Cours introduction Macro énergie

Macro Energie 2013

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MACRO ENERGIELE PROBLÈME ENERGÉTIQUE MONDIAL

Planning du cours

• 11 janvier: Introduction (F. Buret)

• 18 janvier: Charbon (M. Valdelièvre)

• 25 janvier: Pétrole/gaz (Eric de Merville)

• 1 février: Uranium (B. Esteve)

• 8 février : Cycle carbone/impact sur l'environ. (T. VOGEL )

• 15 février: Politique Energétique (A. Bredimas)

• 22 février: BE SIMAPRO Groupe 1

• 8 mars: BE SIMAPRO Groupe 2

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Contrôle des connaissances• Test final: coeff. 0,7

– QCM, question de synthèse et exercices d ’application directe du cours.

– Documents 8 feuilles A4 recto‐verso manuscritesmanuscrites

• Etude bibliographique: coeff. 0,2– par groupe de 2 (environ 8 h de travail)

• CR du BE et participation: coeff. 0,11 BE l ’i t i t l– 1 BE sur l ’impact environnemental

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Sommaire• Généralités

– Définitions

– Filières énergétiques

• Energies primaires

• Photographie de la situation actuelle– Structure de la consommation

– réserve

– quelques éléments de réflexion

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IntrodutionGénéralités– Définitions

– Filières énergéti‐ques

– Architecture

Energie primaire GÉNÉRALITÉS

• Définitions

Energie primaire– Problème énergétique

– Les ressources

– Les unités

– Bilan de consommation

Situation actuelle– Carac. conso

– Tendances

– Réserves

• Filières énergétiques

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Eléments de réflexion

Définitions• Energie: plusieurs acceptions du terme

– Point de vue du physicien• L'énergie est une grandeur physique qui traduit la capacité à transformer l’état d ’un système

la grandeur physique fondamentale des actions intra‐ et inter‐systèmesla grandeur physique fondamentale des actions intra et inter systèmes

unité: Joule (J)…….(très petit)• L’énergie est multiforme • Les lois physiques permettent

– de définir le contenu énergétiques de ces formes d ’énergie et en ce sens seulement elles sont « équivalentes »

ex: équivalence travail‐chaleur

1er principe: l ’énergie se conserve– de donner une limite à la transformation d’une forme d ’énergie en une gautre.

Ex: rendement de la transformation chaleur‐travail est bornée

2ème principe: entropie d ’un système isolé est croissante– Les formes ne sont donc pas strictement équivalentes du point de vue de leur valeur d ’usage.

– De manière commune on peut attribuer une qualité à une forme d’énergie.

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Définitions– Point de vue économique:

1 ) Les énergies finales qui correspondent aux usages finaux

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• Travail mécanique• Chauffage• Eclairage• Support de l ’Information

Définitions2°) Les énergies secondaires

• énergies que l’on utilise pour produire un mouvement (travail), de la chaleur, de la lumière (énergie finale).

• énergie utilisée et « achetée » par l’utilisateur finalénergie utilisée et « achetée » par l utilisateur final

• Correspond à la consommation finale (cf bilan énergétique)

• n’existent pas à l’état naturel, issues d’une transformation /traitement / transport

Unité: kWh, volume…. (unité technico‐économique)

3°) Les énergies primaires (ressources)• Energies disponibles naturellement dans notre environ‐nement

• On parle d ’énergies primaires: fossiles ou renouvelables

Unité: tep (toe) +…..

tonne équivalent pétrole8

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Filières énergétiques• Des énergies primaires aux usages finaux

Energies primairesprimaires

Energies secondaires

• produits pétrolier raffinés• électricité• vapeur• air comprimé• …..• hydrogène

e te r éner étiq e

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Energies finales

vecteur énergétique• transportable• fractionnable• stockable (≈)

usage

Filières énergétiques• Une filière énergétique est caractérisée

– par un rendement• rendement intrinsèque de(s) des transformations pour atteindre l ’énergie d ’usage (mécanique, thermique….)atteindre l énergie d usage (mécanique, thermique….)

• énergie nécessaire aux différents process (extraction, transformation, transport…)

• énergie nécessaire à la construction de l ’infrastructure

– un impact sur l ’environnement• un appauvrissement des ressources• emprise au sol• emprise au sol• déchets et effluents éventuellement polluants (utilisation et fabrication)

– GES (gaz à effet de serre: CO2….), N0x ; rejets thermiques– déchets radioactifs

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Filières énergétiques• Comparaison des filières…difficiles

– Vision « du puits à la roue »

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Filières énergétiques– Collision entre des visions universalistes/ nationales/ individuelles.

Exemple: est‐il raisonnable de faire du chauffage domestique avec l’électricité comme énergiedomestique avec l électricité comme énergie secondaire ?

• Non, d’un point de vue thermodynamique si l’électricité est produite en utilisant la chaleur

• Pourquoi pas, si– ressource abondante et locale (hydroélectrique)

– ressources sécurisées : approvisionnement, stockage (uranium….)

• Pourquoi pas puisque – Le transport de l’électricité est plus performant que le transport de la chaleur (cas d’une source de chaleur abondante…géothermie HT)

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– Architecture

ENERGIE PRIMAIRE

• Problème énergétiqueL


– Les ressources

– Les unités



– Tendances

– Réserves

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• Les ressources• Les unités• Bilan de consommation

Réserves


Problème énergétique ?• Vision très théorique

– au sens physique du terme, il n’ y a pas de pbénergétiquemais dégradation de l ’énergie vers sa forme basse– mais dégradation de l énergie vers sa forme basse qualité (chaleur)

• La terre est un système ouvert– échange d ’énergie très important avec son environnement (rayonnement)

– échange de matière (très peu)échange de matière (très peu)

• Le problème énergétique concerne les énergies primaires:• Epuisement des stocks• La possibilité d’utilisation des flux

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Les ressources• Fossiles (énergies de stock)

– Charbon– pétrole/gaz conventionnels– minerai matériau fissible– minerai matériau fissible– schiste bitumineux, gaz de schiste, hydrates de méthane– Minerais contenant des isotopes pour fusion/fission nucléaire

• Renouvelables (énergies de flux)– hydrauliquey q– éolien– biomasse– solaire– géothermie

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la plupart des énergies primaires sont d ’origine solaire mais à des échelles de

temps très différentes

Les unités•L ’unité de référence: tep/toe

1Mtep = 41,868.1015 J = 41,868 PJ– 3 à 5 supertankers traduit le fait que notre approvisionnement en énergie est– traduit le fait que notre approvisionnement en énergie est basée sur le pétrole

• mais aussi– Btu (British thermal unit) MBtu = 1,0551 GJ = 0.02519 tep

– tec (tonne équivalent charbon) Mtec = 0,7 Mtep = 29307 TJ( q ) , p– Wh (watt heure) TWh = 3600 TJ = 85,98 ktep

• également (unité de volume/masse)– baril = 158,98 litres cubic feet = 28 litres– short ton = 0,907 tonne

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Anglo‐saxons•billion = 109

•quadrillion = 1015

http://www.iea.org/stats/unit.asp

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Evaluation de l’énergie primaire

• Equivalence énergétiqueméthode du contenu calorifique brut (PCS)

(Gross Heat Content)

PCI/PCS

– pas de pb pour les combustibles– nucléaire, éolien, hydraulique ?

pouvoir calorifique supérieur (PCS) = dégagement maximal théorique de la chaleur lors de la combustion, y compris la chaleur de condensation de la vapeur d’eau produite pouvoir calorifique inférieur (PCI) = PCS moins la chaleur de condensation de l’eau supposée restée à l’état de vapeur à l’issue de la combustion.

Gaz naturel: 0,9 Charbon: 0,95…0,98 Pétrole: 0,92…0,93

• Nucléaire: énergie thermique dégagée par la réaction nucléaire

• Eolien, hydraulique– équivalence énergétique directe – ou avec un coefficient (dépend des pays, organisme)

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Equivalence énergétique• Contenu calorifique différent suivant les origines

Variation de l ’ordre de 10%

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3 bruts de référence pour les prix:Brent, WTI (West Texas Intermediate),

Arabian Light

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Bilan énergétique‐France• Coefficient d’équivalence français

191 MWh = 3,6 GJ = 0,086 tep; 1 tep ≈ 42 GJ Source: DGEMP http://www.industrie.gouv.fr/energie

Bilan énergétique‐France

France 2011

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France 2011

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Bilan énergétique ‐ France• Consommation d’énergie finale par secteur

– 1er poste: Résidentiel et tertiaire 40%

– 2ème poste: Transport 30%21



– Architecture

SITUATION ACTUELLE

• Caract. de la consommation


– Les ressources

– Les unités



– Tendances

Réserves

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• Tendances

• Réserves

– Réserves


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Caract. de la consommation

• Répartition de l ’utilisation des ressources d’éner‐gies primaires (Monde‐2011)

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BP 2010Pétrole + gaz + charbon = 87%

Caract.de la consommation• Atteinte à l’environnement (au climat)

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25

tep/hab/an

tCO2/hab/an

24

0

5

10

15

Norvè

geUSA

Japon

France

Allemag

ne

Russie

MondeBrés

il

Chine

Vietnam Inde

Togo Haiti

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• Consommation annuelle par individu (tep)

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12

2

4

6

8

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0Monde USA France Chine Côte

d'IvoireRussie Norvège

Que représente 2 tep/hab et par an ?


• Répartition par pays des consommations /tête (2011)

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workbook 2012

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12000

Evolution• Evolution de la consommation mondiale d ’énergie primaire (Gtep)

USA: 19%USA: 19%

4000

6000

8000

10000

12 Gtep

(300Mhab)UE25: 14%(580 Mhab)OCDE: 46,7%France: 2,2%Chine: 20%Afrique: 3,2%(900 Mhab)

(300Mhab)UE25: 14%(580 Mhab)OCDE: 46,7%France: 2,2%Chine: 20%Afrique: 3,2%(900 Mhab)

0

2000

1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010

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12 Gtep180 à 200 Mtep/an

BP: worbook 2010

2008: 11315 Gtep – 2009: 11164 Gtep – 2010: 12002 Gtep – 2011:12274 GTephttp://www.eia.doe.gov/emeu/international

Evolution• Evolution de la consommation d’énergie primai‐re/PIB de 1971 à 2007 (source AIE WEO 2009)

Mtep

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Evolution• Energie primaire PIB (1965/2011)

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Source: Jean‐Marc Jancovici

Evolution• Corrélation consommation d’énergie/PIB

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Exemple d’info« bizarre »

k USD/an/hab

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Evolution• Couplage Consommation/PIB (court terme)

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Evolution• une croissance très forte dans certains pays:

• Chine, Inde

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Réserves• Quelle échéance ?

A consommation constante !

A consommation constante !

workbook 2012

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Réserves• “Pic oil” – théorie de Hubert

??www.oilcrisis.com

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www.oilcrisis.com

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Réserves• Localisation des réserves de pétroles

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workbook 2012

Réserves• Localisation des réserves de charbon

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workbook 2012

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Réserves• Localisation des réserves de gaz

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workbook 2012 Gaz de schiste ?

Premier bilan– Plus de 12 Gtep consommés par an.

– consommation significative depuis le milieu du 19ème siècle.

les principales ressources utilisés sont les combustibles– les principales ressources utilisés sont les combustibles fossiles (> 80%).

– part des EnR marginale.

– une consommation très inégalitaire

– une augmentation régulière depuis le milieu des années 40

200 Mtep/an200 Mtep/an

– qui continue à croître dans les pays développés (entre 1 et 2% an).

USA 1970: 1600 Mtep 2011: 2269 Mtep

France 1970: 155 Mtep‐52Mhab 2011: 271 Mtep‐65Mhab38

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Premier bilan– une tendance à un accroissement + rapide (démographie et développement industriel des pays émergents)

des réserves qui s’épuisent rapidement; échéance de– des réserves qui s épuisent rapidement; échéance de l ’ordre d’une génération pour le pétrole

– un appel au charbon en augmentation

– un impact certain sur notre environnement avec des conséquences difficilement prévisibles (a priori éf t )néfaste)

– une localisation des ressources « particulières »

logistique, problème géopolitique

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QUELQUES ÉLÉMENTS



– Architecture

i i i QUELQUES ÉLÉMENTS

DE RÉFLEXION

• Energie et développement


– Les ressources

– Les unités



– Tendances

– Réserves

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• Tendances

• Enjeux


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Energie et développement• Le développement est indissociable de la consommation énergétique– de combien d’ « esclaves » disposons nous ?

• énergie utile que peut fournir un homme (costaud) 0,8 kWh/jour

• énergie que peut fournir un cheval 5 kWh/j

• 1l de pétrole– 1,5 euros avec les taxes = 15 mn du SMIG horaire

– 38MJ = 10 kWh (thermique) ‐‐‐> 5 kWh d ’énergie mécanique38MJ 10 kWh (thermique) 5 kWh d énergie mécanique

– 6 « équivalent esclaves »*

– le développement n’est possible qu ’avec 1 à 2 tep/hab/an (ONU/UNESCO)

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Energie et environnement• Effort à faire /teneur en CO2 pour un dévelop‐pement durable

42UNFCCCProduction de C02 par habitant en tonne équivalent carbone (2003)

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Energie et Environnement• Emissions de CO2. Qu’est‐ce que cela représente ?Avec les technologies actuelles, une des utilisations suivantes est suffisante pour utiliser notre quota carbone individuel dans le cadre d ’un développement durable:individuel dans le cadre d un développement durable:– Aller‐retour par avion de Paris à New‐York,– ou 5000 à 6000 km en voiture en ville avec une petite voiture,

– ou consommation de 3700 kWh d’électricité en GB, 3200 kWh en Allemagne mais 24000 kWh en France.

k h d d l– ou 8000 kWh de process industriel,– ou acheter 50 à 500 kg de produits manufacturés,– ou construire 4 m2 de maison ou de bureau,– ou brûler 7200 kWh de gaz (environ deux mois de chauffage d ’une maison en France)

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Prospective• Les études prospectives conduisent à des scéna‐rios de croissance des besoins énergétiques pourle siècle prochain– la prolongation des tendances actuelles n’est pas soutenable ( x 5 )

– solidarité et sobriété volontaristes conduisent quand même à x 2

– le scénario moyen « réaliste ? » conduit à x 3 (35 Gtep)

• Les investissements à effectuer sont très impor‐tants– le contexte de dérégulation est‐il favorable à la mise en place de politique à long terme ?

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Prospective• Investissement dans le secteur de l’énergie –scénario de référence de l’AIE (BAU)

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Enjeux• Comment maintenir un niveau de développement où accéder au développement sans dégrader la planète ?

Les énergies de flux peuvent‐elles à termes subvenir à nos besoins ?

• Comment gérer la transition énergétique (il y a urgence)

Peut‐on effectuer la transition suffisamment rapidement ?Peut on effectuer la transition suffisamment rapidement ?

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ENR• Potentiel des ENR

– le solaire (rayonnement) possède ce potentiel à long terme…..

– le potentiel des ENR classiques (hydraulique, éolien, hydrolien…) ne permet pas de couvrir nos besoins.

• Transition– Forte inertie des filières énergétique (ressources etForte inertie des filières énergétique (ressources et utilisation).

– Exemple ENR/versus Nucléaire: le nucléaire à lui seul n’est pas capable de prendre en charge l’augmentation de la consommation.

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Conclusions• Le « développement « humain est intrinsèque‐ment lié à la consommation énergétique

• consommation rapide (de plus en plus) de nos réserves (à l’échéance de quelques décennies )

• pas de solution simple (éolienne, biocarburants…)

• développement certain du charbon

• impact environnemental de l’énergie

• la conscience du problème n’induit pas l’action nécessaire (voir les 40 dernières années) car les signaux économiques ne sont pas toujours pertinents

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Conclusions• Signaux économiques

(court terme ?)

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Le monde : 29/11/2012

Conclusions« Les prévisions à long terme en matière de consommation d'énergie

ne permettent pas de douter de l'apparition d'une pénurie deproduits pétroliers et de gaz naturel, à un horizon relativementproche, puisqu'il se situe au tournant du siècle, en tous cas bienavant 50 ans. Il convient donc de ne pas gaspiller les énergiesavant 50 ans. Il convient donc de ne pas gaspiller les énergiesfossiles dont l'emploi à long terme restera indispensable pour desusages spécifiques, chimie notamment: la transformation enchaleur de produits offrant tant d'autres ressources est unehérésie »Polycopié d’Energétique de l’Ecole des Mines (1973) – Persoz

• Le problème énergétique est un des aspects d’un problème plus général qui est celui des ressources:eau, terres agricoles, minerais…Ex du cuivre: R/P = 40 ans

bon courage !50

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Bibliographie• http://www.bp.com

• http://www.iea.org

• http://www.eia.doe.gov/

• http://europa.eu/pol/ener/index_fr.htm (CE)

• http://www.energy.eu/

• http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/

• http://www.ipcc.ch/ (GIEC/IPCC)

• http://millenniumindicators.un.org

• http://www.manicore.com» site de J‐M Jancovici (expert) ‐ livre « Le plein s ’il vous plaît » Le Seuilsite de J M Jancovici (expert) livre Le plein s il vous plaît Le Seuil

• http://www.developpement‐durable.gouv.fr

• http://www.wise‐paris.org/

• Perspectives énergétiques mondiales Techniques de l ’ing. BE8515

• http://www.negawatt.org/

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Technology

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