Pierre Papon, Poitiers Ecole Doctorale

1. Vers une transition énergétique: des ruptures scientifiques et techniques sont-elles possibles? Pierre Papon, Poitiers Ecole Doctorale 20 mai 2014

2. Plan I) Introduction : l’énergie un enjeu  « historique » II) Où en sommes nous? III) Les contraintes fortes de la transition : scénarios IV) Des ruptures sont-elles possibles? V) Conclusion : des enjeux nécessitant des choix

3. L’énergie est devenue, en France, un problème politique depuis un siècle… - Guerre de 1914 : craintes sur les approvisionnements, l’énergie devient un problème politique - Création de la CFP (ancêtre de Total) en 1924, du CEA, d’EDF, des charbonnages de France en 1945-46 - 1973 : programme nucléaire - 2014: des nouvelles contraintes mondiales

4. Monde (2012) : 12,5 milliards de tep (12,5 Gtep) Où en sommes nous? La consommation d’énergie primaire - Pétrole : 32% - Charbon: 27% - Gaz : 21% - Biomasse (bois) : 10% - Nucléaire: 6% - Hydroélectricité :3% Σ = 80% de fossiles

5. Quelle énergie finale en France: 156 Mtep Produits pétroliers : 42% Électricité 24 % nucléaire + hydraulique + thermique + éolien Charbon+ Bois, biomasse11 % Gaz naturel : 23%

6. Où cette énergie est-elle consommée ? Transport : 32% Industrie : 25% (agri = 2%) Bâtiment : 43%

7. Les contraintes : ledéfi climatique Débat mondial: Copenhague, Durban, Doha, Varsovie, Paris… La consommation de combustibles fossiles envoie du CO2 dans l’atmosphère ► Risque d’un réchauffement climatique: 2 à 6°C

8. :80 ans I Une limite majeure : la disponibilité des ressources Dimension géopolitique (cf. Ukraine)

9. L’exploitation massive d’énergies carbonées n’est pas durable Réchauffement climatique + épuisement des réserves

10. 2000 2035 10 Gtep 80% Fossiles 15 Gtep, 63% Fossiles Scénario AIE : réchauffement limité à +2°C (Copenhague) Une « rupture »: transition moins d’énergie carbonée

11. De fortes contraintes sur les filières Diminuer la part du charbon, augmenter celle des énergies renouvelables et du nucléaire, des biocarburants et de l’hydraulique là où l’on peut

12. Transition énergétique en France: débat 2013 France énergie primaire - 20% en 2030 ? Nucléaire à 50% en 2025 puis en 2050: division par 2 consommation? France 3 scénarios de l’ANCRE (2050) : baisse de 27% à 41 % énergie finale Forte progression de la part des énergies renouvelables (solaire, éolien, biomasse) dans la production de l’électricité: 40 à 50% total selon scénarios en 2050 (15% en 2013) Fort accroissement de l’électricité dans un scénario : 45% de mobilité électrique en 2050?

13. Les chantiers clés de l’énergie du futur Des développements scientifiques, techniques et industriels sont nécessaires ► faire sauter des « verrous » ► préparer l’avenir (au-delà 2030) Nouveaux carburants et nouveaux moteurs: biocarburants, hydrogène, hybrides, thermiques améliorés Energies Renouvelables : solaire, éolien (au point?) Produire de l’électricité avec le nucléaire: fission, fusion Stockage, distribution et gestion de l’électricité Séparation et stockage sous-terrain du CO2

14. Des ruptures scientifiques et techniques sont-elles possibles? La donne énergétique peut être changée par des découvertes scientifiques et des innovations ►Ruptures (le charbon et la machine à vapeur au XVIIIe siècle) ►la science peut être à l’origine de ruptures. Comment? ►découvertes, théories nouvelles : nucléaire (1938), PV silicium (1954)

15. Ruptures : produire des nouveaux biocarburants Rupture: Génomes synthétiques de bactéries ou algues Nature vol. 509 8 mai 2014 Ne pas utiliser une biomasse alimentaire mais la cellulose ou CO2 Fabrication de génomes synthétiques de bactéries et levures (à partir de nucléotides) reprogrammés ► enzymes « synthétiques » ► transformer biomasse en sucre puis alcools. Reprogrammer bactéries ou cellules végétales ► hydrocarbures (2 gènes modifiés dans Eschericia coli (oct. 2013, Corée)

16. Les énergies renouvelables: le solaire photovoltaïque Soleil: 6000 fois notre énergie quotidienne Théoriquement au point mais encore des progrès à réaliser : coût des panneaux, rendement max 24% avec silicium, autres semi-conducteurs (CdTe, AsGa)

17. Solaire photovoltaïque ►Nouveaux matériaux semi-conducteurs, augmenter les rendements (≥20%) : multicouches, pérovskites ►Matériaux avec effets de surface: concentration avec lentilles, nanofils, graphène (électrodes), plasmons (amplifier l’absorption des photons) ►Matériaux organiques (plastiques dopés, PEDOT avec fullérène) peu coûteux, cellules de Grätzel ►Systèmes avec absorption multiphotonique : nouveaux phénomènes

18. Photolyse de l’eau Cellule solaire et chimie Electrons +2 catalyseurs (étain, cobalt/nickel, molybdène) ►H2 (combiné avec CO2 ►carburantsou piles à combustible

19. Des ruptures scientifiques et techniques sont-elles possibles pour le nucléaire? L’avenir du nucléaire : l’après Fukushima et les réserves d’uranium (80 ans?), 75% électricité en France, problème des déchets Génération IV (surgénérateurs) : - on utilise le plutonium + des neutrons rapides (sodium pour extraire la chaleur) - sels fondus thorium? . Sûreté? Rupture : Une nouvelle théorie mettant au jour une relation nouvelle entre masse et énergie, remise en cause partielle ou totale des théories (E = m c2)?

20. Le long terme: la fusion thermonucléaire Fusion atomes d’hydrogène ► Energie Le programme international (Iter) en France : pas de résultats avant 2030 (??)

21. Une rupture : Une électricité intelligente? Produire de l’électricité centralisée (centrales nucléaires, barrages) + sources intermittentes locales (solaire et éolien) : problème majeur + Stockage Des réseaux électriques « intelligents » (smart grids) : enjeu important, gérer autrement l’électricité (20-30 ans?) ► Rupture et nouvelle donne Capteurs, lignes électriques adaptées, stockage, compteurs « intelligents » (Linky, Indre et Loire) : piloter la consommation locale

22. Un point clé : le stockage de l’électricité Essentiel pour les énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien) et les voitures électriques: batteries, piles à hydrogène… Progrès lents Nouveaux matériaux pour batteries : lithium.. Ruptures? Biomimétisme >300 Wh/kg ≈0,04 l essence

23. Des questions clés Prix de l’énergie d’ici 2030 ? ► taxation du CO2 ? ► Augmentation du prix de l’énergie Hausse kWh inéluctable (entre 7 et 8c€ /kWh en 2030?) : + 50% d’ici 2020 (Sénat)? ►Précarité énergétique? Nouvelles ressources: gaz et pétrole de schiste, hydrates de méthane (Japon 2013)?

24. Conclusion La transition énergétique est inévitable mais elle prendra du temps (30-40 ans?) :nécessité d’un débat ►des choix dans la clarté Energie de demain: pragmatisme pour faire face aux imprévus : faire feu de tout bois : fossiles (un peu), biocarburants, biomasse, renouvelables, nucléaire… Réflexion prospective nécessaire: repérer les verrous, les ruptures possibles Préparer les ruptures par la recherche (après 2030)

25. Pour vos questions sur l’Énergie Blog sur l’énergie: www.pierrepapon.fr

27. Carburants par voie biologique Production d’isobutanol par voie electro-biologique: CO2 (cathode)►acide formique ►Bactérie (modifiée) Ralstonia eutropha ►isobutanol (rendement? électricité solaire?) Science, 30 mars 2012

28. Les gaz non-conventionnels? Gaz de schiste aux USA : 25 % et prix très bas Hydrates de méthane: percée du Japon en mars 2013 premier forage en mer

29. Le gaz de schiste

30. Batterie lithium-ion Alléger les électrodes, améliorer la diffusion des électrons : graphène?

31. Le mix électrique Renouvelables : éolien terrestre puis off-shore en priorité, + solaire (PV 2030) = 40 % production (avec hydro et biomasse) Construction lignes électriques nécessaire : défi technique et financier (135-155 Mds €) 50 % de nucléaire en 2025 ►plus de gaz et moins de renouvelables