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Apports scientifiques sur le concept d’énergie

(SVT, sciences physiques, SES)

Nathalie Rencurel

Aude Chevallier

Alain Manel

Stage éco-établissements

22-23 juin 2005

I - Les constats et les données scientifiques

II - Le protocole de Kyoto

III - Des énergies alternatives et durables

aux émissions de GES

IV – Conclusion - Le plan climat

I - Les constats et les données

scientifiques

Évolution de la température depuis l’an mille dans l’Hémisphère Nord

Les constats scientifiques

Évolution de la température d’après l’analyse isotopique des carottes de glace à Vostok

(courbe rouge)


Évolution de la teneur en CO2 dans

l’atmosphère depuis l’an 1000

(analyse des carottes de glace)

Évolution de la teneur en CO2

dans l’atmosphère depuis 1950


Qu’est ce que l’effet de serre?


Les principaux gaz à effet de serre (GES) produits par l’homme

- le CO2* (dioxyde de

carbone)

- le N2O* (protoxyde d’azote)

- le CH4* (méthane)

- les CFC

*GES mentionnés dans le protocole de Kyoto (1997)


Propriétés de quelques GES

GES Pouvoir de réchauffement /

CO2

Durée de vie dans l’atmosphère

Concentration dans l’atmosphère

% annuel d’accroissement

CO2 1 125 ans 0,035% 0.4%

N2O 310 150 ans 0,00003% 0.25%

CH4 21 12 ans 0,0002% 0.5%

halocarbones 4000 à 22000 40 à 50000 ans <0,00000005% En baisse


Origines des GES produits par l’homme

Le dioxyde de carbone CO2 est produit principalement lors de la

combustion d’énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel..)

Contribution des différents secteurs aux émissions de CO2 :


Le secteur agricole est une des principales sources d'émission de CH4 et de N2O

La majeure partie des émissions de CH4 provenant des systèmes agricoles est

formée par la dégradation microbienne de la matière végétale lorsque le milieu est

pauvre en oxygène (tube digestif des ruminants,les sols saturés en eau (rizières) et le

fumier).

N2O est produit en plus grande quantité au niveau du sol dû aux activités

microbiennes. Les pratiques agricoles (épandage d’engrais et de fumier) augmentent

la quantité de N2O émise en perturbant le cycle naturel de l'azote.


II - Le protocole de Kyoto

Historique

• 1972 : sujet abordé à Stockholm à la conférence mondiale sur

l’environnement

• 1979 : première conférence mondiale sur le climat

• 1988 : création du GIEC (groupe intergouvernemental sur l’évolution du

climat)

• 1990 : premier rapport du GIEC

• 1992 : conférence de Rio qui envisage du quantifier les droits d’émission de

GES

• 1995 : second rapport du GIEC

• 1997 : protocole de Kyoto qui distribue pour chaque pays – en référence aux

émissions de 1990 – les quantités d’émissions autorisées sur 2008-2012

Le protocole de Kyoto

• 1998 : l’union européenne s’engage à une réduction de 8% de ses

émissions de GES en 2012 par rapport à 1990 mais choisit de constituer

une « bulle » en distribuant l’effort de manière différenciée selon les pays

(l’Allemagne qui brûle beaucoup de combustibles fossiles pour produire de

l’énergie doit ainsi diminuer ses émissions de 21%, la France de 0%).

• 2001 : Le président des Etats-Unis annonce qu’il s’oppose à la ratification

du protocole

• 2004 : Moscou ratifie le traité mais échec de la conférence de Buenos-Aires

qui devait préparer l'après Kyoto

• 2005 : Entrée en vigueur du traité et prochaine conférence prévue cet

automne à Montréal.


Les objectifs & leurs limites

Le protocole de Kyoto fixe des objectifs chiffrés de réduction des émissions

pour les pays développés : en moyenne 5,2% de réduction à atteindre en

2008/2012 par rapport au niveau de 1990

Tonnes de GES / hab Objectif 2008-2012 / 1990 (%)

Evolution des émissions 2002 / 1990 (%)

Allemagne 12,41 - 21 - 18,5France 9,49 + 0 - 1,7Irlande - + 13 + 28,9UE - 8 - 2,5Etats-Unis 24 - 7 + 13,1Canada 22,5 - 6 + 20,1


Les principes & leurs limitesDes mécanismes pour plus de flexibilité….

• Le principe général du marché des permis d'émission vise à minimiser le coût économique

des objectifs assignés à chaque pays. Les réductions d’émissions auront d’abord lieu là où

elles coûtent le moins.

• L’objectif est fixé sur une période de 4 ans (2008-2012)

• Des quotas sont attribués à chaque pays en fonction des émissions de 1990. L’allocation

initiale tient donc compte du niveau de développement pour donner plus à ceux qui

émettent plus.

• Le mécanisme de développement propre permet dès aujourd’hui à des entreprises d’un

pays industrialisé de récupérer des permis d’émission à hauteur des réductions

d’émissions obtenue dans des PED par un investissement propre

• Le mécanisme de mise en œuvre conjointe débute en 2008 et permettra ce même type de

transferts entre pays développés


…qui risquent de paraître injustes

• un surcoût qui peut avantager les grandes entreprises des pays développés (capables

d'acheter ou de récupérer des "droits à polluer" comme disent les radicaux)

• l'idéal de justice ne passe-t-il pas par des allocations proportionnées à la population ?


III - Des énergies alternatives et

durables aux émissions de GES

Les biocarburants

Des énergies alternatives aux émissions de GES

Comment produit-on des biocarburants?

Le bioéthanol est produit par la fermentation de sucres contenu dans certaines plantes (betteraves, topinambours, canne à sucre) ou d’amidon (pomme de terre, céréales, mais) ou encore certaines plantes ligneuses (bois, paille).

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

L’éthanol produit est convertit en ETBE

Les esters sont issus du mélange d’un alcool avec des huiles végétales (colza, tournesol). On les nomme fréquemment diester.

Les huiles végétales sont obtenues par pression à froid de graines oléagineuses (colza, tournesol, coprah, palme, soja, arachide). Une tonne de colza fournit 0.3 tonne d’huile


• Le bioéthanol est utilisé comme carburant pour moteur ou bien pour faire

de la cogénération (production simultanée de chaleur et d’électricité). Le

bioéthanol peut être additionné aux carburants classiques : il baisse la

puissance du moteur mais améliore le rendement (meilleure qualité de la

combustion) Conformément à la réglementation européenne, l’éthanol est

autorisé en France jusqu’à 5 % en mélange et l’ETBE jusqu’à 15 %.

• Le diester est ajouté à raison de 5% dans le gazole • Dans le cas des huiles végétales, des moteurs adaptés sont nécessaires

car les huiles sont trop visqueuses pour les utiliser dans des moteurs

classiques

Quelle utilisation des biocarburants?

L'impact de cette filière sur l'effet de serre est particulièrement intéressant, puisqu'elle permet d'économiser 2,7 tonnes d'équivalent CO2 par tonne d‘ETBE par rapport à l’essence (combustible fossile)

Evolution des surfaces consacrées en France à la production de biocarburant entre 1992 et 2000


Quelle quantité de biocarburants pour produire l’équivalent des 50 millions de tonnes de pétrole

consommées pour les transports en 2002 ?


Filière Culture initiale

Energie brute produite par Ha (tonnes équivalent

pétrole)

Energie nécessaire pour les engrais, la culture et la distillation

(tonnes équivalent

pétrole par ha)

Energie nette produite par Ha (tonnes équivalent

pétrole)

Surface mobilisée pour produire

50Mtep en % du territoire

français

Huile Colza 1,37 0,50 0,87 104%

Huile Tournesol 1,06 0,29 0,77 118%

Ethanol Betterave 3,98 3,22 0,76 120%

Ethanol Blé 1,76 1,72 0,04 2700%

La production

d’énergie bois dans

l’union européenne

en million de tep


Le rendement des poêles et cheminées

Appareils

de conception ancienne Appareils de conception moderne

Rendement Rendement Autonomie Cheminée à foyer ouvert

moins de 10%

jusqu'à 30%*

Quelques heures

Insert, foyer fermé

de 30% à 50%

de 60% à 85%

10 heures et plus

Poêle à bûches acier/ fonte

de 40% à 50%

de 60% à 70%

De 5 à 10 heures

Poêle à bûches fonte/ réfractaire

de 40% à 50%

de 60% à 80%

De 6 à 12 heures

Données théoriques. *avec récupérateurs de chaleur Source : Poêles, inserts et autres chauffages au bois, Claude Aubert et Ageden


Les biogaz

Le principe:

Fermentation de matières

organiques pour produire du

méthane

Les matières organiques utilisées:

-Effluents agricoles

- Boues de stations d’épuration


nombre de

sites production

actuelle nombre de

sites potentiels production

récupérable

Stations d’épuration urbaines

180 65 000 200 150 000

Station d’épuration industrielles et industries agro-alimentaires

64 64 000 400 800 000

Décharges 5 19 000 140 300 000

Méthanisation de déchets solides et assimilables (dont industries agro-alimentaires)

1 1 900 270 1 000 000

digesteurs agricoles

10 100 1 000 1 000 000

TOTAL 260 150 000 2 010 3 250 000

Gisement valorisable en France en TEP/an

Avantages et inconvénients

• Avantages:

-intérêt écologique

-Réduction de l'impact polluant des effluents, notamment en composés azotés (teneur en nitrates diminuée)

-Amélioration de la qualité du déchet final, qui, après méthanisation, est biologiquement stabilisé et en grande partie désodorisé

• Inconvénients

-coût élevé de l'amortissement des installations

-absence de réelle volonté politique pour promouvoir cette filière

-classification « Seveso » des stockages d'effluents agricoles

-problèmes de voisinage

-risques de fuite de gaz à effet de serre


La géothermie


Les ressources géothermiques

et leur cadre géologique

(source

ADEME/BRGM)


Avantages et inconvénients

• La géothermie présente l'avantage de ne pas dépendre des

conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent), ni même de la

disponibilité d'un substrat, comme c'est le cas de la biomasse. C'est

donc une énergie fiable et stable dans le temps.

• Cogénération possible

• Coût très élevé

• Énergie qui ne se transporte pas


Pompes à chaleur

géothermiques dans

l’union européenne


L’énergie solaire

L'énergie solaire reçue par la terre vaut, environ 10.000 fois la quantité totale d'énergie

consommée par l'ensemble de l'humanité. En d'autres termes, capter 0,01% de cette

énergie nous permettrait de nous passer de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium.

En 2002 le solaire a représenté 0,01% de l'énergie consommée en France (et 0,04% dans

le monde)

Les trois voies de l’énergie solaire :

- l'électricité solaire thermodynamique

- l'énergie solaire thermique

- l'électricité solaire photovoltaïque


L'électricité solaire thermodynamique

La concentration du rayonnement solaire

sur un seul foyer permet d'atteindre

des températures élevées ce qui

permet le réchauffement de fluides

caloporteurs. Ces fluides viennent

ensuite chauffer de la vapeur d'eau,

qui entraîne un turboalternateur,

comme dans les centrales

thermiques conventionnelles.

Une centrale solaire en Californie pour l’utilisation thermodynamique du rayonnement solaire.


L'énergie solaire thermique

L'énergie solaire thermique s'utilise principalement au travers de deux

applications :

- le chauffage de l'eau chaude sanitaire

- le chauffage des locaux.

Pour ces utilisations, les capteurs vitrés utilisés

offrent des rendements de l'ordre de 50 % aux

températures recherchées.

- 4 m2 de capteurs permettent de répondre aux besoins en eau chaude d'une

famille de quatre personnes;

- 10 à 20 m2 assurent le chauffage d'une maison individuelle.


L'électricité solaire photovoltaïque

L'électricité solaire photovoltaïque est

un moyen intéressant de réduire

les coûts de distribution de

l'électricité dans certaines

régions; elle peut être utilisée de

deux manières :

- pour la fourniture d'électricité en

sites isolés

- pour l'injection d'électricité sur un

réseau électrique.La centrale de Rancho Seco (Californie) près de la

centrale nucléaire © ADEME, photo A Liébard Des énergies alternatives aux émissions de GES

L’énergie éolienne

Une éolienne transforme l'énergie cinétique du vent en énergie

mécanique.

Soit cette énergie est utilisée directement comme dans les

éoliennes de pompage ou les anciens moulins à vent.

Soit elle est transformée en électricité via une génératrice;

dans ce cas, on parle d'aérogénérateurs.

Deux utilisations différentes alors sont possibles:

La principale est le couplage de l'aérogénérateur sur le réseau.

La seconde est l'utilisation de l'installation en tant que groupe électrogène éolien. Dans

ce cas, on vise surtout les régions isolées.


http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.sortirdunucleaire.org/images/Eolienne3.jpg&imgrefurl=http://www.sortirdunucleaire.org/index.php%3Fmenu%3Dsinformer%26sousmenu%3Dbrochures%26soussousmenu%3Dagir%26page%3Dp32&h=516&w=384&sz=66&tbnid=7NkMpBp0YFYJ:&tbnh=128&tbnw=95&hl=fr&start=18&prev=/images%3Fq%3Deolienne%2B%26hl%3Dfr%26lr%3D%26sa%3DG

Puissance suivant le diamètre de l’éolienne :

Le rendement d’une éolienne est faible (une éolienne ne produit du courant

électrique que lorsque la vitesse du vent est comprise entre deux limites : quand

elle est trop faible les pales ne tournent pas assez vite, quand elle est trop forte il

faut les mettre en berne pour éviter leur destruction).

Sur Terre le rendement ne dépasse pas 20%; off-shore il peut atteindre 40%


Nombre de MW éolien installé fin 2003


.Les " projets offshore " français :

- 16 éoliennes à Port La Nouvelle

- 84 éoliennes à Port Camargue

- 40 éoliennes à l'Ile de Groix

- 20 éoliennes au large de Saint-Nazaire

- 20 sur la côte ouest du Cotentin

chaque éolienne ayant une puissance de 2,5 MW

L'ensemble des projets représente 180 éoliennes pour une puissance

maximale de 450 MW soit un peu plus de 200 MW nucléaires*

*le rendement d’une centrale nucléaire est voisin de 80%

la puissance des centrales nucléaires fonctionnant en France est comprise

entre 900 et 1450MW

la capacité électronucléaire de la France est de 65 700 MW.Des énergies alternatives aux émissions de GES

L’énergie nucléaire

L'importance économique de l'énergie nucléaire est considérable car elle

n'émet aucun gaz à effet de serre.

Elle fournit un tiers de l'électricité consommée dans l'UE

En France, cette énergie joue un rôle fondamental en entrant pour 75 à 80% dans la production d'électricité.

Le programme spécifique intitulé « Programme de recherche et

d'enseignement (EURATOM) dans le domaine de l'énergie nucléaire » vise

à développer le potentiel de la fission et fusion nucléaire de façon

durable, sûre et rentable.


La fusion thermonucléaire contrôlée La fusion thermonucléaire consiste à réaliser la fusion des noyaux légers (le tritium et le

deutérium) pour obtenir un noyau plus lourd d'hélium.

La fusion ne peut se produire que dans des conditions extrêmes de températures (< 100

millions de degrés) et d'isolation thermique.

Cette énergie est très peu polluante en terme de radioactivité.

.

La masse du noyau d’hélium est inférieure à

celle des deux noyaux dont il est issu,

deutérium et tritium. La différence de masse

correspond à de la matière qui s’est

transformée en énergie (selon E = mc2).

Construction du réacteur thermonucléaire expérimental international

(ITER) auquel participent l'UE, les USA, le Japon et la Russie.Des énergies alternatives aux émissions de GES

La fission nucléaire

La fission est une réaction nucléaire dans

laquelle un noyau lourd (uranium 235,

plutonium 239) appelé noyau fissile se

scinde en deux noyaux plus légers sous

l’effet d’un choc avec un neutron.

Renforcer la sûreté des installations nucléaires

Développer une gestion et un stockage des déchets, notamment des

déchets radioactifs de haute activité et à longue durée de vie.


Emissions en C02 des différentes filières de production d'électricité

Modes de production

Hydraulique Nucléaire EolienPhoto

-voltaïqueGaz

naturelFuel Charbon

Emissions de C02 par

kWh (en g)

4 63 à 22

60 à 150

883 891 978


IV – Conclusion / Plan climat

La capture et le stockage du CO2

1ere étape: capturer le CO2

2eme étape: déshydrater et comprimer le CO2

3eme étape: Injecter le CO2 dans des réservoirs

conclusion

Où stocker?

Dans les réservoirs d’hydrocarbures (gaz et pétrole) qui ne sont plus productifs

ou en phase de déclin

Dans les veines de charbon non exploitables

Dans les aquifères profonds

La pile à combustible (PAC) La pile à combustible transforme de l’énergie chimique en énergie électrique,

La réaction de fonctionnement d'une pile à hydrogène est :

2 H2 (g) + O2 (g) = 2 H2O (l)

Le dihydrogène n’est pas présent à l’état naturel il peut-être :

- "extrait" de combustibles comme le gaz naturel, le GPL, le fioul, ...

Le rendement total (électrique + thermique)

est proche des 80% ce qui permet de

réduire considérablement les rejets de CO2

- produit par électrolyse de l’eau

(2 H2O (l) = 2 H2 (g) + O2 (g) )

conclusion

conclusion

Une nécessité faire des économies d’énergie:

Le PLAN CLIMAT• Transport:

Respecter intégralement les limites de vitesses: - 3 Mtep CO2

Écoconduite: - 0,7 Mtep CO2

Transports collectifs: - 0,2 Mtep CO2

climatisation : - 4 Mtep CO2

Biocarburants: -7 Mtep CO2

• Habitat:

étiquette énergie: -1,4 Mtep CO2

traitement et recyclage des déchets: - 0,1 Mtep CO2/an

climatisation: - 5Mtep CO2

• Marché des quotas d’émission: -3,2 Mtep CO2Total : - 73 Mtep CO2/an

apports scientifiques sur le concept dénergie (svt, sciences physiques, ses) nathalie rencurel aude...

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