le nucléaire dans ses synergies avec les...

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


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


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


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.


Synergies entre nucléaire et énergies renouvelables pour la

production d’électricité et d’hydrogène

17

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)

19

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


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

28

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


Synergie au sein d’un système de production d’énergie :

ElectricitéTransportsIndustrie, agriculture, habitatRéseaux de chaleur BT + Dessalement

�� Vers un « Smart Power » nucléaire

30

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…

35

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


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…)

le nucléaire dans ses synergies avec les...

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