Convention annuelle de la SFEN – Energies renouvelab les et nucléaire – Paris, 24 mars 2011
Le Nucléaire dans ses Synergies avec les Renouvelables »
Frank Carré 1, Nicole Mermilliod 2,Jean-Guy Devezeaux de la Vergne 3 et Serge Durand 4
Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies altern atives1 Direction de l’énergie nucléaire
2 Direction de recherche technologique3 I-Tese Direction de l’énergie nucléaire
4 CEA & European Institute of Technology – KIC InnoEnerg y
Convention annuelle de la SFEN – Energies renouvelab les et nucléaire – Paris, 24 mars 2011
Synergies entre Nucléaire et Renouvelables
2 – Complémentarité entre productions centralisée / s table (nucléaire) et décentralisée / intermittente (renouvelables)
�Electricité (stockage, gestion intelligente…)�Electricité et hydrogène (stockage, transport, industrie…)�Electricité, hydrogène et carburants de synthèse (…)� + Chaleur BT + Chaleur industrielle + Recyclage du CO 2 + …
3 – Autres synergies� Acceptation, Risques, Technico-économie, Normalisati on…� Technologies clés et disciplines transverses
4 – Perspectives
Plusieurs types de synergies
1 – Nucléaire et renouvelables : au cœur des politiques énergétiques française et européenne
3
primary energy production 2008 : 273,6Tepsource MEDDEM
coal oilelectricity renewable
TWh
-
100
200
300
400
500
600
195
0
195
5
196
0
196
5
197
0
197
5
198
0
198
5
199
0
199
5
200
0
200
5
201
0549 TWh
Hydro & renewable 14%
Nuclear 78%
Fossil 8%
Production électrique en France depuis 1950
Source IEAKey Figures 2008
2008
Production d’énergie primaire 2008 : 273,6 Tep (Source MEDDEM)
4
� 13 juillet 2005 – Loi de programme sur les orientations de politiqueénergétique : Economies d’énergie, Diversification, Energies renouvelables, Option nucléaire ouverte
� 9 juin 2009 – Discours du President Sarkozy à Chambéry : “La France a l’ambition politique d’être un chef de file sur la scène internationale à la fois pour l’énergie nucléaire et pour les énergies renouvelables”
� > 23% d’énergies renouvelables� Parité des investissements en R&D entre énergies renouvelables et nucléaire
� 17 juillet 2009 – Création de l’Alliance Nationale de Co ordination de la Recherche pour l’Energie (ANCRE) (membres fondateurs : IFP, CNRS, CEA & CPU) – Liens à établir avec l’European Energy Research Alliance (EERA)
� CEA : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergie s alternatives : nucléaire + solaire, biomasse 2e génération, batteries, énergies marines…
Politique énergétique française
Satisfaire la demande d’énergie croissante(électricité, transports, industrie, agriculture,
habitat…) en réduisant les émissions de CO 2(réduction d’un facteur 4 d’ici 2050)
5
A New Energy Policy in Europe
� A new Energy Policy for Europe proposedby the European Commission (Jan. 2007)and endorsed by the Council (March 2007):� Security of Supply & Competitiveness� Reduction of Greenhouse Gas Emissions
• At least -20% by 2020 towards a low carbon energy s ystem by 2050• 20% renewable energies by 2020• 20% energy savings by 2020
� Communication from the Commission (Nov. 2007):� Maintain competitiveness in fission technologies,
together with long-term waste management solutions� Complete the preparations for the demonstration of a
new generation (Gen-IV) of fission reactors for increased sustainability
� Implementing initiatives of the SET Plan (> 2008):� Sustainable Nuclear Energy Technology Platform� European Industrial Initiative to supplement R&D
by large experimental and prototype facilitiesStrategic Research Agenda
SNE-TP
6
SET-Plan, EERA & EIT KIC InnoEnergy
Strategic Energy Technology Plan (Dec. 2007)� Geothermal
�Wind energy � Wind� Solar energy � Photovoltaic� Electricity networks � Smart grids� Bio-energy � Bio-energy� Carbon capture & storage � Carbon capture & storage� Nuclear fission � Materials for Nuclear
Innovation for the SET-Plan energy-mix�CC Benelux: Intelligent energy-efficient buildings & cities� CC Iberia: Renewables (wind, CSP, solar PV, marine…)� CC Alps Valleys: Sustainable nuclear & renewableenergy convergence�CC Sweden: Smart electric grid & Electric storage�CC Poland +: Clean coal technologies�CC Germany: Energy from chemical fuels
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Production d’électricité décarbonéeet synergie amont (*) avec la
production d’électricitéphotovoltaïque
(*) synergie pour un investissement en cellules PV « s ans CO2 »
8
Production « bas carbone » de cellules PV
~ 130 gCO2/Wc en France avec ~80% d’électricité « bas carbone »
���� Synergie entre (nucléaire & énergies renouvelables) et solaire photovoltaïque pour un bilan carbone performant de cet te énergie
EuropeAllemagneChine(100% charbon)
g C
O2/
Wc
Bilan carbone de cellules photovoltaïques dont le si licium est produit en Chine, en Allemagne ou en Europe
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Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables par le réseau :
Fourniture en base vs intermittenteFourniture centralisée vs décentralisée
10
Cas d’un pays du Golfe arabo-persique: nucléaire en base et solaire pour satisfaire la pointe
Complémentarité entre nucléaire et solaire pour le suivi de charge diurne
Solaire
Nucléaire
Fossile
1111
Réseau intelligent (Smart Grid)
Source: EPRI
1212
Réseau intelligent (Smart Grid)
Source: EPRI
13
Gestion dynamique des stockages d’énergies
Source: IEA
14
Source: Electric Power Demand Data from Market Ove rsight @FERC.gov
Baseload(Large, Efficient Generators)
Peaking Load (Expensive)
Intermittent Renewables Constrained By System Dynami cs and Transmission Architecture
Electrical Generation – Present Approach
Build base generation in excess of peak. Energy not needed for electricity used to make transportation fuels
• Energy Storage via Fuel Production• Efficiency Gains• Stable and Resilient Grid
Hybridizing Nuclear Energy with Renewable EnergyEnhances Integration To Grid
Improved Grid Stability and Security
Slide 14
15
Réseau intelligent : synergies via le réseau
� Un équilibrage spatial du réseau entre énergies central isées (nucléaire) et décentralisées (éolien et solaire) [excepté les fermes extérieures du type Desertec]
� Une forte complémentarité entre le nucléaire et l’hydrauliqu e gravitaire pour faire face aux pointes avec de l’énergie sans carbone
� Une forte complémentarité entre le nucléaire (base) et la répartition statistique du solaire pendant les périod es de forte demande (journée, surtout dans les pays du Sud avec la climatisation)
� Mais une gestion difficile dans le même réseau d’énergies intermittentes et de l’énergie nucléaire , moins modulable que les turbines à gaz. C’est surtout pénalisant pour l’éol ien.
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Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables pour la
production d’électricité et d’hydrogène
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Energy for the future:How to manage supply and demand?
Type of storage
Fuel cells
Biofuels
Batteries
Clean vehicles
Applications
H2
Wind production per day
CO2 free ENERGY
NUCLEAR
RENEWABLE Hydraulics
Solar energyWind…
Direct
Indirect
How to storeavailable
electricity ?
Example of annual French cycle
Weeks
+ Smart Grids
18
0
510
15
2025
30
35
4045
50
2000 2010 2020 2030 2040 2050
Mt /
an
(Eur
ope)
Marchés de l’‘hydrogène (Europe)
L’hydrogène : usages, échéances, scénarios
Prospective I-tésé des marchés de l’hydrogène:une visibilité des marchés actuels en-deçà de 2030,
un décollage des marchés futurs au-delà
Sidérurgie Chimie
Raffinage Transports
Stockage, niches
Nichesdémonstrateurs
Marché de l’hydrogène (Europe)
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Production nucléaire d’hydrogène
Thermochemical
Hybrid CyclesThermochemical
Hybrid Cycles
Low Temperature Electrolysis
Low Temperature Electrolysis
Thermochemical Cycles
Thermochemical Cycles
High Temperature Electrolysis
High Temperature Electrolysis
H2
Heat
Elec.
Nuclear
Reactor
100% electricity
100% heat
NGNP
Alkaline Electrolysis
HT Electrolysis
LWR
(With the courtesy of US-DOE NE)
NGNP
~3,2 €/kgH2
~4,5 €/kgH2
~8 €/kgH2
20
H2 nucléaire pour les transports et l’industrie
ElectrolyseAlcaline
Electrolyse àhaute
température
TransportsDistribution Stockage
Primary Energy
Applications industrielles(NH3, raffinage, chimie…)
Transports (PC, combustion)Biocarburants de 2 e
génération
H2
BIOMASS + HYDROGEN ���� BIOFUELC6H9O4 + water + 5.5 H 2 ���� 6 -CH2- & CO
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Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables pour la
production d’électricité, d’hydrogène et de biocarburants
2222
•• Uses 70% less coalUses 70% less coal
•• Virtually no COVirtually no CO22 emissionsemissions
• Over 95% of carbon in feed is converted to product
GasifierGasifier
Product Product UpgradeUpgrade
FischerFischer--TropschTropschSynthesisSynthesis
Gas CleanupGas Cleanup
Nuclear PlantNuclear Plant ElectrolyzersElectrolyzers
COCO22
HH22S S Sulfur Sulfur
ProductProduct
Synfuel25,000
barrels/day
HH22
OO22
Nuclear Hybrid Coal to Liquid
Coal 4,400 tons/day
HTEHTEor LTEor LTE
Steven E. AumeierSteven E. Aumeier
CtL avec énergie nucléaire (H2, O2, chaleur…)
250 MWe
23
Synergie nucléaire + électrolyse + biocarburants
� Intérêt d’ une augmentation des rendements massiques par l’ajout de H 2
�Jusqu’à plus de deux fois de rendement au kg de biomasse
�Meilleure utilisation d’une ressource limitée (concurrence usage des sols)
� Le défi : un coût au litre à diminuer, notamment en fonction du prix de l’hydrogène
� Hypothèses gouvernementales de 2020 en France :� 10% de carburants renouvelables avec ~2,5% en BtL
� Soit un enjeu de ~ 1 Mt tonnes de BtL� A long terme, l’enjeu est de substituer une part significative de la consommation de carburants
� Intérêt de la production nucléaire d’hydrogène (décarbonée)
�Le démonstrateur BtL de Bure-Saudron�Un moyen de « stocker » l’électricité dans les carburants
�Un enjeu de plusieurs dizaines de réacteurs post 2030 en Europe
24
What is a Hybrid Energy System?
�Tightly coupled systems that exploit complementary characteristics of various energy processes and inputs to produce multiple energy products with life-cycle attributes that help achieve national energy security objectives
� Benefits include:�Greenhouse gas emission reduction�Optimal use of carbon / non-carbon energy resources�Energy production efficiency�Greater system stability while integrating intermit tent sources (capital deployment
efficiency, flexibility)�Flexibility in accommodating technology change & pr oduct demand change�Domestic resource & production based
Slide 24
2525
“Conventional”Fossil Fuels
“Conventional”BioFuels
“Nuclear-Hybrid” BioFuels
HTR – High Temperature ReactorCTL – Coal to Liquid
LWR – Light Water ReactorBTL – Biomass to Liquid
Nuclear hybrid systems & lifecycle carbon emissions from liquid fuel production
Nuclear energy decreases the carbon cost of all systems to levels well below the current baseline…the best results are achieved with nuclear biomass hybrids.
g C
O2-
eq /
mile
driv
en
26
Besoins en énergie pour le raffinage du
pétrole
600°C
400°C
500°C
300°C
400°C
900°C
800°C
80% de la chaleur sous forme de
vapeur à
400°C – 600°C
Utilisation de gazpour la haute température
> 600°C
700°C
150°C
150°C
27
Pré-réduction de minerai par la production nucléaire de gaz de synthèse
Un HTR (600 Un HTR (600 MWtMWt) exploit) exploit éé en cogen cog éénnéération peut alimenter une unitration peut alimenter une unit éé de prde pr éé--rrééduction produisant 6000 tonnes/jour de fer prduction produisant 6000 tonnes/jour de fer pr éé--rrééduit (2 unitduit (2 unit éés standards).s standards).
générateur de vapeur pour l’absorption
du CO2
cycle de Rankine
circuit primaire
… He
réseau
surchauffe électrique
reformeur
CH4+H2O
CO+H2+…
préchauffe
He
H2O à 25°C
H2O
900°C 950°C
950°C
400°C
turbine
pompe
850°C
630°C
250°C
170°C
150°C
générateur de vapeur
coeur IHX
cond.
soufflante
Optimisationthermodynamique
En cooperation avec
���� Une sidérurgie “bas carbone” avec récupération possible du CO 2
H2O
reactive CH4
H2O
CO2
CH4 feed(heating)
reformer
pre-heating
CO2absorption
pre-reducediron
iron ore
25°C
H2O
575°C
GS
900°C
25°C
GS+GR
815°C
GR
GS: syngasGR: recycled gas
GS+GR
25°C
pre-reduction
reactor
CH4 feed(heating)
H2O
reactive CH4
H2O
CO2
CH4 feed(heating)
reformer
pre-heating
CO2absorption
pre-reducediron
iron ore
25°C
H2O
575°C
GS
900°C
25°C
GS+GR
815°C
GR
GS: syngasGR: recycled gas
GS+GR
25°C
pre-reduction
reactor
CH4 feed(heating)
Applications potentielles de la chaleur nucléaire HT
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Emetteurs industriels
Valoriser le CO2
Filière technologique liée à la conversion du
CO2 par couplage électrolytique non
carboné
Fort besoin en énergie
Chaîne de production d’énergie électrique décarbonée :
Optimiser l’utilisation du parc électrique existant
Transport & distribution de l’électricité :
Stabiliser le système d’électricité
VItESSE
Valorisation du CO2en un vecteur
énergétique multi usages : le MeOH
MTG – MTOCarburants Intermédiaires
chimiquesMTP
Polymères
Valorisation du CO 2 : alternative/complément à CCS
CO2 + 3H2 ����CH3OH + H2O (1)CO2 + H2 ���� CO + H2O puisnCO + 2nH2 ����(-CH2)n + nH2O (2)
(-CH2)n est un hydrocarbure comme l’essence, le gazole ou le kérosène
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Synergie au sein d’un système de production d’énergie :
ElectricitéTransportsIndustrie, agriculture, habitatRéseaux de chaleur BT + Dessalement
���� Vers un « Smart Power » nucléaire
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Nuclear Energy Challenges - The Next Century
Nuclear Energy Technology
Fuel Cycle Technology
Reactor Systems Advanced Fuels and Materials
AgI
Nuclear Safety
Used Fuel Separations Advanced Reactor DesignGen-IV Systems
LWR Sustainability
Fuel Performance Advanced Fuel Design & Testing Materials Performance
Waste Form Development& Testing
Licensing SupportDesign and Safety Methods
Radioactive Waste
Nuclear Energy Integration
Energy Transfer Energy Storage Systems Analyses,Integration,
Monitoring & Control
Feedstock Extraction
& Processing
Resource extraction Feedstock assemblyThermal treatment
Heat exchanger/ heat circulation Heat deposition Gas & liquids T/H Thermal Design
Hydrogen GenerationCatalysis/Synthetic
FuelsElectrical Generation
& Storage
CO2 Separation,Recycle or Sequestration
Alternative CO2 Uses
Byproduct Management
Lifecycle Analyses, Hybrid System Design, Signal
Processing & Visualization Advanced Controls
Slide 30
3131
Des “Smart Grids” aux “Smart cities” ?
Source: IEA
32
Des synergies via les usages du nucléaire
� Nucléaire actuel� Electrolyse alcaline (hydrogène…)
� Nucléaire et haute température:� Electrolyse avancée (tous usages de l’hydrogène,
biocaburants…)� Chimie des hydrocarbures (biocarburants)� Métallurgie
� Dessalement� Osmose inverse� Procédés Flash� Usage mixte possible avec NTE
� Réseaux de chaleur� Gains en efficacité énergétique� Réchauffe possible par NTE (biomasse)
33
Transition to a Balanced Low Carbon Energy Portfolio Using Nuclear HES
Slide 33
Hybrid Energy Systems Briefing
Today: High Carbon IntensityForeign Dependent
Trillions $ to foreign economies
Low Carbon IntensityDomestic Dependent
Trillions $ to U.S. economy
FossilFossil
RenewablesRenewables
NuclearNuclear
34
Demonstrations de cogénération nucléaire
Démonstration HTTR I-S H 2 (~2015)
Démonstration NGNP (> 2021)
+ Autres démonstrations ?
� HTR-PM (~2014)
� PBMR ??
� Intéresser des utilisateurspotentiels des produitscogénérés (H2, chaleur…)� Consortium public/privé pour la
réalisation de prototypes� R&D Gen IV, HTTR, NGNP…
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Enjeu de la taxe carbone pour évoluer vers uneproduction d’énergie “bas carbone”
Drawing of Ken Cox published in the The Daily Telegrap h, London
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Synergies entre Nucléaire et Renouvelables
2 – Complémentarité entre productions centralisée / s table (nucléaire) et décentralisée / intermittente (renouvelables)
�Electricité (stockage, gestion intelligente…)�Electricité et hydrogène (stockage, transport, industrie…)�Electricité, hydrogène et carburants de synthèse (…)� + Chaleur BT + Chaleur industrielle + Recyclage du CO 2 + …
���� Utilisation optimale des sources d’énergie sous contra inte CO 2 avec stockages et gestion intelligente des réseaux pour l a flexibilité
3 – Autres synergies� Acceptation, Risques, Technico-économie, Normalisati on…� Technologies clés et disciplines transverses
4 – Synergies à approfondir dans le cadre d’ANCRE (GP 9)
Plusieurs types de synergies
1 – Nucléaire et renouvelables : composantes essentielles et complémentaires d’une production d’énergie « bas carbone » (électricité, transports…)