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Apports scientifiques sur le concept d’énergie
(SVT, sciences physiques, SES)
Nathalie Rencurel
Aude Chevallier
Alain Manel
Stage éco-établissements
22-23 juin 2005
I - Les constats et les données scientifiques
II - Le protocole de Kyoto
III - Des énergies alternatives et durables
aux émissions de GES
IV – Conclusion - Le plan climat
I - Les constats et les données
scientifiques
Évolution de la température depuis l’an mille dans l’Hémisphère Nord
Les constats scientifiques
Évolution de la température d’après l’analyse isotopique des carottes de glace à Vostok
(courbe rouge)
Les constats scientifiques
Évolution de la teneur en CO2 dans
l’atmosphère depuis l’an 1000
(analyse des carottes de glace)
Évolution de la teneur en CO2
dans l’atmosphère depuis 1950
Les constats scientifiques
Qu’est ce que l’effet de serre?
Les constats scientifiques
Les principaux gaz à effet de serre (GES) produits par l’homme
- le CO2* (dioxyde de
carbone)
- le N2O* (protoxyde d’azote)
- le CH4* (méthane)
- les CFC
*GES mentionnés dans le protocole de Kyoto (1997)
Les constats scientifiques
Propriétés de quelques GES
GES Pouvoir de réchauffement /
CO2
Durée de vie dans l’atmosphère
Concentration dans l’atmosphère
% annuel d’accroissement
CO2 1 125 ans 0,035% 0.4%
N2O 310 150 ans 0,00003% 0.25%
CH4 21 12 ans 0,0002% 0.5%
halocarbones 4000 à 22000 40 à 50000 ans <0,00000005% En baisse
Les constats scientifiques
Origines des GES produits par l’homme
Le dioxyde de carbone CO2 est produit principalement lors de la
combustion d’énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel..)
Contribution des différents secteurs aux émissions de CO2 :
Les constats scientifiques
Le secteur agricole est une des principales sources d'émission de CH4 et de N2O
La majeure partie des émissions de CH4 provenant des systèmes agricoles est
formée par la dégradation microbienne de la matière végétale lorsque le milieu est
pauvre en oxygène (tube digestif des ruminants,les sols saturés en eau (rizières) et le
fumier).
N2O est produit en plus grande quantité au niveau du sol dû aux activités
microbiennes. Les pratiques agricoles (épandage d’engrais et de fumier) augmentent
la quantité de N2O émise en perturbant le cycle naturel de l'azote.
Les constats scientifiques
II - Le protocole de Kyoto
Historique
• 1972 : sujet abordé à Stockholm à la conférence mondiale sur
l’environnement
• 1979 : première conférence mondiale sur le climat
• 1988 : création du GIEC (groupe intergouvernemental sur l’évolution du
climat)
• 1990 : premier rapport du GIEC
• 1992 : conférence de Rio qui envisage du quantifier les droits d’émission de
GES
• 1995 : second rapport du GIEC
• 1997 : protocole de Kyoto qui distribue pour chaque pays – en référence aux
émissions de 1990 – les quantités d’émissions autorisées sur 2008-2012
Le protocole de Kyoto
• 1998 : l’union européenne s’engage à une réduction de 8% de ses
émissions de GES en 2012 par rapport à 1990 mais choisit de constituer
une « bulle » en distribuant l’effort de manière différenciée selon les pays
(l’Allemagne qui brûle beaucoup de combustibles fossiles pour produire de
l’énergie doit ainsi diminuer ses émissions de 21%, la France de 0%).
• 2001 : Le président des Etats-Unis annonce qu’il s’oppose à la ratification
du protocole
• 2004 : Moscou ratifie le traité mais échec de la conférence de Buenos-Aires
qui devait préparer l'après Kyoto
• 2005 : Entrée en vigueur du traité et prochaine conférence prévue cet
automne à Montréal.
Le protocole de Kyoto
Les objectifs & leurs limites
Le protocole de Kyoto fixe des objectifs chiffrés de réduction des émissions
pour les pays développés : en moyenne 5,2% de réduction à atteindre en
2008/2012 par rapport au niveau de 1990
Tonnes de GES / hab Objectif 2008-2012 / 1990 (%)
Evolution des émissions 2002 / 1990 (%)
Allemagne 12,41 - 21 - 18,5France 9,49 + 0 - 1,7Irlande - + 13 + 28,9UE - 8 - 2,5Etats-Unis 24 - 7 + 13,1Canada 22,5 - 6 + 20,1
Le protocole de Kyoto
Les principes & leurs limitesDes mécanismes pour plus de flexibilité….
• Le principe général du marché des permis d'émission vise à minimiser le coût économique
des objectifs assignés à chaque pays. Les réductions d’émissions auront d’abord lieu là où
elles coûtent le moins.
• L’objectif est fixé sur une période de 4 ans (2008-2012)
• Des quotas sont attribués à chaque pays en fonction des émissions de 1990. L’allocation
initiale tient donc compte du niveau de développement pour donner plus à ceux qui
émettent plus.
• Le mécanisme de développement propre permet dès aujourd’hui à des entreprises d’un
pays industrialisé de récupérer des permis d’émission à hauteur des réductions
d’émissions obtenue dans des PED par un investissement propre
• Le mécanisme de mise en œuvre conjointe débute en 2008 et permettra ce même type de
transferts entre pays développés
Le protocole de Kyoto
…qui risquent de paraître injustes
• un surcoût qui peut avantager les grandes entreprises des pays développés (capables
d'acheter ou de récupérer des "droits à polluer" comme disent les radicaux)
• l'idéal de justice ne passe-t-il pas par des allocations proportionnées à la population ?
Le protocole de Kyoto
III - Des énergies alternatives et
durables aux émissions de GES
Les biocarburants
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Comment produit-on des biocarburants?
Le bioéthanol est produit par la fermentation de sucres contenu dans certaines plantes (betteraves, topinambours, canne à sucre) ou d’amidon (pomme de terre, céréales, mais) ou encore certaines plantes ligneuses (bois, paille).
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
L’éthanol produit est convertit en ETBE
Les esters sont issus du mélange d’un alcool avec des huiles végétales (colza, tournesol). On les nomme fréquemment diester.
Les huiles végétales sont obtenues par pression à froid de graines oléagineuses (colza, tournesol, coprah, palme, soja, arachide). Une tonne de colza fournit 0.3 tonne d’huile
Des énergies alternatives aux émissions de GES
• Le bioéthanol est utilisé comme carburant pour moteur ou bien pour faire
de la cogénération (production simultanée de chaleur et d’électricité). Le
bioéthanol peut être additionné aux carburants classiques : il baisse la
puissance du moteur mais améliore le rendement (meilleure qualité de la
combustion) Conformément à la réglementation européenne, l’éthanol est
autorisé en France jusqu’à 5 % en mélange et l’ETBE jusqu’à 15 %.
• Le diester est ajouté à raison de 5% dans le gazole • Dans le cas des huiles végétales, des moteurs adaptés sont nécessaires
car les huiles sont trop visqueuses pour les utiliser dans des moteurs
classiques
Quelle utilisation des biocarburants?
L'impact de cette filière sur l'effet de serre est particulièrement intéressant, puisqu'elle permet d'économiser 2,7 tonnes d'équivalent CO2 par tonne d‘ETBE par rapport à l’essence (combustible fossile)
Evolution des surfaces consacrées en France à la production de biocarburant entre 1992 et 2000
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Quelle quantité de biocarburants pour produire l’équivalent des 50 millions de tonnes de pétrole
consommées pour les transports en 2002 ?
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Filière Culture initiale
Energie brute produite par Ha (tonnes équivalent
pétrole)
Energie nécessaire pour les engrais, la culture et la distillation
(tonnes équivalent
pétrole par ha)
Energie nette produite par Ha (tonnes équivalent
pétrole)
Surface mobilisée pour produire
50Mtep en % du territoire
français
Huile Colza 1,37 0,50 0,87 104%
Huile Tournesol 1,06 0,29 0,77 118%
Ethanol Betterave 3,98 3,22 0,76 120%
Ethanol Blé 1,76 1,72 0,04 2700%
La production
d’énergie bois dans
l’union européenne
en million de tep
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Le rendement des poêles et cheminées
Appareils
de conception ancienne Appareils de conception moderne
Rendement Rendement Autonomie Cheminée à foyer ouvert
moins de 10%
jusqu'à 30%*
Quelques heures
Insert, foyer fermé
de 30% à 50%
de 60% à 85%
10 heures et plus
Poêle à bûches acier/ fonte
de 40% à 50%
de 60% à 70%
De 5 à 10 heures
Poêle à bûches fonte/ réfractaire
de 40% à 50%
de 60% à 80%
De 6 à 12 heures
Données théoriques. *avec récupérateurs de chaleur Source : Poêles, inserts et autres chauffages au bois, Claude Aubert et Ageden
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Les biogaz
Le principe:
Fermentation de matières
organiques pour produire du
méthane
Les matières organiques utilisées:
-Effluents agricoles
- Boues de stations d’épuration
Des énergies alternatives aux émissions de GES
nombre de
sites production
actuelle nombre de
sites potentiels production
récupérable
Stations d’épuration urbaines
180 65 000 200 150 000
Station d’épuration industrielles et industries agro-alimentaires
64 64 000 400 800 000
Décharges 5 19 000 140 300 000
Méthanisation de déchets solides et assimilables (dont industries agro-alimentaires)
1 1 900 270 1 000 000
digesteurs agricoles
10 100 1 000 1 000 000
TOTAL 260 150 000 2 010 3 250 000
Gisement valorisable en France en TEP/an
Avantages et inconvénients
• Avantages:
-intérêt écologique
-Réduction de l'impact polluant des effluents, notamment en composés azotés (teneur en nitrates diminuée)
-Amélioration de la qualité du déchet final, qui, après méthanisation, est biologiquement stabilisé et en grande partie désodorisé
• Inconvénients
-coût élevé de l'amortissement des installations
-absence de réelle volonté politique pour promouvoir cette filière
-classification « Seveso » des stockages d'effluents agricoles
-problèmes de voisinage
-risques de fuite de gaz à effet de serre
Des énergies alternatives aux émissions de GES
La géothermie
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Les ressources géothermiques
et leur cadre géologique
(source
ADEME/BRGM)
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Avantages et inconvénients
• La géothermie présente l'avantage de ne pas dépendre des
conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent), ni même de la
disponibilité d'un substrat, comme c'est le cas de la biomasse. C'est
donc une énergie fiable et stable dans le temps.
• Cogénération possible
• Coût très élevé
• Énergie qui ne se transporte pas
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Pompes à chaleur
géothermiques dans
l’union européenne
Des énergies alternatives aux émissions de GES
L’énergie solaire
L'énergie solaire reçue par la terre vaut, environ 10.000 fois la quantité totale d'énergie
consommée par l'ensemble de l'humanité. En d'autres termes, capter 0,01% de cette
énergie nous permettrait de nous passer de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium.
En 2002 le solaire a représenté 0,01% de l'énergie consommée en France (et 0,04% dans
le monde)
Les trois voies de l’énergie solaire :
- l'électricité solaire thermodynamique
- l'énergie solaire thermique
- l'électricité solaire photovoltaïque
Des énergies alternatives aux émissions de GES
L'électricité solaire thermodynamique
La concentration du rayonnement solaire
sur un seul foyer permet d'atteindre
des températures élevées ce qui
permet le réchauffement de fluides
caloporteurs. Ces fluides viennent
ensuite chauffer de la vapeur d'eau,
qui entraîne un turboalternateur,
comme dans les centrales
thermiques conventionnelles.
Une centrale solaire en Californie pour l’utilisation thermodynamique du rayonnement solaire.
Des énergies alternatives aux émissions de GES
L'énergie solaire thermique
L'énergie solaire thermique s'utilise principalement au travers de deux
applications :
- le chauffage de l'eau chaude sanitaire
- le chauffage des locaux.
Pour ces utilisations, les capteurs vitrés utilisés
offrent des rendements de l'ordre de 50 % aux
températures recherchées.
- 4 m2 de capteurs permettent de répondre aux besoins en eau chaude d'une
famille de quatre personnes;
- 10 à 20 m2 assurent le chauffage d'une maison individuelle.
Des énergies alternatives aux émissions de GES
L'électricité solaire photovoltaïque
L'électricité solaire photovoltaïque est
un moyen intéressant de réduire
les coûts de distribution de
l'électricité dans certaines
régions; elle peut être utilisée de
deux manières :
- pour la fourniture d'électricité en
sites isolés
- pour l'injection d'électricité sur un
réseau électrique.La centrale de Rancho Seco (Californie) près de la
centrale nucléaire © ADEME, photo A Liébard Des énergies alternatives aux émissions de GES
L’énergie éolienne
Une éolienne transforme l'énergie cinétique du vent en énergie
mécanique.
Soit cette énergie est utilisée directement comme dans les
éoliennes de pompage ou les anciens moulins à vent.
Soit elle est transformée en électricité via une génératrice;
dans ce cas, on parle d'aérogénérateurs.
Deux utilisations différentes alors sont possibles:
La principale est le couplage de l'aérogénérateur sur le réseau.
La seconde est l'utilisation de l'installation en tant que groupe électrogène éolien. Dans
ce cas, on vise surtout les régions isolées.
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Puissance suivant le diamètre de l’éolienne :
Le rendement d’une éolienne est faible (une éolienne ne produit du courant
électrique que lorsque la vitesse du vent est comprise entre deux limites : quand
elle est trop faible les pales ne tournent pas assez vite, quand elle est trop forte il
faut les mettre en berne pour éviter leur destruction).
Sur Terre le rendement ne dépasse pas 20%; off-shore il peut atteindre 40%
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Nombre de MW éolien installé fin 2003
Des énergies alternatives aux émissions de GES
.Les " projets offshore " français :
- 16 éoliennes à Port La Nouvelle
- 84 éoliennes à Port Camargue
- 40 éoliennes à l'Ile de Groix
- 20 éoliennes au large de Saint-Nazaire
- 20 sur la côte ouest du Cotentin
chaque éolienne ayant une puissance de 2,5 MW
L'ensemble des projets représente 180 éoliennes pour une puissance
maximale de 450 MW soit un peu plus de 200 MW nucléaires*
*le rendement d’une centrale nucléaire est voisin de 80%
la puissance des centrales nucléaires fonctionnant en France est comprise
entre 900 et 1450MW
la capacité électronucléaire de la France est de 65 700 MW.Des énergies alternatives aux émissions de GES
L’énergie nucléaire
L'importance économique de l'énergie nucléaire est considérable car elle
n'émet aucun gaz à effet de serre.
Elle fournit un tiers de l'électricité consommée dans l'UE
En France, cette énergie joue un rôle fondamental en entrant pour 75 à 80% dans la production d'électricité.
Le programme spécifique intitulé « Programme de recherche et
d'enseignement (EURATOM) dans le domaine de l'énergie nucléaire » vise
à développer le potentiel de la fission et fusion nucléaire de façon
durable, sûre et rentable.
Des énergies alternatives aux émissions de GES
La fusion thermonucléaire contrôlée La fusion thermonucléaire consiste à réaliser la fusion des noyaux légers (le tritium et le
deutérium) pour obtenir un noyau plus lourd d'hélium.
La fusion ne peut se produire que dans des conditions extrêmes de températures (< 100
millions de degrés) et d'isolation thermique.
Cette énergie est très peu polluante en terme de radioactivité.
.
La masse du noyau d’hélium est inférieure à
celle des deux noyaux dont il est issu,
deutérium et tritium. La différence de masse
correspond à de la matière qui s’est
transformée en énergie (selon E = mc2).
Construction du réacteur thermonucléaire expérimental international
(ITER) auquel participent l'UE, les USA, le Japon et la Russie.Des énergies alternatives aux émissions de GES
La fission nucléaire
La fission est une réaction nucléaire dans
laquelle un noyau lourd (uranium 235,
plutonium 239) appelé noyau fissile se
scinde en deux noyaux plus légers sous
l’effet d’un choc avec un neutron.
Renforcer la sûreté des installations nucléaires
Développer une gestion et un stockage des déchets, notamment des
déchets radioactifs de haute activité et à longue durée de vie.
Des énergies alternatives aux émissions de GES
Emissions en C02 des différentes filières de production d'électricité
Modes de production
Hydraulique Nucléaire EolienPhoto
-voltaïqueGaz
naturelFuel Charbon
Emissions de C02 par
kWh (en g)
4 63 à 22
60 à 150
883 891 978
Des énergies alternatives aux émissions de GES
IV – Conclusion / Plan climat
La capture et le stockage du CO2
1ere étape: capturer le CO2
2eme étape: déshydrater et comprimer le CO2
3eme étape: Injecter le CO2 dans des réservoirs
conclusion
Où stocker?
Dans les réservoirs d’hydrocarbures (gaz et pétrole) qui ne sont plus productifs
ou en phase de déclin
Dans les veines de charbon non exploitables
Dans les aquifères profonds
La pile à combustible (PAC) La pile à combustible transforme de l’énergie chimique en énergie électrique,
La réaction de fonctionnement d'une pile à hydrogène est :
2 H2 (g) + O2 (g) = 2 H2O (l)
Le dihydrogène n’est pas présent à l’état naturel il peut-être :
- "extrait" de combustibles comme le gaz naturel, le GPL, le fioul, ...
Le rendement total (électrique + thermique)
est proche des 80% ce qui permet de
réduire considérablement les rejets de CO2
- produit par électrolyse de l’eau
(2 H2O (l) = 2 H2 (g) + O2 (g) )
conclusion
conclusion
Une nécessité faire des économies d’énergie:
Le PLAN CLIMAT• Transport:
Respecter intégralement les limites de vitesses: - 3 Mtep CO2
Écoconduite: - 0,7 Mtep CO2
Transports collectifs: - 0,2 Mtep CO2
climatisation : - 4 Mtep CO2
Biocarburants: -7 Mtep CO2
• Habitat:
étiquette énergie: -1,4 Mtep CO2
traitement et recyclage des déchets: - 0,1 Mtep CO2/an
climatisation: - 5Mtep CO2
• Marché des quotas d’émission: -3,2 Mtep CO2Total : - 73 Mtep CO2/an
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