17 avril 2006 Gap sciences animation 05
L’homme et l’énergie: les fabuleux défis du XXIè siècle
Pierre Bacher
(« Quelle énergie pour demain? »)
27 avril 2006 Gap sciences animation 05
L’énergie en questions
Pourquoi se poser la question de l’énergie, alorsque celle-ci est abondante et bon marché ?
Pourquoi se poser la question du pétrole et du gaz,
alors que ceux-ci coulent à flot ?
Pourquoi se poser la question du CO2 ?
Quelles réponses apporter, d’ici 2050, dans le monde et en France?
37 avril 2006 Gap sciences animation 05
L’énergie, des origines à nos joursJusqu’à la fin du XVIIIè siècle:Le feu pour cuire les alimentsLa traction animale pour labourer et se déplacerLes esclaves pour s’enrichir Les moulins à vent, à eau, pour l’artisanat
La révolution industrielle:La machine à vapeur (XIXè siècle)L’électricité et le moteur à explosion (XXè)
Équivalences: 1 homme consomme entre 3 et 4 GJ par an pour son alimentation, mais un français « utilise » aujourd’hui 160 GJ par an (4 Tep), l’équivalent de 100 « esclaves »
47 avril 2006 Gap sciences animation 05
Consommation d’énergie 1800 – 2100
:
1
10
100
1800 1950 2100
?
« Les arbres ne montent pas jusqu’au ciel »
Jancovici :chaque Français disposede l’équivalent de 100 esclaves
57 avril 2006 Gap sciences animation 05
L’énergie est abondante, mais…
Face à une consommation annuelle de 10 Gtep et demain 20 Gtep, les ressources potentielles sont suffisantes pour plusieurs siècles:combustibles fossiles 1000 à 1500 Gtepuranium et thorium(surgénérateurs) 2000 à 3000 Gtepbiomasse (annuel) quelques GtepHydraulique, éolien, mer (annuel) quelques Gtepsolaire inépuisable
…mais les énergies ne sont pas interchangeables, elles sont plusou moins dommageables pour l’environnement, et plus ou moins chères à exploiter et utiliser .
67 avril 2006 Gap sciences animation 05
Contributions des différentes énergies (2002 et perspectives de développement )
Charbon - 2,4 Gtep – abondant, bien réparti, mais coûteux à transporter, gros émetteur de CO2, nécessite un vecteur
(électricité ou hydrogène)
Pétrole – 3,6 Gtep – difficilement remplaçable pour les transports, risques sur les prix (« peak oil »?, géopolitiques, ressources non conventionnelles)
Gaz naturel – 2,2 Gtep – abondant, facile à utiliser mais coûteux à transporter, risques sur les prix
77 avril 2006 Gap sciences animation 05
contributions des différentes énergies – (2002 et perspectives de développement)
Biomasse – 1 Gtep – potentiel de développement : + 1 à 2 Gtep (?), mais très dépendant du prix du pétrole et du gaz auxquels la biomasse énergie peut se substituer
Nucléaire – 2600 TWh* – fort potentiel « technique » et économique de développement : multiplié par 3 ou 4 (?)
Hydraulique, éolien, …) – 2600 TWh* – potentiel significatif : doublé?
* Sur un total de 13000 TWh, qui pourrait doubler d’ici 2050
87 avril 2006 Gap sciences animation 05
Quelles contraintes ?
Trois contraintes majeures, en dehors de celles liées aux ressources globales et à l’économie:
La fracture Nord-Sud en matière énergétique, clé du développement
La perspective du « peak oil »
Le risque climatique lié à l’effet de serre
97 avril 2006 Gap sciences animation 05
Accès à l’énergie par habitant (2002)
:
0123456789
Tep/h
Source: informations sur l’énergie (CEA – 2005)
107 avril 2006 Gap sciences animation 05
Source: pub dans TIME (2006)
La décroissance du pétrole vue par Chevron
Le monde consomme 2 barils pour chaque barildécouvert
Cela doit-il être un motif d’inquiétude?
117 avril 2006 Gap sciences animation 05
Ressources mondiales de gaz naturel
Spource: CEDIGAZ)
Comment gérer le risque géopolitique?
127 avril 2006 Gap sciences animation 05
Source : NGÔ CEA
Les gaz à effet de serre
• S’il n’y avait pas d’effet de serre la température moyenne de la terre
serait à -18°C-18°C alors qu’elle de +15°C+15°C..
• Depuis le début de l’ère pré-industrielle l’effet de serre a augmenté
de 2,45 W/m2,45 W/m22 , soit 1%. C’est peu, mais est probablement la cause de 0,6 °C de hausse des températures.
• Selon les scénarios de consommations d’énergie et les modèles de prévision, la hausse des températures pourrait atteindre 2 à 6 °C d’ici la fin du siècle.
137 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les rejets mondiaux de CO2
Source : CME rapport IIASA 1995
GtC
tendanceGIEC:Pour limiter le réchauffement à 2 °C, il faut amener les rejets à 5 GtC d’ici 2050 et 3 ou 4 d’ici 2100
147 avril 2006 Gap sciences animation 05
D’ardentes obligations…en France comme dans le monde
Mieux utiliser l’énergieRéduire la fracture Nord-SudPréparer l’après-pétrole Limiter les émissions de CO2
…mais un risque majeur: la tentation du « chacun pour soi »
157 avril 2006 Gap sciences animation 05
Le contexte énergétique mondial (2050)
Mieux utiliser l’énergie, c’est d’abord limiter les besoins à 15 Gtep (+ 1% par an) au lieu de 2 à 3 % par an aujourd’hui
Réduire la fracture Nord-Sud, c’est faciliter l’accès du Sud au gaz naturel bon marché, seul capable de permettre un décollage de l’activité.
Préparer l’ « après pétrole », c’est trouver des énergies alternatives pour les transports
S’il n ’y avait ni contrainte «effet de serre », ni contrainte économique, ces besoins pourraient être assurés par le charbon et les énergies renouvelables. Mais ces contraintes existent, et peuvent devenir très fortes, nécessitant une utilisation importante de l ’énergie nucléaire et du charbon avec séquestration du CO2, ceux-ci pouvant fournir chacun entre 15 et 25 % de l ’énergie mondiale.
167 avril 2006 Gap sciences animation 05
Le contexte énergétique mondial (2050)
Besoins globaux en énergie : 9 15 à 20 Gtep (+ 1 à + 2 % par an)
Rejets de CO² 7 5 Gt C ( - 1% par an)
Energie nucléaire 6 %et fossile « propre »
Energies renouvelables 6 %
>> 50 %
177 avril 2006 Gap sciences animation 05
Quelle évolution de l’énergie en France?
Une meilleure maîtrise de l’énergie pour inverser la tendance à la hausse. Réduire le CO2 d’un facteur 4 d’ici 2050 ?
(loi sur l’énergie de 2005)
Pour cela: Economiser l’énergie (negatep) Pour les besoins de chaleur et de transports, développer
•Les énergies renouvelables (bois, biocarburants, solaire…)•L’utilisation de l’électricité (véhicules hybrides, …)
Maintenir une production d’électricité sans gaz à effet serre.
187 avril 2006 Gap sciences animation 05
Une meilleure maîtrise de l’énergie(Mtep)
0
50100
150200
250
300350
400
1960 1975 1990 2005 2020 2035 2050
Mte
p
tendance actuelle maîtrise de l'énergie
197 avril 2006 Gap sciences animation 05
Rejets de CO2 en France
0
2040
60
80
100120
140
160
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
MtC
tendance actuelle facteur 4 en 2050
Rejets actuels (MtC):
Production d’électricité 10Usages thermiques fixes 55Transports 50
207 avril 2006 Gap sciences animation 05
Comment réduire les combustibles fossiles pour les usages fixes?
Tendance de consommation (+ 1 % par an): 87 130 Negatep (économies…, - 1 % par an) > 58 Bois et assimilé 10 20 Solaire, géothermie - 13 Énergies fossiles 67 17 Électricité (terme de bouclage) 10 22
…mais les énergies renouvelables ne perceront que si le prix desfossiles sont suffisamment élevés ( durablement > 50 $/baril)
217 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les usages thermiques : la biomasse
Mtep
20
10
100 300 500 700 900
(€/tep)
Exemples de chauffage par biomasse coûts par tep/an économisé :
Investissement: 1000 à 7000 € Biomasse: 0 à 200 €/an
+ exploitation, entretien
227 avril 2006 Gap sciences animation 05
Comment réduire les combustibles fossiles pour les transports?
Tendances de consommation (+ 1 % par an) 50 75Negatep (technologies, comportements, …) > 25Biocarburants (1 à 3 tep / ha) 0,5 15
• à partir de cultures: 4 à 5 Mha• à partir de bois, et déchets agricoles
Motorisations hybrides, véhicules électriques - 20Pétrole 50 15
…mais les biocarburants, les batteries, … posent des problèmes de faisabilité et de coûts: leur développement nécessite un prix du pétrole durablement > 100 $/baril
237 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les biocarburants
biotep/ha
3
2
1
1 2 apport externe d’énergie (tep/ha)
Auto énergie
Auto production H2
H2 fourni
Avec 5 Mha, on pourraitproduire 15 Mtep de biocarburant, mais en apportant 10 Mtep d’énergieexterne
247 avril 2006 Gap sciences animation 05
Consommation d’électricité en France
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1960 1980 2000 2020 2040 2060
TWh
Stabilisation des usages traditionnels, mais 150 à 250 TWh en substitution au pétrole
257 avril 2006 Gap sciences animation 05
Comment augmenter la part de l’électricité? 1. la demande
Industrie – beaucoup a déjà été fait depuis 1975
Résidentiel et tertiaire – chauffage « intelligent », pompes à chaleur associées à l’énergie solaire
Transports • véhicules hybrides ou électriques • filière H2 ??
267 avril 2006 Gap sciences animation 05
Comment augmenter la part de l’électricité? 2. L’offre
Hydraulique – 70 TWh, stable ~10 €/MWh Nucléaire – 400 TWh, 30 €/MWh Charbon avec séquestration CO2 50 €/MWh
Eolien – 20 TWh (?), problème de coût et de disponibilité Autres renouvelables et cogénération ~ 20 TWh Fossile (pointe et associé à éolien) ~ 50 TWh
Photovoltaïque: la grande inconnue > 300 €/MWh
} 60 €/MWh
277 avril 2006 Gap sciences animation 05
Bouquet énergétique 2003 / 2050 (« énergie finale » Mtep)
0
50
100
150
200
250
300
2003 2050
negatepexport. élect.electricitérenouv. chaleurfossile
Rejets CO2 (MtC) 120 30
tendance
287 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les voies possibles à moyen et long terme et les besoins de recherche
nucléaire de fission à base 238U et Th (gén. IV) (technologie, coût) séquestration du CO² charbon (coût, efficacité énergétique, environnement)biomasse et biocarburants (compétition agroalimentaire, coût, environnement) solaire photovoltaïque (coût, stockage électricité)) le vecteur hydrogène (production, logistique, piles à combustibles (?)) fusion nucléaire (faisabilité, coût, environnement)
297 avril 2006 Gap sciences animation 05
En résumé, au niveau mondial
1. Aucune voie ne peut être exclue a priori, même si certaines seront privilégiées ici ou là en fonction des ressources propres (ex. charbon en Chine, Inde, Etats-Unis)
2. La plupart des voies conduisent à une augmentation importantedu prix de l’énergie ou ne se développeront que si ce prix augmente.C’est le cas notamment des économies d’énergie, de la plupartdes ENR, du charbon avec séquestration du CO2, des substituts aupétrole.
3. l’électricité est probablement appelée à jouer un rôle majeur dans la préparation de l’après pétrole, à condition de rester bon marché (nucléaire?)
4. Les constantes de temps dans le domaine de l’énergie ne doivent- elles pas conduire à anticiper sur les augmentations de prix, comme amorcé à Kyoto?5. Pour faciliter le développement des pays du Sud, la « taxe CO2 »
pourrait par exemple être fonction des rejets par habitant.
307 avril 2006 Gap sciences animation 05
En résumé – France : espoirs, incertitudes et inconnuesLes espoirs : un facteur 2 sur les rejets de CO2 avec les technologies existantes
o Un facteur 4 sur les rejets dus aux usages thermiques (moitié negatep, moitié énergies renouvelables)o Une faible baisse des rejets liés au transportso Le maintien d’une électricité rejetant très peu de CO2
Les espoirs d’un facteur 4 se heurtent à des incertitudes et à des inconnues :o Les incertitudes : les coûts de nouvelles technologies pour
remplacer le pétrole dans les transportso Les inconnues :
technologiques (batteries, procédés hautes températures, stockage CO2) économiques (imprévisibilité des prix du pétrole et du gaz) politiques (Kyoto et après Kyoto, volonté au niveau mondial, européen et français)
317 avril 2006 Gap sciences animation 05
327 avril 2006 Gap sciences animation 05
*b41g - 10 Prévisions de production de pétrole et de gaz
(Laherrère)
337 avril 2006 Gap sciences animation 05
*b14 – 32 Electricité par source d’énergie
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2000 2050tendance
2050 F4
TW
h nucléaire ou fossilepropre
autresrenouvelables
hydraulique
fossile pointe
347 avril 2006 Gap sciences animation 05
*b14 – yy Les usages thermiques : le solaire et la géothermie (avec pompe à chaleur)
Mtep
15
10
5
350 700 (€/tep)
Exemple de géothermie solaire(coûts par tep économisé):
Investissement 1250 €
Electricité (pompe à chaleur) + bois 300 €/an
+ entretien
357 avril 2006 Gap sciences animation 05
*21-05 Bilan radiatif de la Terre (moyenne annuelle)
Atmosphère ~100 km
340 W/m²
100 W/m² réfléchis parl'atmosphère et les nuages
240 W/m²
150 W/m²EFFET DESERRE
240 W/m² (infrarouge émis par l’atmosphère
240 + 150 W/m²
Source : M.I.T. RG Prinn; Energies Spring 98
VAPEUR D'EAU
VAPEUR D'EAU
VAPEUR D'EAU
Sol Sol Sol
367 avril 2006 Gap sciences animation 05
*21-04 Le climat au XXIème siècle, selon l’IPCC
Source : IPCC1995
377 avril 2006 Gap sciences animation 05
*b21-01 Évolution du CO2 et de la température sur Terre
11
2 D
2 )
Aujourd’hui360 ppm
?
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-20 000-40 000-60 000-80 000-100 000-120 000-140 000-160 000 Temps
ΔTemp. en °C
2000
CO (ppmv
CO (ppmv) T(°C)
Source : CEA (AT-V4)
387 avril 2006 Gap sciences animation 05
22-07 Les émissions de CO2 en France de 970 à 1999
Source : MinEFI / Observatoire de l’énergie
397 avril 2006 Gap sciences animation 05
*b12 - 07 Énergie et santé
407 avril 2006 Gap sciences animation 05
*b14 - 07 Sources d’énergie primaire en France (1999)
Charbon 14 Mtep 5,5 %Pétrole 99 « 37,5 %Gaz 34 « 13 %Nucléaire 88 « 33 %
Renouvelables 29 « 11 %
Total 264 « 100
( 1 TWh él ~0,222 tep)
CEA
417 avril 2006 Gap sciences animation 05
Renouvellement à 50000MW étalé sur 20 ans
(2020- 2040)
rythme de construction nucléaire: 2500MW/an
Génération 3+
Génération 4
Parc Actueldurée de vie 40
ans
Prolongation au delà 40ans
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
durée de vie moyenne du parc: 44 ans
Scénario de renouvellement
427 avril 2006 Gap sciences animation 05
EPR – vue d’artiste
437 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les systèmes de sûreté sont installés dans 4 bâtiments séparés (redondance 4)
447 avril 2006 Gap sciences animation 05
Protection contre la chute d'avion
457 avril 2006 Gap sciences animation 05
13.87.6 5.3
10.213.0
40.17.2
7.46.5
8.2
10.0
17.1 15.8
18.4
16.6
7.1
20.1
1.5
3.0
23.7
0
10
20
30
40
50
60
Elspot-hinta Elspot-hinta YDIN HIILI KAASU TURVE PUU TUULI
Päästökauppa20 ¤/tonni CO2
Polttoaine
Käyttö- jakunnossapito
Pääomakust.
SÄHKÖNTUOTANTOKUSTANNUKSET, PÄÄSTÖKAUPPA MUKANA
2000Suomi
Vuosikäyttöaika = 8000 tuntia
R Tarjanne&K Luostarinen 20.4.2002
Vuosikäyttöaika = 2200 tuntia2001Suomi
Reaalikorko = Hintataso: marraskuu 2001 Tuotantokustannukset ilman
investointitukea ja sähköverohyvitystä
14.9
22.8 24.1
48.7
37.6
52.6
39.6
50.1euro/MW
5.0 %
GENERATION COST EMISSION TRADE INCLUDED
Emission trade
20 E/t
Fuel
Maintenance
and operation
Capital cost
Elspot Elspot Nuclear Coal Gas Peat Wood Wind
Interest rate = 5,0%Price level; November 2001
Operation hours = 8000/a Operation for wind power 2200 hours/a (cost without subsidies and tax
allowances)
*b32 – 02 Comparaison des coûts de production d’électricité (Finlande, taux d ’intérêt 5
%)*
(Tarjanne - 2002)
467 avril 2006 Gap sciences animation 05
Une nouvelle génération, pourquoi faire?
Deux objectifs majeurs:Multiplier les ressources, en « brûlant » U 238 et (ou) thoriumDiviser au moins par 10 les déchets à vie longue
tout en conservant le haut niveau actuel de sûreté, en restant compétitifs avec les autres énergies et en ouvrant de nouveaux débouchés.
Ce sont les conditions d’un développement durable de l’énergienucléaire au niveau mondial.
477 avril 2006 Gap sciences animation 05
Une nouvelle génération : comment?
Deux voies principales:Uranium 238 : réacteurs à neutrons rapides Thorium: réacteurs à neutrons thermiques
Dans tous les cas, on « produit » autant d’atomes fissiles qu’on en consomme et on les récupère dans une opération de retraitement: on fonctionne en cycle fermé.
En France, Phénix et Superphénix ont été des réacteurs de« Quatrième génération » avant la lettre. L’usine de retraitementde La Hague ouvre également la voie.
487 avril 2006 Gap sciences animation 05
Une nouvelle génération : quand?
497 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les déchets fortement radioactifs ou à vie longue liés au nucléaire
De quels déchets parle-t-on ? quelques produits de fission à vie longue (I 129, Cs 135, …) les produits de fission fortement radioactifs les actinides mineurs (Np, Am, Cm)
Faut-il : les diluer et les rejeter? les concentrer? Et les entreposer, ou les stocker? les détruire?
507 avril 2006 Gap sciences animation 05
Les déchets nucléaires
La loi Bataille de 1991 aborde bien l’ensemble dela problématique déchets : axe 1: explore les possibilités de destruction partielle
(séparation – transmutation) axe 2 : explore les possibilités de stockage définitif
(stockage géologique) axe 3 : explore les possibilités de l’entreposage
(quelques siècles)
Elle n’aborde pas la phase amont: la séparation et le recyclage du plutonium, matière jugée réutilisable
517 avril 2006 Gap sciences animation 05
Déchets nucléaires: conclusions provisoires (OPECST- projet de loi 2006)
Les 3 axes sont complémentaires: il faudra de toutes façons entreposer un certain temps les déchets avant de les stocker définitivement le stockage géologique est techniquement possible dans un site ayant les caractéristiques de Bure le stockage doit être réversible un certain temps, pour laisser un degré de liberté aux générations futures la transmutation partielle des actinides mineurs peut faciliter leur stockage en réduisant les quantités et les charges thermiques des déchets, mais elle nécessite encore de nombreuses études