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Les Energies renouvelables, développements, Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production enjeux environnementaux, production
d’électricitéd’électricité
J. B. Saulnier J. B. Saulnier Professeur Émérite - ENSMAProfesseur Émérite - ENSMA
Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRSAncien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS
Ecoles doctorales SI-MMEA et S2IM
Université de Poitiers – 4 Juillet 2013
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PlanPlan
1 – Enjeux environnementaux1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?Renouvelables ?
4 – Production d’électricité 4 – Production d’électricité « renouvelable »« renouvelable »
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PlanPlan
1 – Enjeux environnementaux1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?Renouvelables ?
4 – Production d’électricité 4 – Production d’électricité « renouvelable »« renouvelable »
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Les fossiles: 70 %
(Monde 80 %)
Données factuelles
Renouvelables 13 %Hydraulique 3.5 %Bois +biomasse 6.4 %Eolien 0.6%Solaire 0.1 %...
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Combustion = CO2
(Cn Hm ) CO2 +H2O
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Émission de CO2
Les gaz à effet de serre
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Crise de l’énergie et crise environnementale ?
•Effet de serre•Changement climatique•Raréfaction des ressources•Conséquences économiques, sociétales, géopolitiques
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Verre
Serre
1) L’énergie solaire traverse le verre
2) La serre se réchauffe : elle émet du rayonnement dans l’infra rouge
Données: Le verre est transparent dans le visibleIl est opaque dans l’Infra rouge
3) Donc l’énergie réémise par la serre ne peut pas sortir:
elle est piégée dans la serre,
qui s’échauffe beaucoup plus que si il n’y avait pas la plaque de verre
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Plus il y a de CO2, plus l’atmosphère devient opaque à l’infra rouge réémis par le sol,
et plus la terre se réchauffe
L’atmosphère joue pour la terre le rôle de la vitre
La terre et l’effet de serre
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Deuxième Elément crucial:
Le CHANGEMENT CLIMATIQUE
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Nombre de jours anormalement
Changement climatique et CO2
froidschauds
1°C
Accroissement de la température
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Pluies et innondations
Niveau des mers
Changement climatique et CO2
Niveau moyen des mers en mm
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La concentration des populations augmente dans les zones côtières, alors que le risque dû à une élévation du niveau
de la mer s’y accroît
Menaces sur les deltas côtiers
Changement climatique et CO2
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Australie décembre 2010
Glissement de terrain Mexique septembre 2010
Déluge Afrique du Sud février 2011
Pluies diluviennes au Brésil mi janvier 2011
CO2, réchauffement, innondations :
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MesuresNaturel + Anthropique Naturel
Réchauffement : origine antrhopique (JL Demenet)
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Peut-on quantifier l’ampleur du réchauffement admissible ?
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Effets d’un réchauffement au-delà de 2°C ?
Fusion de la glace des calottes polaires
Montée du niveau des mers
Fusion des glaciers
Assèchement des rivières (Himalaya)
Libération du méthane du permafrost (Sibérie)…
Dérèglements climatiques: inondations…
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Evolution du glacier de Chacaltaya (Andes, 5400 m) entre 1994 et 2009. IRD-B. Francou
Anomalies Groenland
Réduction des glaces pluri annuelles de l’Arctique : de 62 à 32 % de la surface totale(Nasa)
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La concentration en CO2, la température, le niveau de la mer continuent de progresser bien après la réduction des émissions
L’échelle des temps
Dilatation
Fonte des glaces
Température
Concentration CO2
Emissions CO2
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Troisième élément crucial :la raréfaction des ressources
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Raréfaction des ressources
Gaz
Charbon
Uranium
Indium
Platine
Lithium…
Le peak Oil
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Quatrième aspect de la crise : ses conséquences
Economiques,
Sociétales,
Géopolitiques
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•Renchérissement du coût de l’énergie,• Augmentation prix de revient des produits manufacturés riches en énergie: acier, automobile, ciment …)
•accroissement des déficits, de la dette
France•Budget : 300 Milliards (dép); Déficit: 60 Milliards
•Fossiles :70 Milliards ; IRPP :77 Milliards
Réponse? Politique d’austérité ??? Instabilités
Economique
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Précarité énergétique = Un ménage est considéré en situation de précarité énergétique lorsqu’il éprouve des difficultés à chauffer dans son logement (ressources et conditions d’habitat).
Sociétal
Facture énergétique/revenu disponible > 10%
France : 15% de la populationAin :13 %Poitou Charentes: 18%
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Une mise en cause des besoins vitaux des hommes :
•Canicules, innondations, moustiques (Dengue, Chicungunia…): santé publique
Géopolitique
•Inondations, sècheresse, désertification : quel territoire pour les réfugiés climatiques ?
•Fonte des glaciers de l’Himalaya: premières estimations 2060,Gange, Indus, Mékong, Yang Tseu: désertification : eau
•Altération des cultures et alimentation : nourriture
Nouveaux conflits géopolitiques
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1) Les effets sur les changements futurs dans le climat des actions que nous entreprenons aujourd’hui se feront sentir à retardement:
•Action maintenant : effet limité sur le climat des 50 ans à venir.
•Action dans les 10 /20 ans : effet profond sur le climat dans la seconde moitié de ce siècle et au siècle suivant
Rapport STERN :2006
2) Les bénéfices d’une action forte et rapide sur le changement climatique dépassent considérablement les coûts…
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Nous sommes dans un contexte d’urgence (diviser par un facteur 4 les émissions à effet de serre)
et de contrainte: fin du pétrole bon marché
+ Stern
Peak oil + …
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PlanPlan
1 – Enjeux environnementaux1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?Renouvelables ?
4 – Production d’électricité 4 – Production d’électricité « renouvelable »« renouvelable »
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ppm CO2
Référence
450
Scénario 450
450 ppm c’est 0.045% de CO2
Rappelons un scénario de transition possible vers un monde plus sobre (AIE)
Il stabilise ( # 2050, 2060) la concentration en CO2 dans l’atmosphère à 450 ppm
En fait, il offre une de probabilité de 50 % de limiter le réchauffement à 2°C
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Le Scenario 450 Des clés !
Agence Internationale de l’Energie (IAE)
Evolution des émissions annuelles mondiales de CO2 (Giga tonnes)
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1) Efficacité
2) Energie décarbonnée
AIE : Agence Internationale de l’Energie Les Pistes
50 %
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Réduire la demande:
isoler
Améliorer les rendements
Cycles combinés
Cogénération
Récupérer
Améliorer l’efficacité
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Production d’électricité de la France # 500 TWh
On évalue à 43 TWh l’énergie qui peut être économisée dans l’industrie en systématisant la variation de vitesse et à 5 TWh en améliorant l’efficacité des moteurs,
Des gains allant jusqu’à 40% sont envisageables pour tous les appareils utilisés dans le résidentiel 120 TWh
La marge de progrès dans l’éclairage (50 TWh) est considérable : plus de 50% et sans doute davantage avec les diodes électroluminescentes
Identifier les gisements de gain en énergie
10 %
5 %
10 %
Efficacité et Génie électrique
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Composants: Eclairage
France 10 % consommation électrique (500 TWh)
# 5 tranches nucléaires
Lampe à incandescence: Planck rendement lumineux 5 % (tungstène)
LED : Transitions radiatives entre niveaux énergétiques discrets: ( Al Ga In N…)
Gain pratique actuel estimé : 50% soit 2 tranches
AvantagesPotentiel de gainDurée de vie (40 000 h)Faible demande en énergiePas de mercure, UVOLEDs
InconvénientsMonochromatique, directionnel reproductibilitéProduction peu écologique ( semi conducteurs)Santé ?
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Nouveaux matériaux:
Mois de pertes magnétiques,
Moins de pertes diélectriques
Électronique de puissance: limiter l’échauffement
Récupérer la chaleur : cas des grands centres de calcul
Piloter la vitesses des machines ( 10 % gain )…
Exemples de pistes de recherche
Génie électrique
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PlanPlan
1 – Enjeux environnementaux1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?Renouvelables ?
4 – Production d’électricité 4 – Production d’électricité « renouvelable »« renouvelable »
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1) Efficacité
2) Energie décarbonnée
AIE : Agence Internationale de l’Energie Les Pistes
ENR # 25 %
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Consommation
Fossiles
Recharge quotidienne
Renouvelable Renouvelable
ConsommationSoleil
Pas de Recharge!
Le caractère renouvelable : idée
d’un grand réservoir
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Au commencement de l’Univers, il y a # 14 Milliards d’ années
Au commencement de la terre, il y a # 4.5 Milliards d’ années
Aujourd’hui, les énergies primaires de notre société
Les ENR: les différentes formes
L’énergie du Big Bang (?)
L’énergie thermonucléaire du soleil
La Radioactivité stockée dans la terre
L’énergie mécanique du système solaire
SolaireEolienBiomasseCombustibles fossilesHoule
Energie nucléaire, fission
Géothermie
Marées
40Electricité
Les ENR sont associées aux vecteurs usuels
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CarburantChaleur
ENR et vecteur usuels
Hydrogène
Décomposition de l’eau :Par action du soleil sur des alguesOu par électrophotocatalyse
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Intermittence
Production régulière
Hydraulique
GéothermieBiocarburants
Hydrauliennes
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Intermittence
Production irrégulière
Eoliennes
Solaire PV
Solaire Thermique
Solaire Thermodynamique
Houle
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ENR : Avantages
Le Réservoir potentiel d’énergie primaire est gigantesque:
Géothermique : 25 % consommation mondeHydraulique: 50 % consommation monde (elec)Eolien : 100 fois consommation mondePV : 10 000 fois consommation monde
Impact environnemental faible (?)
Vent, soleil, mer : assez bien distribué
Exploitable à petite échelle
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ENR : Inconvénients
Couts élevés,Surface au sol,
Intermittence
Impact environnemental, Acceptabilité
Voir tableau suivant
CO2, Besoin de stocker
Discuté en conclusion
€/MWh €/MWh
Hydro 20 Gaz 77
Charbon 44 Eolien 60
Nucléaire 50 Solaire 2 à 400
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Investissement (Milliards €)
Surface (ha)
EPR 1 8.5 51
Eolien 20 parcs 14 600
PV 61 fermes
27 22 400
EPR : 1600 MW, 82 % , 11.5 Milliards kWh, 8.5 Milliards €
Eolien Quatre Faux:330 MW, 20% , 578 Millions kWh, 700 Millions € 1 EPR = 20 parcs = 14 Millions €PV Toul : 143 MW , 15 % , 188 Millions kWh, 450Millions €
1 EPR = 61 fermes solaires = 27 Millions €
ENR: Investissement
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PlanPlan
1 – Enjeux environnementaux1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies 3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?Renouvelables ?
4 – Production d’électricité 4 – Production d’électricité « renouvelable »« renouvelable »
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Eolien
H=135 m
7.7 MW12
Les quatre Faux
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Fin 2011 : 3700 machines soit 6,7 GW
Horizon 2020 19 GW : 6000 nouvelles machines à 2 MW + 4000 anciennes2.5 fois plus qu’aujourd’hui :Un carré de 2500 km2 soit ½ départementOffshore : + 10% soit en tout 22 GW et 45 TWh : 10 % conso
Le déploiement de l’éolien en France ? Données:
France : 500TWhEolienne : 25 à 30
% du temps
Les contraintes:Vent « suffisant »Distance respectueuse les zones urbaines et sites protégésPassages oiseauxServitudes techniques ( radar météo)
Quel % du territoire est –on prêt à consacrer aux éoliennes ?
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Matériaux: aimants au Nd-Fe-BLimiter ou remplacer la terre rare (ici le Néodyme):Hexaferrite
Usure des pales ( pluie, grains de sable du Sahara…)
Prédictibilité de la productionAnalyse détaillée de la distribution des vents (direction, module, variabilité, distribution à petite ( 1 mn) et grande échelle de temps (1h, 1 j 1 an et plus), lois statistiques, modélisation
Intermittence et stockage:Air comprimé, batteries (Li-ion, H2),STEP
Quelques problématiques
scientifiques
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Stockage Air comprimé avec récupération de chaleur de compression (thèse A. Bertin juin 2013 IPGP)
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Photovoltaïque
Centrale de Toul –Rosières (Nancy)2012 – 143 MWc 367 ha 450 Millions €
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Puissance crête d’un panneau : # 100Wc/ m2 (pour 1000 W/ m2 solaires incidents)
Ensoleillement typique en France: 1000kWh /an /m2 1000h équivalentes à la puissance crête
Une maison de 10 m2 de panneaux 1kWc 1000 kWh
Une ferme de 1 MW - 10 000 m2 de panneaux1000 MWh =1 GWh et 2 ha au sol
Quelques points de repère
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Quel déploiement du PV en France ?
Pour 500 TWh :500 GW, 10 000 km2 soit 2% du territoire, 2 départements
Pour 10 % de la consommation nationale: 0.2 départementsAvec les pertes et l’intermittence: ½ département
En réalité, en fin 2011 : 4 GW en France ( < 1 % cons)32 GW en Allemagne100 GW au monde
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•Production de Silicium•Couches minces•Organique• Nanostructurés•PV concentré
Quelques problématiques
scientifiques
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Silicium cristallin
Purification du silicium métallurgique par procédé plasma
• Interaction plasma silicium
• Interaction entre éléments dans le silicium
L’approvisionnement
Modification des bandes…
Lanthanides Down convertion: un photon de
grande énergie donne deux photons de plus faible énergie
Up convertion: deux photons de faible énergie donnent un photon de plus grande énergie
Nanostructuration
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PV Concentré
CPV avec cellules multi-jonctions
GaInP/GaAs/Ge : 40 %
Empilement infini :théorique 86 %
InGaP (1.82 eV)InGaAs (1.4 eV)Ge
(0.5 eV)
Cellule chère Concentrer
Iris
Cellule
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Extraction
Réduction Récup chaleur four
QS Recyclage SiCl4
PlaquetteSciage, épaisseur 350-->180µ; 100*100 --> 160*160 mm
CelluleDécapage, antireflet dopage connectique
Module Raccordement encapsulation
Cas du Silicium cristallinTemps de retour énergétique: de 15 à 3 ans
Action sur les procédés
Gain en 15 ans
60
En Guise de ConclusionEn Guise de Conclusion
L’urgence s’impose pour tenter de résoudre les problèmes majeurs de la crise environnementale causée par l’usage des fossiles pour produire notre énergie.
S’ajoute le raréfaction rapide de ces ressources fossiles
Quelques clés ont été identifiées:
Améliorer l’efficacité énergétique
Développer les ENR
Agir sue le CO2 (CCS)
Développer un nucléaire « maitrisé »…
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En Guise de ConclusionEn Guise de Conclusion
Même si le réservoir peut apparaitre gigantesque, en matière d’électricité issue des d’ENR il n’y a pas de solution miracle, et la production d’électricité ne peut s’envisager par les seules ENR.
Un problème majeur, l’intermittence: perspectives et besoin de R/D, stockage, smart grids…
Les matériaux
Substitution aux terres rares
Nanostructuration, solaire PV concentré
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Conclusion (fin)Conclusion (fin)
Mais ne pas oublier certains aspects relevant des Sciences humaines et sociales
AcceptabilitéLes surfaces occupées, l’altération du paysageObstacles à la diffusion des nouvelles technologies
Education
Juridique, aménagement du territoire: règlementation, subventions
Les modes de consommation (réduire la demande)
Et , à un autre niveau, la préparation des négociations à l’international…
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Les Energies renouvelables, développements, enjeux Les Energies renouvelables, développements, enjeux environnementaux, production d’électricitéenvironnementaux, production d’électricité
J. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMAJ. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMA
Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRSCNRS
Merci pour votre attention
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Encrassement des Echangeurs pertes = 2 % énergie mondiale
= conso France
Froid industriel : 2 % consommation électricité mondiale ( 2000TWh = 4 * France)
Frottement Automobile:
360 Mtep =3% Energie mondiale
A 15 ans réduction de 60%
+ 50 %
Améliorer l’efficacité
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Monde (Mega tep)
Total Transports Agrocarburants
2010 12 000 2300 46
2050 20 000
2500 3 à 500
Où Placer le curseur ?
Les surfaces : 125 Mha /1130 :10%
La contribution CO2 : - 0.25 Gtonnes C soit - 2.5 %
La contribution en énergie: 4 tep /ha 500 Mtep, 2.5 % total mais 20 % carburants
Les agrocarburants : une concurrence aux cultures vivrières ?
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Données
300 Millions de personnes en danger de mort
100kg de blé à 150 $ la tonne: 15 $
La faim dans le monde
Les calculs
1) Pour 300 millions : 4,5 milliards $
Les PIB: F : 2000 Milliard €; USA: 15 000 Milliards €; monde : 60 000 Milliards $
Les paradis fiscaux: 500 fois le PIB mondial
2) Les quantités: La production de blé : 780 M Tonnes dont 180 restent dans les stocks
Il faut : 30 Millions de tonnes !
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Eolien + PV : 2 % de 20 000TWh