1 Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production délectricité J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMA Ancien Directeur

1

Les Energies renouvelables, développements, Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production enjeux environnementaux, production

d’électricitéd’électricité

J. B. Saulnier J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMAProfesseur Émérite - ENSMA

Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRSAncien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS

Ecoles doctorales SI-MMEA et S2IM

Université de Poitiers – 4 Juillet 2013

2

PlanPlan

1 – Enjeux environnementaux1 – Enjeux environnementaux

2 – Vers une transition énergétique ?2 – Vers une transition énergétique ?

3 – Quelle place pour les Energies 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?Renouvelables ?

4 – Production d’électricité 4 – Production d’électricité « renouvelable »« renouvelable »

3

PlanPlan





4

Les fossiles: 70 %

(Monde 80 %)

Données factuelles

Renouvelables 13 %Hydraulique 3.5 %Bois +biomasse 6.4 %Eolien 0.6%Solaire 0.1 %...

5

Combustion = CO2

(Cn Hm ) CO2 +H2O

6

Émission de CO2

Les gaz à effet de serre

7

Crise de l’énergie et crise environnementale ?

•Effet de serre•Changement climatique•Raréfaction des ressources•Conséquences économiques, sociétales, géopolitiques

8

Verre

Serre

1) L’énergie solaire traverse le verre

2) La serre se réchauffe : elle émet du rayonnement dans l’infra rouge

Données: Le verre est transparent dans le visibleIl est opaque dans l’Infra rouge

3) Donc l’énergie réémise par la serre ne peut pas sortir:

elle est piégée dans la serre,

qui s’échauffe beaucoup plus que si il n’y avait pas la plaque de verre

9

Plus il y a de CO2, plus l’atmosphère devient opaque à l’infra rouge réémis par le sol,

et plus la terre se réchauffe

L’atmosphère joue pour la terre le rôle de la vitre

La terre et l’effet de serre

10

Deuxième Elément crucial:

Le CHANGEMENT CLIMATIQUE

11

Nombre de jours anormalement

Changement climatique et CO2

froidschauds

1°C

Accroissement de la température

12

Pluies et innondations

Niveau des mers


Niveau moyen des mers en mm

13

La concentration des populations augmente dans les zones côtières, alors que le risque dû à une élévation du niveau

de la mer s’y accroît

Menaces sur les deltas côtiers


14

Australie décembre 2010

Glissement de terrain Mexique septembre 2010

Déluge Afrique du Sud février 2011

Pluies diluviennes au Brésil mi janvier 2011

CO2, réchauffement, innondations :

15

MesuresNaturel + Anthropique Naturel

Réchauffement : origine antrhopique (JL Demenet)

16

Peut-on quantifier l’ampleur du réchauffement admissible ?

17

Effets d’un réchauffement au-delà de 2°C ?

Fusion de la glace des calottes polaires

Montée du niveau des mers

Fusion des glaciers

Assèchement des rivières (Himalaya)

Libération du méthane du permafrost (Sibérie)…

Dérèglements climatiques: inondations…

18

Evolution du glacier de Chacaltaya (Andes, 5400 m) entre 1994 et 2009. IRD-B. Francou

Anomalies Groenland

Réduction des glaces pluri annuelles de l’Arctique : de 62 à 32 % de la surface totale(Nasa)

19

La concentration en CO2, la température, le niveau de la mer continuent de progresser bien après la réduction des émissions

L’échelle des temps

Dilatation

Fonte des glaces

Température

Concentration CO2

Emissions CO2

20

Troisième élément crucial :la raréfaction des ressources

21

Raréfaction des ressources

Gaz

Charbon

Uranium

Indium

Platine

Lithium…

Le peak Oil

22

Quatrième aspect de la crise : ses conséquences

Economiques,

Sociétales,

Géopolitiques

23

•Renchérissement du coût de l’énergie,• Augmentation prix de revient des produits manufacturés riches en énergie: acier, automobile, ciment …)

•accroissement des déficits, de la dette

France•Budget : 300 Milliards (dép); Déficit: 60 Milliards

•Fossiles :70 Milliards ; IRPP :77 Milliards

Réponse? Politique d’austérité ??? Instabilités

Economique

24

Précarité énergétique = Un ménage est considéré en situation de précarité énergétique lorsqu’il éprouve des difficultés à chauffer dans son logement (ressources et conditions d’habitat).

Sociétal

Facture énergétique/revenu disponible > 10%

France : 15% de la populationAin :13 %Poitou Charentes: 18%

25

Une mise en cause des besoins vitaux des hommes :

•Canicules, innondations, moustiques (Dengue, Chicungunia…): santé publique

Géopolitique

•Inondations, sècheresse, désertification : quel territoire pour les réfugiés climatiques ?

•Fonte des glaciers de l’Himalaya: premières estimations 2060,Gange, Indus, Mékong, Yang Tseu: désertification : eau

•Altération des cultures et alimentation : nourriture

Nouveaux conflits géopolitiques

26

1) Les effets sur les changements futurs dans le climat des actions que nous entreprenons aujourd’hui se feront sentir à retardement:

•Action maintenant : effet limité sur le climat des 50 ans à venir.

•Action dans les 10 /20 ans : effet profond sur le climat dans la seconde moitié de ce siècle et au siècle suivant

Rapport STERN :2006

2) Les bénéfices d’une action forte et rapide sur le changement climatique dépassent considérablement les coûts…

27

Nous sommes dans un contexte d’urgence (diviser par un facteur 4 les émissions à effet de serre)

et de contrainte: fin du pétrole bon marché

+ Stern

Peak oil + …

28

PlanPlan





29

ppm CO2

Référence

450

Scénario 450

450 ppm c’est 0.045% de CO2

Rappelons un scénario de transition possible vers un monde plus sobre (AIE)

Il stabilise ( # 2050, 2060) la concentration en CO2 dans l’atmosphère à 450 ppm

En fait, il offre une de probabilité de 50 % de limiter le réchauffement à 2°C

30

Le Scenario 450 Des clés !

Agence Internationale de l’Energie (IAE)

Evolution des émissions annuelles mondiales de CO2 (Giga tonnes)

31

1) Efficacité

2) Energie décarbonnée

AIE : Agence Internationale de l’Energie Les Pistes

50 %

32

Réduire la demande:

isoler

Améliorer les rendements

Cycles combinés

Cogénération

Récupérer

Améliorer l’efficacité

33

Production d’électricité de la France # 500 TWh

On évalue à 43 TWh l’énergie qui peut être économisée dans l’industrie en systématisant la variation de vitesse et à 5 TWh en améliorant l’efficacité des moteurs,

Des gains allant jusqu’à 40% sont envisageables pour tous les appareils utilisés dans le résidentiel 120 TWh

La marge de progrès dans l’éclairage (50 TWh) est considérable : plus de 50% et sans doute davantage avec les diodes électroluminescentes

Identifier les gisements de gain en énergie

10 %

5 %

10 %

Efficacité et Génie électrique

34

Composants: Eclairage

France 10 % consommation électrique (500 TWh)

# 5 tranches nucléaires

Lampe à incandescence: Planck rendement lumineux 5 % (tungstène)

LED : Transitions radiatives entre niveaux énergétiques discrets: ( Al Ga In N…)

Gain pratique actuel estimé : 50% soit 2 tranches

AvantagesPotentiel de gainDurée de vie (40 000 h)Faible demande en énergiePas de mercure, UVOLEDs

InconvénientsMonochromatique, directionnel reproductibilitéProduction peu écologique ( semi conducteurs)Santé ?

35

Nouveaux matériaux:

Mois de pertes magnétiques,

Moins de pertes diélectriques

Électronique de puissance: limiter l’échauffement

Récupérer la chaleur : cas des grands centres de calcul

Piloter la vitesses des machines ( 10 % gain )…

Exemples de pistes de recherche

Génie électrique

36

PlanPlan





37

1) Efficacité

2) Energie décarbonnée

AIE : Agence Internationale de l’Energie Les Pistes

ENR # 25 %

38

Consommation

Fossiles

Recharge quotidienne

Renouvelable Renouvelable

ConsommationSoleil

Pas de Recharge!

Le caractère renouvelable : idée

d’un grand réservoir

39

Au commencement de l’Univers, il y a # 14 Milliards d’ années

Au commencement de la terre, il y a # 4.5 Milliards d’ années

Aujourd’hui, les énergies primaires de notre société

Les ENR: les différentes formes

L’énergie du Big Bang (?)

L’énergie thermonucléaire du soleil

La Radioactivité stockée dans la terre

L’énergie mécanique du système solaire

SolaireEolienBiomasseCombustibles fossilesHoule

Energie nucléaire, fission

Géothermie

Marées

40Electricité

Les ENR sont associées aux vecteurs usuels

41

CarburantChaleur

ENR et vecteur usuels

Hydrogène

Décomposition de l’eau :Par action du soleil sur des alguesOu par électrophotocatalyse

42

Intermittence

Production régulière

Hydraulique

GéothermieBiocarburants

Hydrauliennes

43

Intermittence

Production irrégulière

Eoliennes

Solaire PV

Solaire Thermique

Solaire Thermodynamique

Houle

44

ENR : Avantages

Le Réservoir potentiel d’énergie primaire est gigantesque:

Géothermique : 25 % consommation mondeHydraulique: 50 % consommation monde (elec)Eolien : 100 fois consommation mondePV : 10 000 fois consommation monde

Impact environnemental faible (?)

Vent, soleil, mer : assez bien distribué

Exploitable à petite échelle

45

ENR : Inconvénients

Couts élevés,Surface au sol,

Intermittence

Impact environnemental, Acceptabilité

Voir tableau suivant

CO2, Besoin de stocker

Discuté en conclusion

€/MWh €/MWh

Hydro 20 Gaz 77

Charbon 44 Eolien 60

Nucléaire 50 Solaire 2 à 400

46

Investissement (Milliards €)

Surface (ha)

EPR 1 8.5 51

Eolien 20 parcs 14 600

PV 61 fermes

27 22 400

EPR : 1600 MW, 82 % , 11.5 Milliards kWh, 8.5 Milliards €

Eolien Quatre Faux:330 MW, 20% , 578 Millions kWh, 700 Millions € 1 EPR = 20 parcs = 14 Millions €PV Toul : 143 MW , 15 % , 188 Millions kWh, 450Millions €

1 EPR = 61 fermes solaires = 27 Millions €

ENR: Investissement

47

PlanPlan





48

Eolien

H=135 m

7.7 MW12

Les quatre Faux

49

Fin 2011 : 3700 machines soit 6,7 GW

Horizon 2020 19 GW : 6000 nouvelles machines à 2 MW + 4000 anciennes2.5 fois plus qu’aujourd’hui :Un carré de 2500 km2 soit ½ départementOffshore : + 10% soit en tout 22 GW et 45 TWh : 10 % conso

Le déploiement de l’éolien en France ? Données:

France : 500TWhEolienne : 25 à 30

% du temps

Les contraintes:Vent « suffisant »Distance respectueuse les zones urbaines et sites protégésPassages oiseauxServitudes techniques ( radar météo)

Quel % du territoire est –on prêt à consacrer aux éoliennes ?

50

Matériaux: aimants au Nd-Fe-BLimiter ou remplacer la terre rare (ici le Néodyme):Hexaferrite

Usure des pales ( pluie, grains de sable du Sahara…)

Prédictibilité de la productionAnalyse détaillée de la distribution des vents (direction, module, variabilité, distribution à petite ( 1 mn) et grande échelle de temps (1h, 1 j 1 an et plus), lois statistiques, modélisation

Intermittence et stockage:Air comprimé, batteries (Li-ion, H2),STEP

Quelques problématiques

scientifiques

51

Stockage Air comprimé avec récupération de chaleur de compression (thèse A. Bertin juin 2013 IPGP)

52

Photovoltaïque

Centrale de Toul –Rosières (Nancy)2012 – 143 MWc 367 ha 450 Millions €

53

Puissance crête d’un panneau : # 100Wc/ m2 (pour 1000 W/ m2 solaires incidents)

Ensoleillement typique en France: 1000kWh /an /m2 1000h équivalentes à la puissance crête

Une maison de 10 m2 de panneaux 1kWc 1000 kWh

Une ferme de 1 MW - 10 000 m2 de panneaux1000 MWh =1 GWh et 2 ha au sol

Quelques points de repère

54

Quel déploiement du PV en France ?

Pour 500 TWh :500 GW, 10 000 km2 soit 2% du territoire, 2 départements

Pour 10 % de la consommation nationale: 0.2 départementsAvec les pertes et l’intermittence: ½ département

En réalité, en fin 2011 : 4 GW en France ( < 1 % cons)32 GW en Allemagne100 GW au monde

55

•Production de Silicium•Couches minces•Organique• Nanostructurés•PV concentré

Quelques problématiques

scientifiques

56

57

Silicium cristallin

Purification du silicium métallurgique par procédé plasma

• Interaction plasma silicium

• Interaction entre éléments dans le silicium

L’approvisionnement

Modification des bandes…

Lanthanides Down convertion: un photon de

grande énergie donne deux photons de plus faible énergie

Up convertion: deux photons de faible énergie donnent un photon de plus grande énergie

Nanostructuration

58

PV Concentré

CPV avec cellules multi-jonctions

GaInP/GaAs/Ge : 40 %

Empilement infini :théorique 86 %

InGaP (1.82 eV)InGaAs (1.4 eV)Ge

(0.5 eV)

Cellule chère Concentrer

Iris

Cellule

59

Extraction

Réduction Récup chaleur four

QS Recyclage SiCl4

PlaquetteSciage, épaisseur 350-->180µ; 100*100 --> 160*160 mm

CelluleDécapage, antireflet dopage connectique

Module Raccordement encapsulation

Cas du Silicium cristallinTemps de retour énergétique: de 15 à 3 ans

Action sur les procédés

Gain en 15 ans

60

En Guise de ConclusionEn Guise de Conclusion

L’urgence s’impose pour tenter de résoudre les problèmes majeurs de la crise environnementale causée par l’usage des fossiles pour produire notre énergie.

S’ajoute le raréfaction rapide de ces ressources fossiles

Quelques clés ont été identifiées:

Améliorer l’efficacité énergétique

Développer les ENR

Agir sue le CO2 (CCS)

Développer un nucléaire « maitrisé »…

61

En Guise de ConclusionEn Guise de Conclusion

Même si le réservoir peut apparaitre gigantesque, en matière d’électricité issue des d’ENR il n’y a pas de solution miracle, et la production d’électricité ne peut s’envisager par les seules ENR.

Un problème majeur, l’intermittence: perspectives et besoin de R/D, stockage, smart grids…

Les matériaux

Substitution aux terres rares

Nanostructuration, solaire PV concentré

62

Conclusion (fin)Conclusion (fin)

Mais ne pas oublier certains aspects relevant des Sciences humaines et sociales

AcceptabilitéLes surfaces occupées, l’altération du paysageObstacles à la diffusion des nouvelles technologies

Education

Juridique, aménagement du territoire: règlementation, subventions

Les modes de consommation (réduire la demande)

Et , à un autre niveau, la préparation des négociations à l’international…

63

Les Energies renouvelables, développements, enjeux Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production d’électricitéenvironnementaux, production d’électricité

J. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMAJ. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMA

Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRSCNRS

Merci pour votre attention

64

Encrassement des Echangeurs pertes = 2 % énergie mondiale

= conso France

Froid industriel : 2 % consommation électricité mondiale ( 2000TWh = 4 * France)

Frottement Automobile:

360 Mtep =3% Energie mondiale

A 15 ans réduction de 60%

+ 50 %

Améliorer l’efficacité

65

Monde (Mega tep)

Total Transports Agrocarburants

2010 12 000 2300 46

2050 20 000

2500 3 à 500

Où Placer le curseur ?

Les surfaces : 125 Mha /1130 :10%

La contribution CO2 : - 0.25 Gtonnes C soit - 2.5 %

La contribution en énergie: 4 tep /ha 500 Mtep, 2.5 % total mais 20 % carburants

Les agrocarburants : une concurrence aux cultures vivrières ?

66

Données

300 Millions de personnes en danger de mort

100kg de blé à 150 $ la tonne: 15 $

La faim dans le monde

Les calculs

1) Pour 300 millions : 4,5 milliards $

Les PIB: F : 2000 Milliard €; USA: 15 000 Milliards €; monde : 60 000 Milliards $

Les paradis fiscaux: 500 fois le PIB mondial

2) Les quantités: La production de blé : 780 M Tonnes dont 180 restent dans les stocks

Il faut : 30 Millions de tonnes !

67

Eolien + PV : 2 % de 20 000TWh

Documents

1 Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production délectricité J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMA Ancien Directeur