majeure partie provient du soleil : réactions thermonucléaires gravitation de la radioactivité terrestre L’énergie provient essentiellement de réactions nucléaires. Les réactions chimiques interviennent dans les transformations d’énergie

  17. Le soleil Rayon : 696 000 km Masse : 1,99 1030 kg Température à la surface : 5780 K Température à l’intérieur : 15,6 millions K 71% H, 27% He, 2% éléments lourds Age : 4, 55 milliards d’années Durée de vie restante : 5 milliards d’années Energie libérée : 0,2 mW/kg soit 10 000 fois moins que le métabolisme humain (3 1028 cellules). (Homo Habilis (2 millions d’années), Homo erectus (1millions-100000 ans), ..., Homo sapiens sapiens (30 000-40000 ans)

  18. Le marché de l ’énergie Le prix de l ’énergie est un élément déterminant pour choisir une source d ’énergie. Mais d ’autres critères peuvent intervenir (sûreté d ’approvisionnement, indépendance énergétique, valeur ajoutée dans le pays, sécurité de distribution, …) Le prix d ’une énergie n ’est pas simple à déterminer si l’on inclut les nuisances générées (externalités).

  19. Les problèmes à venir Les réserves des énergies fossiles L’effet de serre

  20. Réserves de pétrole

  21. Réserves de charbon

  22. Réserves de gaz

  23. Ces chiffres sont indicatifs. Seul l ’ordre de grandeur est important. Les réserves

  24. Ordre de grandeur des réserves (CME 1993) Charbon 496 Gtep Lignite 110 Gtep Pétrole 137 Gtep Gaz 108 Gtep Schistes bitumineux + sables asphaltiques centaines de Gtep Hydrates de méthane > 1000 Gtep Uranium (REP) 80 Gtep Uranium (surgénérateurs) 8400 Gtep (mais d ’autres gisements)

  25. L’effet de serre • S’il n’y avait pas d’effet de serre la température moyenne de la terre serait à -18°C alors qu’elle de +15°C. • Notre planète utilise en moyenne • 240 W/m2 pour se réchauffer. • Depuis le début de l’ère pré-industrielle l’effet de serre a augmenté de 2,45 W/m2, soit 1%. • Entre 1850 et 1995, la température moyenne a augmenté de 0,3 à 0,5°C. Si l’on ne fait rien on prédit que la température moyenne augmentera de 1 à 3,5°C entre aujourd’hui et 2100.

  26. Les gaz à effet de serre CO2 -> 1,56 Wm-2 CH4 -> 0,5 Wm-2 N2O-> 0,1 Wm-2 CFC -> 0,3 Wm-2 34% de l’électricité de l’Union Européenne est produite par le nucléaire. CO2 évité = émissions des 200 millions de véhicules.

  27. Rejet en CO2 Comparaison pour une quantité donnée d’électricité : Gaz 450g - 650g Charbon 900g - 1200g Pétrole 700g - 800g Nucléaire 40g Combustibles fossiles : plus il y a d ’hydrogène, moins il y a d ’émission de CO2 Centrale de Porcheville Emission annuelle en CO2 par habitant (tonnes): USA 5,2 tonnes GB 3,0 France 1,8 RFA 3,2 Japon 2,1 Centrale de Chooz

  28. Le charbon 1000 ans avant Jésus-Christ les chinois utilisaient le charbon pour cuire la porcelaine. XIIème siècle : le bois est cher (constructions, marine) mais on utilise peu le charbon car il est sale, il empoi-sonne l’air, attaque les poumons, sent le soufre...Le roi d’Angleterre l’interdit, la Sorbonne est aussi contre,... XVIIème siècle : on lève ces interdits car le bois se fait rare Le charbon s’est formé à partir du carbonifère (~ -350 millions d’années) à partir de végétaux engloutis sous les mers. Plus le charbon est vieux, plus la carbonification est riche (anthracite, houille, lignite, tourbe,....)

  29. Le pétrole Le pétrole s’est formé à partir du plancton qui, lorsqu’il meurt se dépose au fond de la mer. Recouvert de sédiments, ces déchets se transforment en pétrole. On le trouve dans des roches poreuses. Connu depuis l’antiquité («huile de pierre») 1830 : le pétrole jaillit par hasard d’un puits 1859 : premier puits de pétrole (Drake). Le pétrole est actuellement irremplaçable pour les transports. (8 milliards de tonnes de produits pétroliers sont transportés chaque année en France, 57% sont transportés par la route, ils interviennent dans 79% des accidents avec épandage de matières dangereuses)

  30. Les transports • En France : environ 25% de la consommation totale d’énergie (50 Mtep). Elle a été presque multipliée par 4 depuis 1960 (entre 1960 et 1973, augmentation de 7% par an). • Plus de 60% de la consommation pétrolière (1/3 en 1973) • Facture pétrolière 1997 : 77,9 GF pour une facture de 85,6 GF • Que se passera-t-il lorsqu’il n’y aura plus de pétrole ? • Par quoi remplacer les véhicules actuels ? • Voiture électrique • Voiture hybride • Moteur à hydrogène • Piles à combustible Le carburant ?

  31. Le gaz Essentiellement constitué de CH4 C’est une des énergies les plus intéressantes pour produire de l’électricité. Avec les centrales à cycle combiné, couplant une turbine à vapeur à une turbine à combustion, on obtient des rendements supérieurs à 50% Le gaz est le combustible fossile qui dégage le moins de CO2 (environ 2 fois moins que le charbon) Entre 1960 et 1997, la consommation française a été multipliée par 13. Nos fournisseurs : Algérie, Norvège, Russie Transporté par gazoducs ou méthaniers (le gaz liquide, à -160°C, occupe un volume 600 fois plus petit)

  32. L’hydraulique • P = 8*débit*hauteur • Coûteuse en investissements • Économique en fonctionnement • Environnement et accidents • (1,5 million de personnes déplacées aux 3 gorges, • 30 000 morts en 1979 (barrage de Morvi en Inde)) • Potentiel théorique : 36 000 TWh • Potentiel exploitable : 14 000 TWh • Consommation actuelle : 12 000 TWh • Potentiel Asie (27%), Amérique du sud (24%), ancienne URSS (24%) • En France, en 1960, l ’hydraulique représentait 56% de la production totale • Marées (usine de la Rance) • Vagues (1W/m2, 50 KW/m de côte) • Énergie thermique des océans (très coûteux mais 100 fois le potentiel des vagues)

  33. Le solaire Le solaire thermique (effet de serre) Le photovoltaïque avantages : fiabilité, modulaire, faible coût de fonctionnement, non polluant en fonctionnement. Très intéressant pour les sites isolés inconvénients : fabrication (coûteux en énergie), rendement, compétitivité économique stockage de l’énergie.Fin de cycle Si cristallin, ou amorphe, 1 cellule -> 1 à 3 W, <1V 1982 5MWc, 1992 60 MWc

  34. Le photovoltaïque Il arrive environ 1kW/m2 sur la terre. En France de l ’ordre de 1500 kWh/m2/an. Mais le rendement des cellules 13-14% (silicium). Deux scénarios pour la France Scénario 1 : on stocke pour une journée et on veut couvrir la consommation à toute époque de l ’année 60 000 km2=250km*250km (270 000 GF) Scénario 2 : on a une capacité de stockage de 4 mois. 2500 km2= 50km*50km (11 250 GF)+ 10 000 fois le nombre de batteries du parc automobile français. Le problème du photovoltaïque : le stockage de l ’énergie(environ 30% du prix de l ’installation) Photovoltaïque spatial ?

  35. L’éolien • La puissance est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. • Efficace si v>5m/s (force 3). Il faut v=15m/s (force 7) • 25% de la surface du globe pourrait être utilisée, mais seulement 4% des sites possibles sont utilisables sur les terres. • A 50m de haut la vitesse du vent est supérieure de 25 à 35 % par rapport à 10m (puissance multipliée par 2). • Potentiel 50 000 TWh (consommation mondiale 12 000 TWh). • Hormis l ’hydraulique, c ’est une des énergies renouvelables la moins chère. Sensible aux intempéries Le vent ne souffle pas toujours à 15m/s

  36. L’éolien • Pour une éolienne de 750 kW on a : • 750 kW pour un vent de 15m/s (54km/h) • 28 kW pour un vent de 5m/s (18km/h) • En moyenne environ 150 à 200 kW. • Il ne faut pas confondre puissance installée et puissance récupérée • Pour remplacer un réacteur nucléaire de 1000 MW, il faudrait donc plus de 5 000 éoliennes. A raison d ’un éolienne tous les 50 m cela fait environ 250 km de côte • Perspectives • Éolien off-shore (vent plus fort et plus régulier)

  37. La houille verte Végétaux -> biocombustibles, biocarburants L’énergie solaire est diffuse, intermittente. La plante permet de stocker cette énergie et consomme du CO2. Faible rendement énergétique (1% zones tempérées, 2-3% zones tropicales). Bois : il ne brûle pas, il se décompose (pyrolyse) Carbonisation, gazéifaction Biocarburants (bioéthanol, ester d’huile végétale) environ 3 fois plus cher que le pétrole.

  38. La houille verte Rendement en France pour le bois : 3,6 à 7,2 tep/ha Pour remplacer une centrale nucléaire de 1GW : plus de 2500 km2 de forêts Les biocarburants : 3 fois plus chers que les combustibles fossiles. Il faut 1litre de carburant fossile pour produire 1,5 litre de bioéthanol ou 2 litres d ’ester de colza. Par contre le bilan CO2 est intéressant.

  39. L’énergie des déchets Fermentation anaérobie Biogaz (mélange CO2, CH4) Déchets d’élevage, Effluents industriels, Boues des stations d’épuration, Ordures ménagères, Incinération des déchets Ordures ménagères (1kg/jour par habitant en Europe) Déchets industriels spéciaux Résidus agricoles L’incinération de tous les déchets conduirait à 1% de l’énergie consommée en France.

  40. La géothermie • Origine : radioactivité • 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 • géothermie basse énergie • géothermie moyenne et haute énergie • H2S, corrosion

  41. La terre reçoit une puissance d'environ 120×1015W. Environ 1% sont transformés en énergie mécanique (vent), soit 1,2 × 1013w • Environ la moitié est utilisable pour la photosynthèse • Pour la photosynthèse, le rendement théorique maximum est  5,5%, en fait il excède rarement  1-2%. L ’énergie du soleil

  42. Nucléaire versus chimique A poids égal, la fission libère environ 2,4 millions de fois plus d’énergie que la combustion de carbone (charbon). 1g d’uranium naturel équivalent à 17 tonnes de charbon. 1g d’uranium fissionné = 1MWj. Le premier réacteur nucléaire était naturel (Oklo, il y a 2 milliards d’années).

  43. Production d’électricité Ordres de grandeur 1 kg de bois sec -> 2kWh 1 kg de fuel (ou 1m3 de gaz) -> 6 kWh 1 kg d’uranium naturel centrale avec U seul -> 50 000 kWh centrale avec MOX -> 100 000 kWh surgénérateur -> 5 000 000 kWh Les réactions chimiques élémentaires libèrent des énergies qui se chiffrent en eV, les réactions nucléaires en MeV. Pour une même masse, l ’énergie nucléaire libère environ un million de fois plus d ’énergie que les énergies chimiques. La masse des déchets générés est aussi réduite dans cet ordre de grandeur.

  44. Développement de l’électronucléaire

  45. Vers l’indépendance énergétique de la France 1970 : la dépendance énergétique de la France est proche de 80% 1973 : c’est le premier choc pétrolier avec le prix du pétrole multiplié par 2 Le 6 mars 1974 : programme Messmer (accélération du programme nucléaire français) La facture pétrolière est passée de 14,4 GF en 1973 à 134 GF en 1981 1995 : La dépendance énergétique est de 51,4% et 76% de l’électricité provient du nucléaire

  46. Capacité nucléaire Française

  47. Les réacteurs à neutrons rapides Dans un réacteur à neutrons lents, on ne se sert que de 0,5%, au mieux 1% après retraitement, de l ’uranium naturel. Dans un réacteur à neutrons rapides on utilise 60% de l ’uranium naturel. Comme pour les réacteurs à neutrons lents, on peut imaginer plusieurs types de réacteurs à neutrons rapides, avec des fluides de refroidissement comme l ’hélium, le sodium, le plomb-bismuth,…