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Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 1
Energie-environnementet technologies de l’offre:
prospective 2050 avec le modèle POLES
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 2
La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030
La problématique à 2050:prise en compte des innovations radicales
Base de Données Techs-DB pour la modélisation et l’aide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener)
Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC
Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 3
La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030
La problématique à 2050:prise en compte des innovations radicales
Base de Données Techs-DB pour la modélisation et l’aide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener)
Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC
Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 4
POLES : Large scale power technologies
Large Scale Power Generation
Advanced Thermodynamic Cycle ATC
Super Critical Pulverised Coal PFC
Integrated Coal Gasif. Comb. Cycle ICG
Coal Conventional Thermal CCT
Lignite Conventional Thermal LCT
Large Hydro HYD
Nuclear LWR NUC
New Nuclear Design NND
Gas Conventional Thermal GCT
Gas Turbines Combined Cycle GGT
Oil Conventional Thermal OCT
Oil Fired Gas Turbines OGT
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 5
POLES : New and Renewable technologies
New and Renewable Technologies
Waste Incineration CHP BF2
Biomass Gasif. with Gas Turbines BGT
Combined Heat and Power CHP
Photovoltaics (windows) DPV
Proton Exch. Membr. Fuel Cell (Fixed) MFC
Solid Oxide Fuel Cell (Fixed Cogen.) SFC
Rural Photovoltaics RPV
Solar Thermal Powerplants SPP
Small Hydro SHY
Wind Turbines WND
Biofuels for transport BF3
Fuel Cell Vehicle (PEM) FCV
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 6
Dans POLES la courbe d ’apprentissage conventionnelle: COST = A * CUMCAP-b
est remplacée par une courbe deux facteurs ... Intégrant aussi la recherche cumulée (publique et privée):
COST = A * CUMCAP-b * (CGERD+CBERD)-c
avec variable éxogène
variable endogène
La « courbe d ’apprentissage à deux facteurs » (TFLC) dans POLES
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 7
Analyse des budgets de R&D Energie selon l’AIE
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002
TOTAL
TOTAL ELEC
TOTAL ELECNON NUC
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
OTHER
CONSERV
RENEW
FUSION
BREEDER
LWR
OIL & GAS
COAL
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 8
Four key technology portfolios (From J.
Pershing, IFRI-RFF seminar, March 2003)
550 M$/yr
200 M$/yr
400 M$/yr
300 M$/yr200 M$/yr
2.4 G$ - 74 % of NCEP 2010 proposal
300 M$/yr
450 M$/yr
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 9
La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030
La problématique à 2050:prise en compte des innovations radicales
Base de Données Techs-DB pour la modélisation et l’aide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener)
Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC
Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 10
Des innov ations incrémentales aux innovations radicales et changemts. struct.
Urbanisation
Transmater.
Changements structurels
(WETO-H2 …)
ModèlePOLES
2030-2050
Scénarios: Référence
Stabilisation
IPTS Modèles Détaillés
TRANSPORT
SIDERURGIE
H2 + CCS
Véh. TBE
Bat. TBE
Technologies (Facteur 4 …)
ULCOS
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 12
11 Hydrogen technologies2 x 2 End-use technologies Hydrogen Fuel-Cells for stationary uses (+Natural Gas FC) HFC, GFC
Hydrogen Fuel-Cell Vehicles (+Methanol FCV), FCVH, FCVM
10 H2 Production technologies Hydrogen from Gas Steam Reforming GSR
Gas Steam Reforming with CO2 Sequestration GSS
Coal Partial Oxidation CPO
Coal Partial Oxidation with CO2 Sequestration CPS
Biomass Pyrolysis BPY
Solar High-temp. Thermochemical cycles SHT
Nuclear High-temp. Thermochemical cycles NHT
Water Electrolysis, dedicated Nuclear power plant WEN
Water Electrolysis, dedicated Wind power plant WEW
Water Electrolysis, baseload electricity from Grid WEG
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 13
5 Carbon Capture & Sequestration options
Electricity technologies PFC + CCS => PSS Pulverized fuel Supercritical with CCS
ICG + CCS => CGS Integrated Coal Gasification with CCS
GGC + CCS => GGS Gas powered Gas turbine in combined cycle with CCS
Hydrogen technologies GSR+CCS => GSS Gas Steam reforming with CCS
CPO+CCS => CPS Coal Partial oxidation with CCS
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 14
Les véhicules TBE (Très Basse Energie)
VKMLIV (Detailed, LIV) / TKMTER (Detailed, HEV) / CAR (Compact)
Conventionnel Hybride Electrique PAC Gaz PAC Hydr.
Carburants
Electricité Gaz Hydrogène Pétrole Biocarburant
Thermique H2
KMCAR (Detailed, LIV)
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 15
Parts de marché des différentes technologies TBE dans le Transport - France
Référence
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2000 2010 2020 2030 2040 2050
Conventionnel
Hybride
Electrique
Thermique - H2
PAC H2
PAC Gaz
Facteur 4
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2000 2010 2020 2030 2040 2050
Conventionnel
Hybride
Electrique
Thermique - H2
PAC H2
PAC Gaz
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 16
Secteur résidentiel-tertiaire, création de 3 types de bâtiments:- Standard = moyenne des consommations du pays/région
avec progrès technique
- Basse Consommation (neuf et réhabilitation thermique), 50 % de la consommation standard
- Très Basse Consommation (neuf), 1/3 de la consommation standard dans les régions en développement, 1/4 dans les pays industrialisés
Diffusion en fonction du “retour sur investissement” de l’économie réalisée
Sous contrainte de renouvellement des parcs
Les batiments TBE (Très Basse Energie)
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 17
Parts de marché des bâtiments TBE dans le résidentiel - France
Référence
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2000 2010 2020 2030 2040 2050
Standard
Basse Consommation
Très BasseConsommation
Facteur 4
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2000 2010 2020 2030 2040 2050
Standard
Basse Consommation
Très BasseConsommation
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 18
La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030
La problématique à 2050:prise en compte des innovations radicales
Base de Données Techs-DB pour la modélisation et l’aide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener)
Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC
Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 19
Techs-DB: vers une harmonisation des évaluations de coût des technologies
Wind Power on-shore - Investment costs
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
€99/
kW
IEA (EU), 2004 IEA (IC), 2004 IEA (DC), 2004 IEA (TC), 2004 EIA, 2004 EPE, 2004
ECN 1998 IPTS, 2003 VLEEM, 2003 Ecofys, 2002 Ikarus, 2003
Observé ?
Des écarts importants
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 20
Techs-DB, coûts de référence de l’électricité: du bi- au tri-dimensionnel invest. / combust. / valeur du C
SHY WNDWND offsh.
SPP DPV
2000 2025 2050 2000 2025 2050 2000 2025 2050 2000 2025 2050 2000 2025 2050
Overn. Inv. Cost €/kW 2100 2000 1950 1000 750 650 1750 1000 800 2750 2100 1800 6000 2500 1500Other costs €/kWTechnical lifetime Years 30 30 30 20 20 20 20 20 20 25 25 25 25 30 30Construction time Years 2 2 2 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1Interest rate 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5%Decommission share 20% 20% 20% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 20% 20% 20% 10% 10% 10%Discount rate (%) 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8%
Total investment Cost €/kW 2300 2190 2135 1061 795 689 1901 1086 869 3111 2376 2037 6385 2649 1589
Fixed cost €/kWy 204 195 190 108 81 70 194 111 89 291 223 191 598 235 141FOM cost €/kWy 31,5 30,0 29,3 20,0 15,0 13,0 52,5 30 24 27,5 21,0 18,0 30,0 12,5 7,5Availab. Factor % 50% 50% 50% 28% 28% 28% 35% 35% 35% 25% 27% 28% 17% 18% 19%
Fixed cost €/MWh 53,8 51,3 50,0 52,2 39,1 33,9 80,3 45,9 36,7 145,7 103,0 85,1 421,8 157,1 89,3
Fuel price €/toeCarbon content tCO2/toeCarbon price €/tCO2Fuel efficiency % 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%Electrical efficiencyThermal efficiencyFuel cost incl. Carbon €/MWh 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0VOM cost €/MWh
Variable cost €/MWh 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Production cost €/MWh 54 51 50 52 39 34 80 46 37 146 103 85 422 157 89
New and Renewable Power Gen
99€ - 95$
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 21
Techs-DB, la quatrième dimension: fondamentaux de la production d’hydrogène
2000 2050 2000 2050 2000 2050 2000 2050 2000 2050Investmt Cost €/(M3d) 45 27 113 68 118 71 600 350 124 74Technical lifetime Years 35 35 35 35 35 35 35 35 25 25
Annual fixed costCapital Cost €/(M3d) 3,8 2,3 9,7 5,8 10,1 6,1 51,5 30,0 11,6 7,0FOM (10%) €/(M3d) 0,38 0,23 0,97 0,58 1,01 0,61 5,15 3,00 1,16 0,70Fixed cost €/(M3d) 4,21 2,54 10,62 6,37 11,15 6,69 56,63 33,03 12,75 7,65Fixed cost €/koed 393 237 992 595 1041 625 5288 3085 1191 715Availab. Factor % 75% 75% 75% 75% 75% 75% 20% 20% 33% 33%Fixed cost €/toe 60 36 151 91 158 95 3019 1761 412 247
Variable CostsFuel price (end) €/toe 103 292 80 147 200 220 0 0 648 660Fuel efficiency % 75% 80% 50% 65% 65% 65% 15% 15% 75% 75%VOM €/toe 6 6 35 35 35 35 35 35 21 21Variable cost €/toe 143 371 195 262 343 373 35 35 885 901
Production cost €/toe 203 407 345 352 501 469 3054 1796 1297 1148
HWEGSR CPO BPY SSE
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 23
L’observatoire des technologies énergétiques Dans le cadre du programme Energie du
CNRS et du projet de maison de l’énergie de l’INPG
L’Observatoire des technologies énergétiques abritera la base Techs-DB du LEPII-EPE
Visant à rassembler les informations de coût et de performance sur une cinquantaine de technologies génériques
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 24
La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030
La problématique à 2050:prise en compte des innovations radicales
Base de Données Techs-DB pour la modélisation et l’aide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener)
Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC
Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 25
La production d’Hydrogène La contrainte carbone (en €/tCO2) sera déterminante
pour la compétitivité des différentes options de production, la production à partir des fossiles implique la séquestration
L’option Gaz ne devrait être que transitoire (prix du gaz)
Resteraient en compétition les options Charbon + CSC, Biomasse, Eolien et Nucléaire dédié (de 600 €/toe à 400 en 2050 ? NB: 50 $/bl = 350 €/toe)
Aux USA les « roadmaps » ne font apparaître que les deux premières options, mais annonces / Electrolyse à Haute Température avec Nucléaire
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 26
Le transport Ramené à la tep, le coût de transport pourrait
représenter de 25 à 50 % du coût de production (en 2050)
La difficulté est d’enclencher le cercle vertueux des « rendements croissants » (les réseaux élec. et gaz ont été développés dans un environnement dit de « monopole naturel »)
Le problème est donc celui du financement d’une nouvelle infrastructure de réseau dans un environnement institutionnel libéralisé, avec coûts initiaux élevés mais décroissants
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 29
Scénarios pour l’hydrogène (WETO-H2) L’hydrogène devra relever deux défis:
- celui de l’apport d’une véritable valeur ajoutée / élec - celui de la construction d’une infrastructure lourde
(10s G$) en univers incertain … et libéralisé
Pour la production deux scénarios sont possibles:- Le scénario américain (et chinois) de la production par
centrale charbon avec CSC (électricité chère, avantage de cogen distribuée sans CO2)
- Le scénario européen « RENUC » électricité bon marché mais H2 stockage dans le complexe électrique (décentralisé ? centralisé saisonnier ?)
L’Hydrogène se développera-t-il ? Peut-on imaginer une cohabitation des différentes voies:- C aux US, Chine, Inde- NUC en F, EurEst, Chine REN dans reste Europe
Ou au contraire un seul modèle dominant ???
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 30
La problématique développement énergétique / contrainte environnementale, horizon 2030
La problématique à 2050:prise en compte des innovations radicales
Base de Données Techs-DB pour la modélisation et l’aide à la décision (Projet EMAD du Prog Ener)
Résultats préliminaires 2050: H2 et CSC
Facteur 4 et Peak Oil, quelques indications préliminaires
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 31
POLES : Processus de découverte Pétrole et Gaz Ressources Récup. ULtimes = Pétrole en place X Taux de Récup. Les découvertes, fonction à rendement décroissant de l ’effort de forage Réserves = Découvertes - Production Cumulée Prix du pétrole = f(Réserves/Production) Pétroles non conventionnels = f(prix petr)
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 32
Consommation Primaire - Monde
0
5000
10000
15000
20000
25000
2001 2010 2020 2030 2040 2050
Mte
p
RenouvelablesNucléaireCharbonGazPétrole
Référence 2050: retour du charbon, pics pétrolier et gazier
Dans le scénario de référence, la tension croissante sur les hydrocarbures se traduit par un prix de 60 $/bl en 2050
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 33
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090
GH
G E
mis
sio
ns (
GtC
O2-e
q)
Baseline
S550e
S650e
En 2050, les réductions d’émission atteignent
respectivement 35 et 60 % par rapport à la référence
IMAGE 2.2
Les profils S550 et S650 tous gaz (S450-S550 CO2) dans l’étude GRP pour la DG ENV
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 34
Les dotations internationales de droits d’émission à 2050 Pour les profils globaux de l’étude GRP et des
dotations « Multi-Stage », on peut retenir les ordres de grandeur suivants :
Annex I Non Annex I
S650e + 2.5°C from pre-ind. + 1.9 °C from today / Factor 2
x 2 (LAM, MET, SEEA)
x 5 (AFR, SOA = baseline)
S550e +1.6 °C from pre-ind. + 1.0 °C from today / Factor 4
x 1 (LAM, MET, SEEA)
x 3 (AFR, SOA)
Temp. increase (median CSF)
2050 endowmts. compared to 1990 emiss.
Emission profile
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 35
Consommation Primaire - Monde
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
2001 2010 2020 2030 2040 2050
Mte
p
Renouvelables
Nucléaire
Charbon
Gaz
Pétrole
550e-F4 : Impacts sur la consommation mondiale d’énergie
La consommation primaire mondiale passe de 24 (Ref) à 12 Gtep
Près des deux tiers de l’approv. sont assurés par les renouvelables et le nucléaire
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 36
La séquestration se généralise dans la production d’électricité entre 2020 et 2030
Séquestration
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
2000 2010 2020 2030 2040 2050
GtCO
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
GtCO
2
Stockage annuel
Cumul
Monde - Production Electricité Fossile
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
2000 2010 2020 2030 2040 2050
TWh
Avec Sequestration Sans Sequestration
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 37
Fundamentals of electricity costs from Techs-DB
from Techs DB and for 2025
€/MWhPulverised
CoalPulverised Coal + CCS
Wind Nuclear
0 €/tCO2 30 42 39 35
20 €/tCO2 46 46 39 35
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 38
Consommation mondiale de liquides
consommation totale des liquides suivant les scénarios
0
20
40
60
80
100
120
140
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
con
so d
e li
qu
ides
en
Mb
j
scénario deréférence
scénario CV
scénario F4
Programme Energie du CNRS Nogent, 20 Janvier 2005 40
Les transitions énergétiques: propos d’étape
Au-delà de 2020-2030, la poursuite du développement énergétique imposera des innovations radicales
Il est certain que les solutions feront appel à quatre clusters:1/ technologies TBE, Très Basse Energie2/ Energies Renouvelables3/ Nucléaire III et IV4/ H2 et/ou Elec avec séquestration
A l’intérieur des clusters il est impossible aujourd’hui de sélectionner les gagnants (pick the winners)
Trois transitions se superposeront, en interdépendance dynamique:
1/ Peak Oil
2/ Stabilisation GES
3/ Matériaux fissiles
L’enjeu pour la recherche et de tenter d’appréhender les dynamiques relatives de progrès technique et de contrainte de ressource/émission
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