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S. David, la problématique des sources d’énergie du futur, SFP, OUJDA, avril 2007 1

La problématique des sources d’énergie du futur

Sylvain DavidCNRS

Institut de Physique Nucléaire d’Orsay

sdavid@ipno.in2p3.fr

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• L’énergie dans le monde aujourd’hui

• Le casse tête du futurfournir de l’énergie à l’humanitérésoudre la crise climatique

• Les alternatives aux fossilesPotentielVerrous technologiques

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Contexte énergétique mondial

560

1300

1,6

1,1

905

120011000,66

0,5

0,6

7,8

330=

Population 2005

Consommation d’énergie tep/hab tep/an/hab

195=

600=280=

200=

3,53,4

4,5

2,6

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Contexte énergétique mondial

tep2000

10

30

20

Total2050

20 GTePTotal2050

20 GTePtep

2050

Consommation d’énergie totale dans le monde

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Fournir l’énergie dont le monde aura besoin en 2050 demande

de doubler au moins la production d’énergie

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SourceGTeP/an

2000

Fossiles Pétrole / gaz / charbon

8.03.7 / 2.1 / 2.2

Biomasse Traditionnelle

1.2

Hydraulique 0.7

Nucléaire 0.6

Nouveaux renouvelables

(solaire, éolien, biomasse)

0.05

Total 10.5

Contexte énergétique mondial

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Les énergies fossiles

Charbon C+O2 CO2 +4.08 eVGaz naturel CH4+O2 CO2 + H2O + 8.37 eVPétrole mélange de C et H, H/C 2

Centrale électrique 1 GWecharbon (rendement 40%) = 2.3 MtC / angaz (rendement 50%) = 0.9 MtC / an

Les énergies fossiles

Emission de CO2

Emissions mondiales de CO2 = 6 MteC/an

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CO2 émis par l’homme

Avant l’ère industrielle (1770) : 280 ppmTeneur en CO2 en 2000 : 360 ppmTeneur minimale en 2050 450 ppm

Les énergies fossiles et l’effet de serre

Augmentation de l’effet de serreAugmentation minimale de T entre 1,6 et 3,2°C

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Les énergies fossiles et l’effet de serre

Réduire les émissions de gaz à effet de serre de 6 GtC/an à 3GtC/anValeur a atteindre pour 9 milliards d’habitant ≈ 350 kg /an / hab

0

1

2

3

4

5

6

7

Inde Maroc Chine France Allem. USA

Emission tonnes de C/an/hab

Emission limite en 2050

partagée entre 9 milliards

d’hab.(2050)

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Contexte énergétique mondial

0

5

10

15

20

25

30

2000 2050

Gte

p

GES / 2

Nucléaire

Contexte énergétique : le casse-tête

EconomieEfficacité

Les ordres de grandeur

Charbon « propre »

Renouv.

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Combustibles fossiles

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De grandes incertitudes sur les réserves de pétrole…

Réf: PR Bauquis – Total Prof. Associés

Les énergies fossiles

Localisation: Arabie Saoudite, Irak, Koweit, Iran, …

Calcul simpliste des 40 ans de réserves

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Les énergies fossiles

Du point de vue du climat, il y a trop de combustible fossile !

L’enjeu climatique est d’éviter d’avoir recours au charbon et aux fuels lourds après la fin du pétrole et

du gaz

Gtep Conso.annuelle Pic

Pétrole + sables bitumineux et asphaltes récupérables ajd

150 - 450 3.7 2010  2040 ?

gaz 115 - 300 2.1 2020 2050 ?

charbon 500 - 1500 2.2 2100 ?

Schistes bitumineux, asphaltes ultimes

500 ? >2100

Hydrates de méthane > 1000 ? >2100

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Pour la science

Les énergies fossiles

Et le stockage de CO2 pour une utilisation centralisée??

Séparation du CO2 et transport pas de verrous, coût?Stockage Recherche nécessaire

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Les formes d’énergie primaires dont on dispose sur terre

SoleilL’énergie est « produite » par la fusion de noyaux d’hydrogène = énergie nucléaire

Energie nucléaire = énergie de liaison entre les protons et les neutrons des noyaux= énergie libérée lors de l’explosion de supernovae et « stockée » dans les noyaux

Les alternatives aux fossiles

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La lumière 250W/m2

Le vent 10 W/m2

(E cinétique)

La biomasse 1 W/m2

(E chimique)

L’hydraulique (E potentielle)

Les sources qui découlent du soleil

Concentrée naturellement par le

ruissellement

Diluées

Inter-mittentes

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- Bois de chauffage et cuissondéjà 10% de l’énergie mondiale

- Renouvelable, mais pas si déforestation (cas actuel)

- Application aux transports grâce aux biocarburants

La biomasse

tep / haEnergie nécessaire

pour produire le biocarburant tep/ha

Energie nette tep/ha

Huile colza 1.37 0.5 0.87

Éthanol betterave 3.98 3.22 0.76

- Si l’énergie consommée ne produit pas de CO2, çà devient intéressant- Ce serait une façon d’utiliser rapidement l’électricité (nucl., sol., éol.) pour les transports - Potentiel max estimé pour la France : 20% des transports (10Mtep)

Réf: JM jancovici, www.manicore.com

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L’hydraulique

- Production mondiale actuelle : 310 GW moyens = 17.7% de l’électricité

-Energie stockée, et très souple à moduler

- Technologie maitrisée

- Nouvelles ressources loin des besoins (Afrique) déploiement limité

- Exemple : barrage des 3 gorges en Chine 9 GW moyenslac de 2km x 640 kmplusieurs millions de personnes déplacées

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Eolien et photovoltaïque

Technologie disponibleNiveau industriel

Rendements 10-20% (commerce)40% (laboratoire)

Coût très élevéCoût énergétique !Encore beaucoup de recherche!

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Eolien et photovoltaïque

Sources d’électricité intermittentes et dispersées

développer des réseaux performants !

coupler à une production souple charbon et gaz !

réellement efficace si stockage

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L’intermittenceLe casse tête du stockage massif d’énergieEx: La voie de l’hydrogène

H2O + énergie H2 + ½ O2

H2 + ½ O2 H2O + énergie moteurs thermiques? piles à combustibles?

Conditionnement sous pression? hydrures? nanotubes de carbone?Transport

Rendement global5 - 20%

Production chaleur haute T (solaire) électrolyse (éolien, photovolt.)

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L’énergie nucléaire de fission

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France : électricité 1000 W / hab fission uranium = 1 gramme combustion CH4 = 1 tonne

L’énergie nucléaire est une énergie très concentrée Intérêt stratégique (stockage facile…), économique, environnement, …

Fission

Gaz naturel

Energie libérée = 200 millions d’eV

CH4+2O2 CO2+2H2O + 8.37 eV

L’énergie nucléaire

235U

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Consommation Uranium fissionné

1 tonne /(GWe.an)

Uranium enrichi 30 tonnes /(GWe.an)

Uranium naturel 200 tonnes /(GWe.an)

Réserves Uranium (RRA+RSE+spéculatives)

16 - 23 millions de tonnes

Production nucléaire mondiale 285 GWe (éq. pleine puissance)

Potentiel de production (au taux actuel)

280 - 400 ansUn nucléaire significatif en 2050 nécessite d’améliorer considérablement l’utilisation du minerai recours à la surgénération

L’énergie nucléaire actuelle

Actuellement, seul l’isotope 235 de l’uranium est utiliséIl représente seulement 0.7% du minerai d’uranium (99.3% 238U)

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Recours à la surgénération (potentiel du minerai x200)

Cycle Uranium 238U + n 239U 239Np (2j) 239Pu

Cycle Thorium 232Th + n 233Th 233Pa (27j) 233UNoyaux fissiles

Noyaux fertiles

L’énergie nucléaire : la surgénération

- Si on a recours à la surgénération, TOUT le minerai d’uranium est utilisé- Le potentiel énergétique est multiplié par 200

Réserves pour des dizaines de milliers d’années

Mais la surgénération demande à changer de technologie…

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Les principaux réacteurs surgénérateurs de 4ème génération

Sodium

Plomb

Les réacteurs rapides refroidis avec un métal liquide (cycle uranium)

Les réacteurs rapides refroidis à l’hélium (cycle uranium)

Hélium

Les réacteurs thermiques à sels fondus (cycle thorium)

L’énergie nucléaire : les réacteurs du futur

Développement industriel vers 2035, au moment où l’uranium viendra à manquer pour les réacteurs standards

Sels fondus

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Et la fusion ?

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d + t 4He + n + 17.8 MeV

- Pour vaincre la répulsion coulombienne, il faut un plasma chauffé à plusieurs dizaines de millions de degrés

- Le neutron régénère le tritium consommé 6Li + n t + 4He

- Réserves lithium : qq milliers d’années (idem fission surgénération)

- La fusion « inépuisable » est d+d, mais encore plus difficile…

- ITER : outil de recherche, pas de développement industriel envisagé avant la fin du siècle…

Réacteur ITER

La fusion

Malheureusement, on n’est pas dans les temps vis-à-vis du pic du pétrole et du climat…

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En conclusion,

Ne pas assurer les besoins en énergie conduit à des crises sans doute plus grandes pour l’humanité que le changement climatique : guerres, famines, dictatures, …

Réduire drastiquement les émissions de CO2, donc limiter au maximum l’utilisation du pétrole, du gaz et du charbon

Les énergies renouvelables sont difficiles à développer car diluées (et donc chères) et intermittentes

Le nucléaire de fission va devoir jouer un rôle très important

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On ne peut pas compter uniquement sur un changement de mode de vie

La technologie doit apporter sa part de solution

Tous les domaines de la physique doivent être massivement mis à contribution

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Cette présentation s’inspire des travaux et conférences de H. NifeneckerB. TamainJ.M. JancoviciC. NgôP.R. BauquisP. Bacher & C. Acket

Merci à eux !

Sites web - Documentation - Ecole Energies et Recherches (documents de cours)

http://eer.in2p3.fr - Manifeste sauvons le climat

http://gasnnt.free.fr/sauvonsleclimat/f-accueil.html - Société française de physique

http://ipnweb.in2p3.fr/~sfphttp://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie

- Manicore (JM Jancovici)http://www.manicore.com

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Les éoliennes actuelles 1 MW crête, 15 -20 % du temps Empiètement 8 ha/MW installé Production < 10 W/m2 (<solaire)

Ordre de grandeur du potentiel maximum estimé en France 100 TWh/an sur terre soit environ 200W / hab 20 % de l’électricité 57 GW installés 57000 éoliennes de 1MW (20 / km de côte)

Intermittence : pas de réduction massive du nombre de réacteur nucléaire ou de centrale à gaz

L’énergie éolienne

L’énergie éolienne

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- Chaleur dégagée par la terre, provenant des désintégrations radioactives de l’uranium, du thorium, …

- Puissance géothermique totale estimée = 22 TW Même ordre de grandeur de la consommation mondiale d’énergieFlux géothermique = 0.06 W/m2 (<< solaire)

- Mais une partie de cette énergie produite depuis des millions d’années est restée stockée sous forme de chaleur : non renouvelable !

- Ordre de grandeur du potentiel maximum pour la France : 20W / hab pour l’électricité (2% de la consommation)7 Mtep pour le chauffage = 10% du chauffage

La géothermie

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Principe du stockage: enfouir dans une couche d’argile (à Bure) les déchets à vie longue pour éviter leur retour à la biosphèreUn stockage est par conception irréversibleExemple: diffusion des actinides au bout de 200000 et 500000 ans

Environ 15 mètres en 500000 ans

Bure : couche d’argile de 100 mètres d’épaisseur, 500 mètres sous terre

Nucléaire - Stockage : « confiance dans la géologie »

Solution de référence pour la France (loi de 2006)

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La voie de la transmutation : incontournable dans le futur pour limiter

le nombre de site de stockage

Sans transmutation des actinides mineurs

Avec transmutation des actinides mineurs.

La transmutation permet de produire des verres allégés

Risque potentiel à log terme réduit

Déchets moins « chauds », donc réduction du nombre de site de stockage

Nucléaire: transmutation des déchets nucléaires