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
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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
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