cnrs-in2p3 et cea-dsm-dapnia quelles énergies pour le xxie siècle ?

CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA

Quelles énergiespour le XXIe siècle ?


L’ Energie, c’est quoi?

L'énergie existe sous différentes formes :• électrique• mécanique• chimique• nucléaire• rayonnements• chaleur

On peut passer d'une forme à une autre, mais avec une efficacité très variable.En particulier, la chaleur est la forme la plus dégradée de l'énergie seule la différence de température entre 2 sources peut être exploitée


L’ Energie : son histoire

Les premières sources d’énergie :

Le bois (feu), le vent, l’eau, la force animale

Fin du XIXè

Electricité, pétrole, gaz

Au XXè

Le nucléaire

Au XVIIIè Le charbon


D’où vient l’énergie disponible sur terre ?

l’énergie ni ne se crée ni ne disparaît.

Au commencementde l’Univers, il y a

~15 milliard d’années

Une seule énergie :celle du

« Big Bang »

Au commencementde la Terre, il y a

~4,5milliards d’années

Aujourd’hui, lesénergies « primaires »

de notre Société

L’énergiethermonucléaire

du Soleil

La radioactivité ou l’instabilité nucléaire

stockée dans la Terre

Nucléaire fissionNucléaire fusionGéothermie

SolaireEolienBiocarburantsCombustibles fossilesHydrauliqueEnergie animaleHoule

L’énergie mécaniquedu système solaire

Marées


L’ Energie : un problème majeur pour demain….

car nous en avons un besoin vital

- habitat (chauffage, électricité)

- transports

- production industrielle et agricole

- santé

car nous en avons un besoin vital

- habitat (chauffage et consommation électrique)

- transports

- production industrielle et agricole

- santé

car les divers modes de « production » d’énergie obéissent à des contraintes fortes et croissantes…

…et que l’énergie risque de manquer.


L’Energie : un problème de société

contraintes scientifiques– L’énergie ne se crée pas– balance besoins - réserves/ressources – problèmes de rendements, de stockage– ….

contraintes économiques – coûts

problèmes d’environnement– pollution, déchets, effet de serre,…

contraintes politiques – indépendance énergétique– engagements pris vis-à-vis de partenaires

contraintes sociologiques– acceptabilité par le public


L’ Energie : une grandeur physique Unités

o Physicien : le jouleo Citoyen : le kWh, le litre

o Consommation globale :

- la tonne équivalent pétrole : 1tep (=12000 kWh) bon ordre de grandeur de la consommation individuelle/an

l’homme de cette terre consomme 1,7 tep/an

le français moyen consomme 4.2 tep/an (environ 30 barils)

cette consommation pourrait être réduite de moitié :

il y a gaspillageConsommation globale annuelle dans le monde : 10 Gtep (chiffres de 2002)


Produire 1tep c’est :Produire 1tep c’est :

Combustion de

1,2 t de pétrole,

charbon ou gaz

Combustion de

1,2 t de pétrole,

charbon ou gaz

Chute de 35’000 tonnes

d’eau depuis 100m

Chute de 35’000 tonnes

d’eau depuis 100m

0,065 g de H par

fusion dans le Soleil

0,065 g de H par

fusion dans le Soleil

0,53 g de 235U par

fission dans une centrale

0,53 g de 235U par

fission dans une centrale

Condensation de

18,7t d’eau

Condensation de

18,7t d’eau

Capture de l’énergie solaire

sur 1m² pendant 12’000 h (500 jours)

Capture de l’énergie solaire

sur 1m² pendant 12’000 h (500 jours)

234’000’000 m3 d’air à

60 km/h sur une éolienne

234’000’000 m3 d’air à

60 km/h sur une éolienne

Quelques ordres de grandeur


Répartition mondiale des consommations d’énergie


Et si …

• on isolait mieux les logements ?

• on éteignait les lumières ?

• on utilisait les transports en communs ?

• on utilisait le train plutôt que les camions ?

• on augmentait les rendements ?

Ampoule 50 W

= 0,05kWh en 1h

= 438 kWh en 1 an

= 0,04 tep

Consommation en France


L’ Energie: d’où vient-elle ?

Sources d’énergie• énergies non-renouvelables

• pétrole • gaz • charbon• nucléaire (uranium, autres?)

• énergies renouvelables• hydroélectrique• éolien• solaire• biomasse• géothermique• marées ou hydrauliennes

Formes d’énergie– chaleur– chaleur puis « nobles »

• travail (moteurs)• électricité• pb du rendement

thermo.– « nobles »

• travail • électricité• pas de pb de

rendement thermodynamique


L’Energie: d’où vient-elle?

Energies: renouvelables ou non ?

La situation en 2001

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Monde Un. Europ. France

fossiles

renouvelables

Non renouvelables

Renouvelables

Energies non renouvelables



0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

pétrole gaz charbon nucléaire

Monde

Un. Europ.

France

Relativement peu

D’où viennent-elles?

fossiles

Energies fossiles


Principe d’une centrale thermique

Centrales thermiques

Combustibles : pétrole, gaz naturel, charbon

(centrale classique)

Quelques GW


La problématique des combustibles fossilesréserves, effet de serre, pollution

Effet de serre possibilité de « retenir le CO2

»? recherche en climatologie

Pollution pots catalytiques études épidémiologiques

• effet des faibles concentrations sur la vie

• effet des poussières

Réserves 40 ans de pétrole, 60 ans de gaz, 170 ans de

charbon nouveaux gisements vidage plus complet des puits techniques de récupération au fond des mers.

Mais coût important

Pour le futur, on sait :

- que la consommation mondiale va croître

- que le pétrole va s’épuiser rapidement

Sur quoi peut-on compter ?

- le charbon (réserves ultimes: 1400

ans) - le nucléaire fission (réacteurs rapides:

réserves 14000ans)

- la fusion (réserves infinies)

- les sources renouvelables - le solaire (ressources immenses)







réserves 14000ans)



il pollue : séquestration

nécessaire

…oui mais…


Energie nucléaire


La production d’énergie par fission nucléaire

© LA MEDIATHEQUE EDF/M Morceau


La fission

uranium 235

neutron neutrons

xénon 140

strontium 93

Les neutrons émis peuvent provoquer d’autres fissions

réaction en chaîne


Processus de réaction en chaîne

Les neutrons émis peuvent provoquer d’autres fissions…

©

IN2P3


Contrôle des réactions en chaîne

La fission peut être contrôlée grâce à des matériaux mangeurs de neutrons

© LA MEDIATHEQUE EDF/M Morceau

1,3 GW


Vapeur d’eau

Eau bouillante

turbine

Une centrale, comment ça marche?

alternateur

Cœur duréacteur

Barres decommande

Eau pressurisée

1,3 G


Rendements (33%) monter les températures

Sûreté barrière de confinement, système de contrôle de la vitesse de réaction, système de refroidissement d’urgencemultiplier les protections

RéservesAu régime actuel : 200 ans de réserves USi la consommation est multipliée par 10 : 40 ans de réserves !! (situation comparable à celle

du pétrole)Déchets radioactifs

Problème spécifique aux centrales nucléairesStocker les déchets, en produire, les détruire ?

L’ Energie Nucléaire : les problèmes


3 types de déchets :Déchets de haute

radiotoxicité- Demi-vie jusqu’à 25 000

ans !! (plutonium)En 40 ans, volume~3 piscines

olympiques (7400m3)Produits de fission à vie

longue- Demi-vie de plus de 1000

ansProduits de fission à vie

moyenne- Stockage pendant 300 ans

StockageStockageStockageStockage

IncinérationIncinérationIncinérationIncinération

Enfouissement OK à court terme si la proportion du nucléaire n’augmente pas

trop. Sinon PROBLEME!!

Energie nucléaire : les déchets


Stockage des déchets peu radioactifs

Les fûts sont enfermés

dans du béton

© A

ND

RA

Les déchets sont mis dans des fûts métalliques

© A

ND

RA En fin de remplissage,

le site est fermé

© A

ND

RA


Stockage des déchets très radioactifs

Les déchets sont vitrifiés et coulés

dans des containers métalliques

© C

EA

puis stockés dans des entrepôts refroidis

© P

hili

ppe L

esa

ge/C

OG

EM

A


Le nucléaire du futur : la 4ème génération ?

Qu’est ce que c’est ?6 axes de recherche pour répondre à un cahier des

charges

www.laradioactivite.com


Le nucléaire du futur : les réacteurs hybrides ?

Qu’est ce que c’est ?•réacteur assisté par accélérateur•la réaction en chaîne ne se maintient qu’avec l’apport de neutrons rapides (accélérateur)

Les avantages des réacteurs hybrides•Sûreté : on arrête l’accélérateur = on arrête la réaction en chaîne•Réserves : l'uranium 238, 100 fois plus abondant que l'uranium 235, et le thorium sont des combustibles•Déchets : moins de déchets car on peut brûler les déchets à vie longue

La recherche nécessaire :•Résistance des matériaux•Séparation chimique poussée des différents éléments •accélérateurs de haute intensité

…oui mais…







réserves 14000ans)









réserves 14000ans)



il pollue : séquestration nécessaire

il fait des déchets : peut-on les

détruire?


Processus de fusion

Deux noyaux légers fusionnent pour n’en former qu’un seul

En libérant de l’énergie


Comment ça marche?• Comme le Soleil !• Noyaux à 100 millions

°C

Objectif majeur car • réserves « infinies » en deutérium !• peu de déchets

Le nucléaire du futur : Processus de fusion

JET ,the Joint European Torus


échéance : 50-100 ans : c’est loin...

PROJET ITER à CADARACHE

Le nucléaire du futur : Processus de fusion

Objectif :

Produire autant d'énergie qu'on en consomme

Pendant un temps pas trop court…








réserves 14000ans)



…oui mais…



détruire?

elle n’est pas au point : réussira-t-on?


Energies non renouvelablesbilan avantages - inconvénients - limites

fossiles


Energies renouvelables


Barrage des Trois-Gorges – Chine

problèmes : impact environnemental•Déforestation•Modification des nappes

phréatiques environnantes•Déplacement de population•Risque de rupture de barrage (30000 morts en Inde en 1979)

A partir d’un potentiel énorme,

l’exploitation possible est

faible!!

A partir d’un potentiel énorme,

l’exploitation possible est

faible!!

L’énergie hydraulique


Eolien

Problèmes : gérer l’intermittence (du vent, mais pas trop)

seulement 25% de la puissance maximale assurer la rentabilité

• recherches sur la résistance des matériaux

• corrosion en mer• modélisation aérodynamique (décrochage aérodynamique)• Accroissement de puissance jusqu'à 5 MW

Monde : croissance 30% par an


Désintégration des éléments radioactifs Energie très propre D’ici 20 ans : production équivalente à 60 réacteurs

nucléaires Problèmes : Source non inépuisable

Flux géothermique faible et exploitable que si

associé à un courant d’eau

Géothermie








réserves 14000ans)


- les sources renouvelables- le solaire (ressources

immenses)



détruire?

elle n’est pas au point : réussira-t-on?

elles sont marginales


Il est essentiel de la développer pour chauffer les habitations individuelles.

Une maison de 100 m2 reçoit en moyenne plus de 20kW d’énergie solaire même au nord de la France (~ à 100A au compteur électrique) On peut localement stocker la chaleur

Pour progresser, il faut : une incitation politique pour baisser les coûts d’investissement un développement au niveau industriel: design, normes, formation des architectes et service après vente

Il n’y a pas de verrou technologique majeur.

L’ Energie solaire

Faites du chauffage solaire !

1,5m2 de capteur par personne

=

60% de son eau chaude


L’ Energie solaire photovoltaïque 1 kWh solaire = 10 kWh nucléaire

nécessaire baisse des coûts

Augmentation des rendements recherche d’efficacité plus forte sur tout les spectres solaire recherche sur des nouveaux matériaux (semiconducteurs)

Impact sur l’environnement • Composés dangereux (Cd)• Pollution lors de la fabrication

Rentabilité • NON pour le tout venant• OUI pour les endroits isolés

Intermittence Tant qu’on ne sait pas stocker l’électricité cette solution

restera marginale dans les pays développés








réserves 14000ans)


- les sources renouvelables- le solaire (ressources

immenses)

…oui mais…

il pollue


détruire?

elle n’est pas réussie : la réussira-t-

on?

elles sont marginales

il est trop cher : que peut-on faire?

…..et les rendements?...

…...et le problème du stockage?...


Source Hydraul. Biomasse Eolien Solaire Géotherm. Marées Monde 4% 6% < 1% 0%

Union Eur. 1,8% 3,4% 0,1% 0,1% 0,2% 0% France 4% ~3% 0,04% < 0,5% 0,05%

Avantages renouvel. stockable

rendement

renouvel. stockable

renouvel. rendement

renouvel.

abondant

répartition

renouvel. stockable

renouvel.

Inconvé-nients

ressources

sûreté

ressources coût

rendement

ressources coût

intermittent

coût

intermittent

pollution

ressources coût

rendement

coût

Energies renouvelables


L’ Intermittence

• Ce problème d’intermittence est plus général : on a besoin de stocker l’énergie dans de

nombreux cas… …En particulier dans le cas des transports

Nécessité de fournir de l’énergie quand la source (soleil, vent) ne le fait plus

Nécessité de stocker


disparition des carburants actuels

nécessité de moins polluer en ville

essence artificielle produite à partir du charbon ?

- non : car effet de serre

rôle accru de l’électricité

- on la produit comment ? nucléaire

hydrogène : un nouveau carburant

- mais ce n’est pas une source d’énergie

…

Les transports


Demain l’hydrogène ?

• Production : rendement à améliorer– électrolyse– thermoproduction– bioproduction

• Source primaire– solaire – nucléaire

• Stockage– (basse température)– compression– nanotubes


20% de la population mondiale consomment 60% de l’énergie… que souhaitons-nous pour

demain?

Pensons à faire des économies…

Isolation thermique Chaudières plus performantes Meilleure utilisation des appareils (ex: veille) Stockage Transport : rendement des moteurs


La production d’énergie est un problème à moyen terme : il faut avoir une solution d’ici 30 ans !!!

Le Message

http://e2phy.in2p3.fr

http://www.recherche.gouv.fr/mstp/energie_mstp_200401.pdf

http://www.cea.fr/fr/magazine/dossiers.asp

http://www.greenpeace.be/ecohouse/

Tous les modes de « production » d’énergie ont des inconvénients :

Il n’existe pas de production d’énergie idéale!!!

Il faut prendre un peu de tout et chasser les gaspis La recherche a un rôle important à jouer : elle peut lever certains verrous technologiques

Nécessité de poursuivre (voire participer à …) une recherche dans ce sens.

C'est votre avenir,Il faut participer au

débat!

http://e2phy.in2p3.fr/

http://www.recherche.gouv.fr/mstp/energie_mstp_200401.pdf

http://www.cea.fr/fr/magazine/dossiers.asp

http://www.greenpeace.be/ecohouse/


Annexes


Energies renouvelables et électricité (énergie totale)

• Une comparaison avec nos voisins

Pays France Allemagne Espagne Italie Danemark

hydraulique 13% 3,2% 17,4% 15,9% 0,1%

éolien 0,06% 5% 3,3% 0,5% 12%

Photo-voltaïque

0,01% 0,1% 0,02% 0,04% 0,003%

biomasse 0,4% 0,9% 0,8% 0,5% 3,5%

géothermie 0,005% 0% 0% 0,2% 0%

total 14% (5%)* 9% (4%)* 22% (8%)* 17% (6%)* 15% (6%)*

* * Corrections rendement inclusesCorrections rendement incluses


La croissance forte de l’éolien dans le monde et en France (source : ADEME)

• Monde : croissance 30% par an– 18000 MW installés en 2000– 6000 MW ajoutés en 2001

• Europe :– 22000 MW début 2003

• 12000 MW en Allemagne • 4144 MW en Espagne• 2800 MW au Danemark

• France :– 68 MW en 2000 sur une quinzaine de sites– 147 MW fin 2002– 300 MW sur 40 sites en 2003 – 4000 MW en 2006– 12000 MW en 2010, c’est-à-dire de l’ordre de 5000 à 10000 grosses éoliennes (respect

des 21%)

– potentiel français à terre: 70TWh (13% de l’électricité, 6% de l’énergie totale consommée*)

*correction rendement incluse

Attention : le rendement moyen Attention : le rendement moyen d’une éolienne n’est que de 23%d’une éolienne n’est que de 23%

Une éolienne de 750kW avec un Une éolienne de 750kW avec un vent de 15m/s (force 7) ne fait vent de 15m/s (force 7) ne fait plus que 28kW à 5m/s (force 3)plus que 28kW à 5m/s (force 3)


La croissance forte de l’éolien dans le monde

• Quelques autres données sur l’éolien :– Puissance installée en Allemagne: 12000MW

• mais seulement moins de 6% de l’électricité• objectif de 30% en 2020 (12%* énergie totale)• projet de 200 éoliennes 5MW en mer Baltique

– Puissance installée au Danemark: 2800MW • jusqu’à 20% de l’électricité, mais moins de 9%* de l’énergie totale consommée.

• Les dimensions :– 600kW:

• mât de 28mètres• diamètre de 30mètres

– 3MW (Dewi): • mât de 92 mètres• diamètre de 80 mètres

• Les prix :– ils sont raisonnables (0,04-0,06€/kwh)

• Le développement du « off-shore »: projets– 20 turbines de 1MW au large de Copenhague.– 200 éoliennes de 5MW en mer Baltique


Les mécanismes de production

d’énergie électrique

Autres : Les convertisseurs thermoélectriques

Les convertisseurs thermoioniques

La pile à combustible

Les génératrices magnétohydrodynamiques

Energie électrique (continue)

Rayonne-ment lumineu

x solaire

Cellules photovoltaïque

s

Les sources photovoltaïques

Energie électrique (alternatif)

Machines tournant

es(généra-trices)

Source d’énergie primaire

Turbine

d’entraîne-ment

La génération par entraînement mécanique


Gestion des déchets nucléaires


Les barres de commande permettent de contrôler la fission du combustible

uranium

Modérateur

Barre de commande

Fluide chaud

Fluide froid

Le cœur d’un réacteur nucléaire

© M

ED

IATH

ÈQ

UE E

DF/

C.

Pauqu

et

Cœur du réacteur de Civaux en cours de chargement

© C

EA

2001


La fusion sur terre

2Hdeutérium

3Htritium

4Hhélium 43,6 MeV

neutron14 MeV

Problème :

les noyaux de deutérium et de tritium sont chargés + se repoussent


Le nucléaire du futur

Réserves : on multiplie les réserves en utilisant aussi les noyaux fertiles

Déchets : il ne reste que les PF

Des solutions possibles :

- nouveaux réacteurs à neutrons rapides

- réacteurs assistés par accélérateur (réacteurs hybrides)

Sûreté : Les réacteurs hybrides ont l’avantage d’être sous-critiques; la réaction en chaîne ne se maintient qu’avec l’apport de neutrons (accélérateur)

La validation de ces concepts pourra permettre de répondre à la question du devenir du nucléaire


problème : manipulation difficile

- gazéification nécessaire

- les processus de base sont connus

- nécessiter d ’optimiser pour gazéifier au mieux réduire les déchets solides (mâchefer, goudrons)

Biomasse


le rendement thermodynamique : = 1 - T2/T1

= 30% à 150°C et 75% à 900°C.

- mauvais rendement géothermique- mauvais rendement dans les centrales nucléaires actuelles- recherche sur les réacteurs THT à neutrons rapides

Rendements

exemples de bonne utilisation des rendements :-cogénération : électricité + chaleur-habitat individuel :

chauffage solaireélectricité par le réseau


La production par entraînement mécanique

La production thermo-mécanique (source de chaleur)

Centrales thermiques classiques (charbon, gaz, pétrole)

Centrales nucléaires à fission

Fours solaires

Usines géothermiques

La biomasse

La production hydroélectrique

(force de l’eau)

L’énergie éolienne (force du vent)



Source Pétrole Gaz Charbon Nucléaire Fission

Total

Monde 37% 21% 24% 7% 89% Union Eur. 41% 24% 15% 14% 94%

France 40% 13% 6% 34% 93%

Avantages Abondant

coût Liquide

Abondant coût

Gazeux

Abondant coût

Abondant coût

Inconvé-nients

Réserves Effet serre Pollution

Réserves Effet serre

Réserves Effet serre Pollution

Réserves

Déchets Sûreté

Rendemt

Réserves (années de consomm. actuelle)

Prouvées 40 ans

Ultimes 135 ans

Prouvées 65 ans

Ultimes 230 ans

Prouvées 220 ans Ultimes 1400 ans

Prouvées 70(3000) Ultimes

280(14000)


GAZ CAUSES EFFETS

Gaz carbonique CO2combustion

effet de serre

monoxyde de carbone COchaudière mal réglée

moteurs à essence et à gazole...

maladie cardio-vasculaireintoxication mortelle si aération

insuffisante

Oxydes d'azote NOx

secteur du transportcentrales thermique à flamme (3 % des émissions de NOx) : combustion

du charbon et du fioul

effet de serrepluies acides

pollution photochimique (ozone...)

Dioxyde de soufre SO2

secteurs des transports, industriel, agricole, tertiaire, résidentiel

centrales thermiques à flamme (7 % des émissions de SO2) : combustion

du charbon et du fioul

pluies acidesirritation respiratoire

Les combustibles fossiles et la pollution atmosphérique


Le point sur le solaire

• Le solaire : il est partout– L’éolien : c’est du solaire– La biomasse : c’est du solaire – L’hydraulique : c’est du solaire– La houle : c’est partiellt du solaire– Le solaire : c’est du solaire – Le pétrole, le gaz, .. c’est du solaire que la nature a su stocker– Seules les marées (l’attraction lunaire) et la géothermie (la

radioactivité de la terre) ne viennent pas du solaire…

Proportions1/10000 (<1%)

1 à 3%

3/10000

3/1000

100%

Puissances dispo

Solaire* : 200 W/m2

Géothermique : 0.06 W/m2

Marées (France)**: 0,2W/m2

* Moyenne sur toute la planète au niveau du sol

** Côtes françaises rapportées à la surface du pays

Les meilleures sources d’énergie renouvelable sont l’hydraulique (concentré) et le solaire lui-même.

dispersé

dispersé

concentré

dispersé

dispersé


• Le solaire photovoltaïque :• Son premier problème : le coût

– 1 kWh solaire = 30 c€ (raccordement au réseau) ou 60 c€ (non raccordement : problème du stockage) avec une durée de vie est de 25 ans.

– 1 kWh gaz ou nucléaire = 2,5 c€• Les améliorations possibles:

– augmentation des rendements (recherche d ’efficacité plus forte sur tout le spectre solaire)

– recherche sur des nouveaux matériaux: » semiconducteurs organiques

• Tant qu’on ne sait pas stocker l’électricité cette solution restera marginale dans les pays développés

• Malgré tout les Allemands font un gros effort: – 500MW actuellement installés; objectif de 5500MWcrête en 2010: opération

100000 toits.– Prix d’achat: 62c€ par kWh

• Les leaders: les japonais– Tous les toits du Japon moins de 1% de la consommation

électrique (Japon)


Pour conclure…• Contrairement à ce que l’on entend souvent sur les medias:• Il n’y a pas de solution miracle• L’avenir passe par le déclin du pétrole• L’avenir passe par les ressources limitées des énergies renouvelables hors solaire• A moyen terme, l’éolien va se développer• L’avenir passe par des solutions complémentaires ajoutées les unes aux autres:

l’eau chaude et le chauffage solaire doivent avoir toute leur place• A plus long terme, il sera indispensable de faire appel au charbon, au solaire et au

nucléaire* comme sources d’énergie, à l’hydrogène comme vecteur et moyen de stockage, (mais l’hydrogène s’imposera lentement…..) … et …• à l’efficacité énergétique et aux économies d’énergie que nous pouvons tous

réaliser dès aujourd’hui !!!!– Savez-vous qu’une télévision en veille consomme plus que cette télévision

allumée 3 heures par jour?– Savez-vous que oublier une lampe allumée par français nécessite 3 à 4

réacteurs nucléaires?– Savez-vous que prendre le train sur un trajet long coûte 10 fois moins

d’énergie que prendre sa voiture (passager unique)?– Savez-vous que l’on peut gagner un facteur 3 sur l’isolation thermique des

habitations?

* Les allemands n’arrêteront pas le nucléaire

cnrs-in2p3 et cea-dsm-dapnia quelles énergies pour le xxie siècle ?

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