Climat – conférences COP – transitions énergétiques

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Sébastien Balibar

CNRS, Ecole Normale Supérieure, Académie des Sciences (Paris)

Climat – conférences COP – transitions énergétiques

Chimie ParisTech, 15 octobre 2016

centrale solaire Noor III

Belchatow (Pologne) 5000 MW lignite

plus gros émetteur de CO2 en Europe

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Plan de l’exposé

le réchauffement climatique: constats et prédictions

Quelles solutions?

examen critique de différentes transitions énergétiques proposées COP21 & 22: comment stabiliser le climat avant 2100?

promesses, contraintes, transparence, contrôle, justice internationale,

financement

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+ 1 degré en un siècle

le réchauffement est global mais inhomogène:

Labrador: - 0.6°C

Centre Afrique: + 2,5°C moyenne: + 0,9°C

l'atmosphère et les océans sont 2 milieux turbulents

5^ième rapport du GIEC publié en 2013 (830 auteurs issus de 80 pays)

le GIEC (en anglais IPCC): organisation mondiale fondée en 1988 par l'ONU et la WMO collaboration de plus de 3500 climatologues issus de plus de 130 pays

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les fluctuations sont réelles

^{El Nino}

La Nina

Ce sont des phénomènes naturels aléatoires (pas des erreurs de mesures):

volcans, El Ninio, La Ninia, oscillations atlantiques (AMO) et pacifiques (PDO)...

plateau en 1940-70, pas de "hiatus" en 1998-2012, 2014-2015 : records absolus de température

Pinatubo

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fluctuations, oscillations, tendance générale

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de 1880 à avril 2016

pas de "hiatus" en 1998-2010

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conséquences du réchauffement

les glaciers et banquises fondent

le niveau des mers monte et elles deviennent acides plus d'évaporation et de condensation de l'eau

=> amplification des extrêmes: canicules, désertification, feux de forêts, inondations, tempêtes, ouragans, eau douce

agriculture, économie, maladies (malaria...)

l'exemple du Bangladesh (150 Mhab, la moitié < 1m): migrations de

populations massives

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7

Arctique: de septembre 1999 à septembre 2012

si l'on ne fait rien, la fonte totale en fin d'été est prévue vers 2050

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8

fonte des glaciers continentaux

glaciers du Rhône (Suisse) de 1900 à 2008

de 1980 à 2007,

le glacier Columbia (Alaska)

a reculé de 15 km et perdu 300 m d'épaisseur Problèmes: eau douce, irrigation

mer de glace en 2015 Columbia

1980-2007

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conséquences du réchauffement

les glaciers et banquises fondent

le niveau des mers monte et elles deviennent acides plus d'évaporation et de condensation de l'eau

=> amplification des extrêmes: canicules, désertification, feux de forêts, inondations, tempêtes, ouragans, eau douce

agriculture, économie, maladies (malaria...)

l'exemple du Bangladesh (150 Mhab, la moitié < 1m): migrations de

populations massives

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hausse du niveau des mers:

fonte des glaciers continentaux + dilatation en surface

depuis le dernier âge glaciaire (-22000 ans, - 5°C):

fonte des glaciers (+ 130 m !) stabilisation depuis 2000 ans fonte du reste à partir de 1900

aujourd'hui: la hausse accélère (3.3 mm/an en 2014 dont 2 mm glaces continentales et 1 mm dilatation) mais prévisions:

0.6 à 1 m en 2100, + 6 m si tout le Groenland fond, + 15 m à plus long terme

vêlage

pH des océans: crustacés, plancton, corail...

A. Cazenave et al. 2016

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conséquences du réchauffement

les glaciers et banquises fondent

le niveau des mers monte et elles deviennent acides plus d'évaporation et de condensation de l'eau

=> amplification des extrêmes: canicules, désertification, feux de forêts, inondations, tempêtes, ouragans, eau douce

agriculture, économie, maladies (malaria...)

l'exemple du Bangladesh (150 Mhab, la moitié < 1m): migrations de

populations massives

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Les pluies en France

100 mm en 10 ans

c'est 500 mm en 50 ans en France, la

pluviométrie varie entre 300 mm et 1400 mm/an selon les régions

une évolution déjà considérable

L. Corre et T. Madec , Météo France.

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Intensification des cyclones dans les régions tropicales:

Atlantique tropical nord, Pacifique nord-ouest

2008: Katrina (Louisiane, USA)

280 km/h, 1800 morts, 108 milliards de $

2013: Haiyan (Philippines) 360 km/h ! 7350 morts

intensification de tous les évènements extrêmes: canicules, inondations, tempêtes, etc.

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Intensification des cyclones dans les régions tropicales:

Atlantique tropical nord, Pacifique nord-ouest

octobre 2015: Patricia (Mexique)

Vents à 325 km/h, rafales jusqu'à 380 km/h, vagues > 4m ...

intensification de tous les évènements extrêmes: canicules, inondations, tempêtes, etc.

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conséquences du réchauffement

les glaciers et banquises fondent

le niveau des mers monte et elles deviennent acides plus d'évaporation et de condensation de l'eau

=> amplification des extrêmes: canicules, désertification, feux de forêts, inondations, tempêtes, ouragans, eau douce

agriculture, économie, maladies (malaria...)

l'exemple du Bangladesh (150 Mhab, la moitié < 1m): migrations de

populations massives

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16

Un réchauffement irréversible ?

les terres gelées au nord de la Sibérie et du Canada emprisonnent différentes matières organiques sur environ 500 à 1000 m d'épaisseur:

si tout fond: + 6230 Gt d'équivalent CO2 (CH4, N20...)

pas encore inclus dans les modèles du GIEC

émissions probables d'ici 2100:

si + 4.5°C : 1280 Gt de CO2 eq (dont 1/3 de CH4)

dans l'atmosphère en 2012 : 2000 Gt or il ne faudrait pas dépasser 3000 Gt pour stabiliser le climat en 2100...

- l'inertie de l'océan - dégel du pergélisol (permafrost en anglais)

le pergélisol rouge-blanc et la banquise en bleu dans l'arctique

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Origine du réchauffement - acidification

La composition de l'atmosphère a changé au début de l'ère

industrielle

Ce CO2 additionnel provient de la

combustion des

"combustibles fossiles":

charbon, pétrole, gaz naturel car sa teneur en carbone 14 diminue confirmation par le carbone 13

Le CO2, le méthane CH4 et le protoxyde d'azote N2O (+ HFC etc.) sont des "gaz à effet de serre" qui piègent davantage le rayonnement solaire et réchauffent donc l'atmosphère

Dissolution dans les océans => acidification (8.12 en 1990, 8.05 en 2014, 7.6 en 2100?) : danger pout crustacés, plancton, corail...

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18

concentration en CO2 dans

l'atmosphère:

< 280 ppm depuis 800 000 ans

> 400ppm en 2013 + 3 ppm par an

CO2: c'est

nouveau

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Les émissions de CO2 par habitant dans le monde

trio USA-Canada-Australie:

16 à 17 t/hab

Allemagne: 9 t/hab Chine: ~ 7 t/hab en

augmentation très rapide France : 5t/hab

Inde: 1.5 t/hab Maroc: 1.5t/hab Ethiopie: 0,08t/hab

pour stabiliser le climat en 2100,

ne pas dépasser +2°C en 2100: 1,5 t/hab dès 2050, 0 ensuite (~2070)

tous les pays doivent faire un effort autres gaz, empreinte carbone réelle

émissions (fossiles) très variables d'un pays à l'autre

moyenne mondiale:

4,5 t/hab

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les scénarios du GIEC

scénario optimiste RCP2.6: 3,2PgC = 11,7 GtCO2/an = 1,5t CO2/hab en 2050 émissions négatives à partir de 2075 (capture CO2 par la végétation et les océans) si on ne fait rien (RCP8.5): CO2 et T continuent d'augmenter après 2100

T en 2100 + 4,5 °C

+ 3°C

+ 2,5°C + 1,8 °C

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Les conférences des parties (COP):

avant et après la COP21

195 pays

avis pris à l'unanimité – Aucun avis unanime précis chiffré depuis 25 ans...

La COP21 a enfin admis, à l'unanimité, que les émissions de CO2 (l'activité humaine) sont responsables du réchauffement

pour parvenir à stabiliser le climat ( < 2°C d’augmentation de T en 2100 par rapport à 1880-1900) il y avait 2 solutions complémentaires:

- laisser chaque pays définir ses objectifs de réduction des émissions de CO2 en fonction de ses motivations personnelles

- revenir aux grands principes (droits de l'Homme)

tous les êtres humains naissent libres et égaux en dignité et en droits

=> 1,5 tonne de CO2 par habitant et par an dès 2050

OUI mais ces objectifs de réduction de CO2 sont-ils suffisants?

COP21: Promesses chiffrées datées de presque tous les pays (mais USA, Chine...) comparer les promesses aux objectifs de justice internationale (1,5 t/hab)

y revenir dès la COP22

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Quelques raisons de rester optimiste

rigueur et transparence: créer une agence de surveillance internationale en bonne voie (COP22), c'est une forme de contrainte

incitation: taxes carbone locales, permis d'émissions; l'excellent exemple suédois Le contre exemple de Florange (Arcelor-Mittal)

à surveiller dans chaque pays

solidarité internationale: les pays développés doivent aider les pays en développement à produire de l'énergie propre => créer un "fonds vert" (100 G$ = 1 centime par litre d'essence ...)

ne pas y parvenir est inimaginable mais...

plusieurs révolutions sont nécessaires; l'esprit de solidarité progresse

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Comment atteindre ces objectifs?

solutions diverses

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d'où vient le CO2 émis en France ?

chiffres Ministère de l'Ecologie du Developpment durable et de l'Energie

transport

habitat énergie

industrie agriculture

- économies d'énergie (isolation thermique des batiments, efficacité énergétique partout - remplacer les combustibles fossiles presque partout par de l'électricité décarbonée - électrifier les transports, l'habitat et les procédés industriels

- réseaux intelligents?

- planter au lieu de déforester, biomasse énergétique ?

- l'électricité est déjà décarbonée en France, Suède, Suisse, Ethiopie...

(pas aux Etats-Unis, Allemagne, Pologne, Australie, Chine, Canada, Maghreb...)

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France, Allemagne, Maroc

France:

fin des années 70,

développement du nucléaire,

réduction du pétrole et du charbon 53% de fossiles en 2012

79g de CO2 par kWh produit (30g en Suède)

Allemagne:

maintien du pétrole et du charbon augmentation du gaz naturel

légère modernisation lors de la réunification 80% de fossiles en 2012

461g de CO2 par kWh (USA 522, Chine 766, Pologne 781)

récemment: remplacement de 8 réacteurs nucléaires sur 17 par éolien + PV mais

augmentation du charbon + lignite => pas de diminution des émissions de CO2

pétrole charbon

gaz

nucléaire hydro

pétrole

renouvelables nucléaire

gaz

charbon

Maroc:

90% de fossiles

croissance forte sans augmentation des émissions de CO2 grâce au développement des renouvelables (solaire thermique)

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l'intermittence de l'éolien dans 7 pays européens

fluctuations de l'ordre de la puissance moyenne, ~ 6 fois moins que la puissance installée.

problèmes de stockage => allumer des centrales "à flamme"

Les allemands pallient l'intermittence en brûlant du lignite:

pas cher, désastreux pour l'environnement et pour le climat, 23% de l'électricité en 2010, 24,5% en 2011, 25,5% en 2013

les renouvelables intermittents ne réduisent pas la pollution par le CO2

sept 2010 à mars 2011 (d'après JM Jancovici)

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comment stocker l'électricité?

le barrage de Grand'Maison

puissance de pompage:

1275 MW turbinage:

1690 MW soit 2% de la consommation

d'électricité

rendement: 70%

stockage max:

400 GWh = 18,5 jours d'un réacteur nucléaire

total des 6 STEP France:

5 GW

Allemagne, Danemark,

Suède, Suisse, Norvège, France, Maroc, Ethiopie, Amazonie...

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photovoltaïque sur toiture

Substrat de polymère,

Kornarka Inc. USA

rendement des panneaux

production moyenne 10W/m² (12% de la puissance installée)

coût 240 à 400 €/MWh (chiffres Cour des comptes 2012) mais en baisse rapide intermittence – batteries. exemples:

- les Li-ion de la Tesla S85 (85kWh) coûtent 40 000 € à changer toutes les 1000 à 2000 recharges (3 à 6 ans)

- la smartflower que vante EdF. 18 panneaux de Si monocristallin, 20 000 € pour seulement 3.2 kW de puissance crête soit probablement ~ 300 W en moyenne.

Amortissement en 50 ans ? pour piscines?

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solaire thermique à concentration:

une solution à l'intermittence?

un exemple: Nevada solar one (2007)

183400 miroirs orientables de 2.6 m² chacun transfert de chaleur par une huile à 400° vers un générateur de vapeur haute pression

investissement : 262 M$

puissance crête: 64MW puissance moyenne: 15 MW stockage: ½ heure

coût de production: 140$ le MWh donc 2 à 3 fois plus que le nucléaire ou le charbon

Noor I, II, III (Maroc) 2015-

investissement: 2600 M$ (dont 123 M€ de l'UE) 500 MW

répartis sur 750 ha pour Noor III (150MW) stockage 3 à 8h

réduction des émissions de CO2 de 10%

(- 5 Mt/an) mais investissements massifs dans le charbon

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capture et stockage du CO2

30

centrale thermique (lignite, 110MW) de Boundary Dam,

Saskatchewan, Canada, 1Mt CO2 par an

~90% des émissions de la centrale

Réinjection dans les puits de pétrole voisins; autres projets ou installations similaires aux USA (Dakota, Missouri), Canada et Arabie

saoudite

coût : 35 à 50$ la tonne de CO2

ce qui revient à doubler le prix du MWh

Généralisation?

dans le monde, 5000 grosses centrales électriques émettent 11 GtCO2 (26% des émissions totales, 40 Gt)

rentabilité? sûreté? nb de sites adéquats? recherches à effectuer

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et les réseaux "intelligents" ?

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augmenter les liaisons entre régions et pays

peut-on faire mieux que rendre la somme globale disponible partout?

contrôler à distance la consommation (effacements: incitations ou contrainte?) eau chaude (mieux que les vieux compteurs à tarif de nuit? des ballons d'eau chaude partout ne peuvent stocker qu'environ 5% de la consommation totale, l'équivalent de 3 GW

"ecoWatt" en Bretagne et Est-PACA: -3GW = - 3% de diminution volontaire des pics de consommation (chiffres bilan RTE 2015 p. 68)

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et la biomasse énergétique?

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1^ère génération:

cultiver des oléagineux (palmier à huile, soja, maïs, tournesol, etc.)

le rendement est très faible (environ 200 kW/km2 ce qui nécessiterait 50 000 km2 pour 10 GW mais il faut de l'énergie pour cultiver et pour transformer en biocarburants) et le bilan CO2 quasi-nul et il n'y a que 130 000 km2 cultivés en France. Les biocarburants incorporés dans l'essence en France proviennent d’oléagineux brésiliens ou indonésiens (déforestation).

Aujourd'hui la production d'électricité à partir de la biomasse est inférieure à 1% du total.

2^nde génération:

pailles et copeaux de bois. Une solution partielle. Ne pas déforester. Quelle production d'énergie en France? combien de TWh par an?

3^ième génération:

cultiver des algues? recherches en cours. OK dans un tube à essai (laboratoire de Roskoff). est-ce industrialisable? recherches en cours

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Besoin de chimistes

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Batteries :

J.M. Tarascon (L’Alsace, 22 septembre 2016) : 125 à 150 € le kWh en 2020.

Tesla S85 : 85 kWh de stockage = 10 à 13 000 € de batteries (mais durée de vie ?) Production à grande échelle?

ressources en Li? En Co ? Recyclage

Remplacer le Li par du Na ? Autres types de batteries?

Métanisation :

CH4 par fermentation anaérobie de déchets agricoles humides et méthanation :

Valoriser le CO2 + H2 par électrolyse de l’eau près des éoliennes Valoriser aussi le CO2 pour:

urée, méthanol, aspirine, résines, peintures, plastiques, adhésifs…

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les propositions en Allemagne, France, et Maroc

France – Allemagne: même objectif pour 2050:

réduire les émissions de CO2 de 70% en France et de 80 à 90% en Allemagne revient à viser 1,5t/habitant en 2050

MAIS

en Allemagne:

- supprimer tout le nucléaire

- augmenter la part des renouvelables à 80% de l'électricité sans augmenter les émissions de CO2 c'est impossible

en France:

- réduire la part du nucléaire à 50% de l'électricité

- augmenter les renouvelables jusqu'à 40% de l'électricité en 2030 tout en diminuant les émissions de CO2? irréaliste.

Décroissance ? « frugalité » ??

Et au Maroc ?

- 32% par rapport au "business as usual"

~ maintenir les émissions au niveau actuel : 50 Mt/hab?

capturer tout le CO2 émis? impossible dans le transport

électrifier les transports? développer le solaire thermique, et désaler l'eau de mer?

investissement: 45 milliards $ dont 35 d'aide fond vert sur 2020-2030 (3,5% du fonds vert)

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l'étonnante "étude scientifique" d'une électricité 100%

renouvelables par l'ADEME, organisme public, en 2015

le mix électrique en 2050 hypothèse de départ:

réduction de la production d'électricité à 482 TWh in 2050

au lieu de 545 ± 5 stable depuis 2010 SLC propose 840 TWh)

facteurs de charge et acceptabilité:

solaire PV 82TWh pour 60GW installés = 16%?

éoliennes ( 303TWh pour 110GW installés (50 000 sur terre + 15000 offshore!) = 31%?

un risque sévère de défaillance ("blackout"):

un soir d'hiver sans vent:

170 GW disparaissent

hydro + biocarburants: 20 GW déstockage disponible: 36 GW

pic de consommation 7-8 /02/2012 : 101 - 102 GW (+ pertes ? chiffres bilan RTE 2015)

"réseau" = les régions et pays voisins ont le même climat

puissance installée (GW) production annuelle (TWh)

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dans ces conditions, que penser du nucléaire?

3 problèmes principaux

la sûreté nécessite:

- un contrôle de la technologie

- une autorité de contrôle transparente et indépendante telle que l'ASN et son institut de recherche, l'IRSN en France

- un grand service publique de l'énergie pour maximiser la sûreté en

permanence au lieu de maximiser les profits temporaires (EdF vs TEPCO) - des investissements à long terme pour la construction, la maintenance et la gestion des déchets

France, Libye, Italie...

déchets nucléaires: retraitement et stockage

recycler le Pu et autres actinides: combustibles MOX, 4ième génération future à neutrons rapides (Superphénix, Astrid ...)

enfouissement profond pour le reste

coûts

EPR construction : 10 G€ pour une production de 80 TWh en 60 ans = 80 G€ si 100€/MWh

"grand carénage" (maintenance): 100 G€ sur 15 ans pour 58 reacteurs enfouissement : 25-35 G€ sur 140 ans

la France doit investir au lieu de récupérer des dividendes et de bloquer le prix du kWh

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Pour plus de

détails

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nucléaire : le risque zéro n'existe pas

Fukushima était stable, comme tous les réacteurs français, mais construit au bord de l'eau dans une zone de très forte sismicité (magnitude 9; 10 à 25 m de

déplacement sur 500 km de large, raz de marée avec vagues de 30 m de haut!);

18000 morts dus au Tsunami, 0 par irradiation.

Three Miles Island – Tchernobyl – Fukushima Retour d'experience après chaque accident,

(y compris de petits incidents comme par ex. l'inondation du Blayais en France)

Tchernobyl était intrinsèquement instable et a explosé après la déconnexion des sécurités par le personnel .

Emballement de la réaction nucléaire. Rejets de radionucléides (~10 fois plus que Fukushima) à des km d'altitude et à l'échelle d'un continent

TEPCO est un opérateur privé qui a maximisé ses profits au détriment de la sûreté et tenté de masquer la gravité de l'accident.

Pas de recombinaison de l'hydrogène émis en cas de fusion du combustible.

Explosion de gaz (pas nucléaire, le réacteur était arrêté mais encore chaud)

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la sûreté en France

l'ASN, autorité indépendante et les 1000 chercheurs de l'IRSN ont exigé des améliorations de la sûreté sur les anciens réacteurs anciens (inutile sur l'EPR):

- tripler les systèmes de refroidissement en cas de double interruption (eau + électricité)

- renforcement du radier en cas de fusion du coeur

60 à 200 M€ par réacteur (1GW pendant 20 ans fournit environ 20 G€

d'électricité au prix de vente actuel, soit 100 à 300 fois plus)

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l'avenir du nucléaire: la 4

^ième

génération

transformer l'essentiel des déchets en combustible réacteurs "à neutrons rapides"

brûler tout le Plutonium et l'Uranium 238 appauvri en 235

=> de l'énergie abondante pendant des milliers d'années.

Sûreté des réacteurs à neutrons rapides et à refroidissement au Sodium dits

"RNR-sodium": Astrid pour améliorer Superphénix?

l'enfouissement du reste n'est pas cher , ni le démantellement

Autres directions de recherche possibles:

petits réacteurs: 300 MW au lieu de 1600 (EPR)?

circulation de combustibles liquides avec extraction continue des dechets?

Thorium ?

refroidissement au Plomb?

- maintenir et developper un grand service public de l'énergie

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COP21 (Paris) un avis unanime

constat: le changement climatique est global

promesses chiffrées

sont-elles suffisantes? Etats-Unis, Chine, Allemagne, France, Maroc, Ethiopie...

l'accord est-il contraignant?

transparence => contrôle

Comment atteindre ses objectifs?

solutions diverses

origine: émissions de CO2 et autres gaz à effet de serre par l'activité humaine objectif : stabiliser le climat avant 2100 donc le réchauffement à moins de 2°C

ratification de l'avis: majorité nécessaire > 55% pour appliquer l'accord

justice internationale:

objectifs, soutien aux pays en développement

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