Energie : la science au charbon
Jacques TREINER
Université Pierre et Marie Curie, Paris SciencesPo Paris
Pourquoi s’intéresser à
l’énergie ?
10 milliards
1 milliard
100 millions
10 millions
1 million
Révolution industrielle
Révolution néolithique
Innovations techniques du paléolithique supérieur
Haut Moyen Age Age du fer Age du bronze
Population : les temps longs
aléas climatiques
aléas climatiques
Peste noire Projection
Consommation d’énergie : projections
7 milliards d’hommes et 12 Gtep, soit 1,71 tep/hab/an
Pour une population de 9 milliards, en
conservant la même moyenne, cela fait 15,4 Gtep
Dans les pays riches, consommation de 4,8 tep/hab/an (3,8 sans les USA).
Pour 9 milliards, cela fait 43,2 Gtep (32,4)
tep/hab/an
Gtep
Estimation raisonnable pour 2050 : environ 20 Gtep (25 Gtep ?)
1. Qu’est-ce que l’énergie ? 2. Energie et puissance
3. Energie concentrée / énergie diluée 4. Stocks et flux
5. Electricité : sources modulables / sources intermittentes 6. Energie et société : EROI
7. Pourquoi l’objectif des 2°C appartient au passé
Quelques mots-clefs
Nous avons besoin d’énergie Nous allons manquer d’énergie Il faut produire de l’énergie
Le bien-être des sociétés s’est toujours accompagné d’une consommation croissante d’énergie
Les aliments ont un contenu en énergie qui se lit sur la boîte
Les physiciens disent volontiers que « la matière peut se changer en énergie »
1. Les pièges de la langue
Nous parlons de l’énergie comme si c’était une chose …
Analyse énergétique des usages
Se nourrir :
transformations chimiques synthétisant le matériel biologique,
permettant de se maintenir à 37°C et d’exercer des actions physiques Se chauffer :
combustible (biomasse, gaz, fioul) rayonnement solaire
électricité Se déplacer :
à pied, à vélo (transformations chimiques dans le corps)
véhicule à moteur : brûler un combustible, électricité (batterie = transformation chimique), réseau électrique (trains)
Industrie et agriculture , services:
chaleur haute température, chaleur basse température
L’énergie est une unité de compte des transformations de la matière
Un corps tombe : il perd de l’altitude, il gagne de la vitesse Question : y a-t-il un rapport entre cette perte et ce gain ?
Mv
22 Mgh 1
Énergie associée à la
position relative de l’objet et de la Terre : énergie
Énergie associée au mouvement : énergie
Conservation de l’énergie
L’énergie ne peut être ni créée, ni détruite : si l’énergie d’un système varie, c’est qu’il en a reçu ou en a cédé à son
environnement.
Comment peut-il y avoir un problème d’énergie ? Toutes les formes d’énergie ne sont pas équivalentes : Chaleur : transfert désordonné d’énergie
Travail : transfert ordonné d’énergie
Tendance à la dégradation des formes d’énergie, des formes
ordonnées (nobles) vers les formes désordonnées (dégradées)
Exemples
Dans un moteur de voiture, la combustion des gaz (chaleur) anime un mouvement de
rotation (travail).
Le rendement est de l’ordre de 30%.
Dans un réfrigérateur, un moteur (travail) faut subir à un fluide une série de
compression/détente, ce qui permet de transférer de
l’énergie de l’intérieur vers
Chaleur perdue Chaleur entrante
2. Energie et puissance
Promenade en montagne : dénivelé h, énergie mgh.
La puissance caractérise la rapidité avec laquelle on dépense cette énergie.
Si T est la durée de la ballade, P = mgh/T De façon générale : Puissance = Energie / Temps
ou encore Energie = Puissance x Temps
Unité officielle d’énergie : Joule (1 calorie = 4,18 Joule) Une masse de 1 kg tombant de 1m : 10 J
Unités
W, kW, MW, GW : unités de puissance
Wh, kWh, MWh, GWh, TWh : puissance x temps = énergie 1 kWh = 3,6 MJ
Question délicate ! Question délicate !
Et la tep ?
Chaleur dégagée par la combustion d’un tonne de pétrole.
1 tep = 42 GJ
Correspondance MWh – tep 1 MWhe = 3,6 GJ
Compte tenu d’un rendement de 38,7 %, 1 MWhe = 3,6/(42*0,387) = 0,22 tep
Energie et puissance, exemples
Premier exemple : le métabolisme quotidien d’un individu.
Energie : 2600 kcal par jour, soit 11 millions de J (1 cal = 4,18 J) Puissance : 86400 secondes dans une journée,
P = 125 W (=11000000/86400 ) Energie mécanique que le corps humain peut dév elopper :
Ballade en montagne d’un homme de 70 kg : 300 m/h pendant 8 heures E = 70*9,81*300*8 = 1,65 MJ soit environ 0,5 kWh
S’il s’agit des bras, il faut compter 10 fois moins, soit 0,05 kWh
La combustion d’un litre d’essence dégage environ 10 kWh d’énergie, tout ça pour 1,5 € !
D’autres ordres de grandeur
Un américain du Nord consomme une puissance de 11 kW : c’est 80 fois son métabolisme : 80 esclaves énergétiques ?
Un européen 5 kW, soit 30 fois son métabolisme... 30 esclaves énergétiques Agrocarburants : en moyenne, l’humanité consomme une puissance de 2,4 kW dont le quart, soit 600 W pour le transport.
Agrocarburants à la place du pétrole ? Plusieurs fois la superficie consacrée à l’agriculture…
3. Concentration de l’énergie
Transformations des noyaux atomiques : fission (naturelle : géothermie, artificielle : centrales nucléaires), fusion (naturelle : énergie solaire, artificielle ?)
Transformations des assemblages d’atomes : combustibles fossiles, bioénergie
Transformations de la matière à grande échelle : hydroélectricité, éolien, énergie marine
Interactions nucléaires forte et faible entre nucléons Interaction électromagnétique entre charges électriques Interaction gravitationnelle entre masses
Quelles sont les types de transformation accessibles ?
Concentration, suite
Une centrale de 1 GW électrique consomme : 50 kg de tritium par an (si on y parvient !) 27 tonnes d’U par an
170 tonnes de fuel, 260 tonnes de charbon à l’heure
1200 tonnes d’eau par sec tombant de 100 m de hauteur 1000 éoliennes de 5 MW installés
30 km2 de panneaux solaires
Quantité de matière à transformer pour produire une quantité donnée d’énergie
4. Stock et flux
Stock : ressource en quantité finie, qui va nécessairement s’épuiser
densité énergétique élevée. Evaluation des stocks et des rythmes d’extraction : programme de la semaine prochaine.
Flux : énergie primaire inépuisable (solaire, géothermie, hydroélectricité, éolien, courants marins), ou renouvelable (biomasse)
Densité énergétique :
Solaire thermique : 50 W/m2
Solaire PV : 20 à 60 W/m2 Eolien : quelques W/m2
Hydroélectricité : 4 W/m2 pour le barrage de Serre-Ponçon 10 W/m2 pour le barrage des Trois Gorges Biomasse : 0,1 à 0,6 W/m2
Flux géothermique : 0,07 W/m2
5. L’électricité
N’existe pas à l’état naturel … sauf la foudre !
Phénomène de base : mouvement relatif d’un circuit devant un aimant Comment entretenir ce mouvement ?
Centrale hydraulique
Centrale à charbon
Centrale nucléaire
Energies de la mer
Solaire
Une partie de l’énergie associée au
déplacement de l’air se retrouve sous forme d’énergie de rotation des pâles V2
Éolien
V
1V1 plus grand que V2
Plus subtil : puissance installée,
puissance moyenne et puissance instantanée
Eolienne : puissance installée : de 3 à 5 MW pour les plus grandes,
puissance moyenne = énergie totale délivrée en 1 an /8760 h
puissance instantanée = énergie délivrée pendant ¼ h divisiée par ¼ h
65 GW
Moyenne 21%
Mini 4 % Maxi 61 %
Loi des réseaux électriques
P(x,t) = D(x,t)
en tout lieu à et à tout instant
La vache, l’arbre et l’éolienne…
Coupler avec une centrale hydraulique : STEP
(Station de Transfert d’Energie par Pompage)
Alternatives : ne pas envoyer le courant sur le réseau !
Le courant électrique est utilisé pour pomper l’eau vers la partie haute (mer)
Quelle surface de STEP côtières pour le stockage ?
La France consomme 500 TWh par an. Imaginons qu’on veuille stocker 5 TWh, soit 18*1015 J. Quelle surface faut-il mobiliser ?
STEP de 10 m de profondeur, de surface S, avec chute d’eau de 10m Energie disponible MgH
M = volume x masse volumique (1 tonne par mètre-cube) = 10 x S x 1000
H = 10 m g = 10 m/s2
D’où 106 S = 18 x 1015 soit S = 18000 km2
Il faut donc équiper 6000 km de côtes sur 3 km de largeur …
Si l’on construit une STEP de 20 m de profondeur, il ne faut plus équiper ces
L’électricité en France
Environ 500 TWh pour 63 millions d’habitants, Soit 8 MWh/hab/an Facture d’électricité : environ 5 MWh par an pour une famille (hors
chauffage).
La France, pays « tout nucléaire » ?
65 Mds $ importés par an 64% du CO2 16 Mds $ importés par an
24% du CO2
1,5 Md $ import/an –
12% du CO2
1 Md $ U importé 0 CO2
Le nucléaire en Europe
Mix électriques européens
Les renouvelables dans le monde
Les renouvelables dans le monde
Que peuvent les sources d’énergie non carbonées ?
Renouvelable
biomasse
bois colza
solaire
éolien géothermie
Inépuisable
hydro.
L’énergie nucléaire
fusion fission
Bilan des renouvelables, en poussant
tous les curseurs au maximum
Comment fournir le complément ?
Diviser par 2 nos émissions : 5 Gtep de fossiles avec émission Il manque encore 12 à 13 Gtep
Pistes : 1. fossiles avec capture et stockage du CO2 2. nucléaire
1. La technologie existe, mais n’est pas développée. Il est
difficile d’imaginer qu’elle permette, d’ici 2050, de combler plus de la moitié de ce qui manque.
2. On ne voit donc pas comment se passer du nucléaire.
Exemple : les Chinois ont annoncé leur volonté d’installer 1000 GW de puissance éolienne d’ici 2050 (20 fois ce que
l’Allemagne a aujourd’hui), mais cela ne représentera que 17
% de son électricité. Les Chinois ont aujourd’hui 27 centrales
nucléaires en construction, et ont des projets pour 60
Analyse EROI des systèmes énergétiques
Energy return on (energy) invested
obtenir l'
pour dépensée
énergie
fournie énergie
EROI
er transport la
et obtenir l'
pour dépensée
énergie
fournie énergie
EROIpu
utiliser l'
et er transport la
obtenir, l'
pour dépensée
énergie
fournie énergie
EROIext
Un exemple : EROI du pétrole aux USA
EROI minimum de notre civilisation ?
Une étude de cas : le PV en Espagne
Charles Hall et Pedro Prieto, 2012
Résultats finaux
Pourquoi l’objectif des 2°C appartient, hélas, au passé…
En guise de conclusion :
retour sur le couplage énergie-climat
Deux conditions pour les 2°C
1. Stabiliser dès aujourd’hui, puis diminuer nos émissions de GES
2. Ne pas dépasser un budget global de 1000 GtCO
2à partir d’aujourd’hui
Qu’en est-il de nos émissions ?
Trajectoire d’émissions
Stabiliser nos émissions ?
Elles augmentent d’environ 3% par an.
La consommation de fossiles augmente donc d’autant, soit 3%
de 10 Gtep, ou 300 Mtep.
Cela correspond à un accroissement de la puissance
consommée de 300x10
6x42x10
9/3x10
7= 420 GW
Quelle puissance non carbonée est créée
chaque année ?
Photovoltaïque ?
Puissance nouvelle l’an dernier : environ 40 GW, soit
Que rajouter d’autre ?
Biomasse : environ 10 Mtep/an, soit 15 GW.
Nucléaire : 438 réacteurs, 380 GW installés, 2% de croissance par an (?) = 8 GW
Barrages : 750 GW installés, quelques GW de plus par an
Il faut bien se résoudre à constater que la puissance nouvelle non carbonée installée chaque année est inférieure à 50 GW, alors qu’il faudrait 400 GW, venant en substitution des
ressources fossiles, pour stabiliser nos émissions…
On n’y est pas, et de loin.
Et le budget global ?
Imaginons que nous stabilisions nos émissions vers 2030, au niveau de 45 GtCO2 par an.
D’ici là, nous aurons émis ½(35+45)*15 = 600 GtCO2.
Si, ensuite, nous réduisons nos émissions à un rythme régulier, les 400 GtCO2 restantes seront épuisées en un nombre d’années T tel que :
1/2x45xT = 400 i.e.
T = 18 ans
Il ne faudrait plus émettre de CO2 en 2048 !
45
2030 2030 + T
