L’homme et l’énergie: les fabuleux défis du XXI è siècle

17 avril 2006 Gap sciences animation 05

L’homme et l’énergie: les fabuleux défis du XXIè siècle

Pierre Bacher

(« Quelle énergie pour demain? »)


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?


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 »


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


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 .


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


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


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


Accès à l’énergie par habitant (2002)

:

0123456789

Tep/h

Source: informations sur l’énergie (CEA – 2005)


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?


Ressources mondiales de gaz naturel

Spource: CEDIGAZ)

Comment gérer le risque géopolitique?


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.


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


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 »


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.


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 %


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.


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


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


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)


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


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


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


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


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 ??


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


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


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)


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.


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)



*b41g - 10 Prévisions de production de pétrole et de gaz

(Laherrère)


*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


*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


*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


*21-04 Le climat au XXIème siècle, selon l’IPCC

Source : IPCC1995


*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)


22-07 Les émissions de CO2 en France de 970 à 1999

Source : MinEFI / Observatoire de l’énergie


*b12 - 07 Énergie et santé


*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


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


EPR – vue d’artiste


Les systèmes de sûreté sont installés dans 4 bâtiments séparés (redondance 4)


Protection contre la chute d'avion


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)


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.


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.


Une nouvelle génération : quand?


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?


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


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

Documents

L’homme et l’énergie: les fabuleux défis du XXI è siècle