Vers une production d électricité 100 % renouvelable!

Bernard MULTON ENS de Cachan SATIE - CNRS Site de Bretagne

Vers une production d’électricité

100 % renouvelable !

Guingamp 7 décembre 2012

L’énergie,

un concept physique unifié

pour décrire les transformations

du monde

indispensable à la vie

et au métabolisme

des sociétés humaines

Photosynthèse

« Cycles de vie » de l’énergie : exemples

Réactions nucléaires de fusion d’hydrogène dans les étoiles

Rayonnement transmis dans l’espace

Évaporation / condensation

de l’eau Effet photo-électrique

Écoulement

Biomasse

Électricité

chaleur basse température

et intercepté par la terre

Unités physiques de l’énergie et équivalences

Pour des raisons pratiques, nous utiliserons : - le térawattheure : TWh

1 TWh = 10

Wh soit 1 milliard de kWh (1 Wh = 3600 J et 1 kWh = 3,6 MJ) L’unité du Système International : le joule ^(J)

- la tonne équivalent pétrole : tep (Mtep, Gtep)

1 tep ≅ 11 600 kWh et 1 Gtep ≅ 11 600 TWh

57 000 TWh (40%) prélevés

pour produire:

21 400 TWh

d’électricité primaire

(en sortie des centrales)

Bilan énergétique mondial :

décryptage et place de l’électricité

(données 2010)

Total ≅ 12,7 Gtep

(147 000 TWh)

Finale

17 800 TWh

(livrée au compteur)

Primaire

%

≅ 69

global

η

pour donner :

%

e ≅30 η Renouvelables

Total ≅ 8,77 Gtep

(100 600 TWh)

13% l’électricité d’origine nucléaire

=> nucléaire = 2,3% de l’énergie finale

Non renouvelables

> 86%

(Uranium)

Développement de l’humanité et ressources énergétiques

Source :

PNUD (Programme des Nations Unies pour le Développement)

Evolution

la population humaine sur la terre:

Besoins métaboliques (nourriture) :

2,5 kWh/jour/personne

Consommation énergétique des activités humaines :

Autres activités énergétiques :

(énergie commerciale, hors biens importés)

Moyenne monde : 60 kWh/j Africain : 14 kWh/j

US américain : 270 kWh/j Français : 140 kWh/j

Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) :

entre 2000 et 5000 Gtep

(Réserves prouvées < 900 Gtep)

Ressources et réserves non renouvelables

Uranium fissile : environ 150 Gtep

(Réserves estimées < 60 Gtep et 20 Gtep en énergie finale )

Rayonnement solaire au sol : 100 000 Gtep… par an !

Source : Energy Watch Group,

dec. 2006

Limites : « peak oil »

Source : Campbell ODAC

et « peak uranium »

noyau

terre

2 E

Ressources renouvelables (chiffres annuels)

soleil

12 000 E

30%

directement ré-émis dans

l’espace

lune 0,2 E

45% : 5400 E

transformés en chaleur basse température puis rayonnés

25%

convertis en surface et dans l’atmosphère

3000 Eh

Cycles hydrologiques (eau, vent houle) Valeurs ramenées à la consommation annuelle d’énergie primaire de l’humanité

E

12 Gtep

manteau

Prélèvement photosynthèse

≅

7 E

Source image : auteur

Potentiel des Ressources Renouvelables « interceptables » : plus de 8000 fois la consommation humaine !

Avec un rendement global (arbitraire) de 10% de conversion de l’énergie solaire en carburant, électricité…, une fraction de la superficie d’un des grand déserts permettrait de satisfaire les besoins énergétiques futurs de toute l’humanité

(9 milliards d’habitants avec la consommation moyenne finale d’un citoyen français)

Des ressources immenses, inépuisables à notre échelle de temps, mais peu concentrées et souvent à forte variabilité

2200 kWh/m² x 10% = 220 kWh/m²

230 000 TWh/an

(> 2 fois plus qu’aujourd’hui)

1 millions km²

(1000 km x 1000 km)

10% du Sahara

Remarque : il serait absurde des points de vue géopolitique et environnementaux

de tout concentrer en un seul lieu…

Et faire des d’économies d’énergie constituerait un meilleur optimum !

ou 50% du désert d’Arabie

L’électricité

Origine de la production mondiale d’électricité (2010)

Plus de 80 % de l’électricité mondiale est d’origine non renouvelable

Source :

La production d'électricité

d'origine renouvelable dans le monde Observ’ER 2011

Charbon : 41%

Gaz : 21,2%

Pétrole : 5%

21 200 TWh

Environ 20 %

est d’origine

renouvelable

Production électrique d’origine renouvelable ⁽²⁰¹⁰⁾

Source :

La production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde Observ’ER 2011

20% renouvelables : 4158 TWh

En 2030:

4000 TWh hydrauliques

5540 TWh éoliens, 2820 TWh solaires 400 TWh biomasse, 200 TWh géothermiques

TOTAL : 13 000 TWh soit 43%

sur un total de 30 000 TWh

?

Une extrapolation de la progression qui montre que l’effort vaut la peine :

Avec + 20%/an pendant 10 ans (+27% 2000/2010),

puis + 10%/an pendant 10 ans : la production éolienne atteindrait 5540 TWh en 2030

Avec + 30%/an pendant 10 ans (+38% 2000/2010),

puis + 20%/an pendant 10 ans : la production solaire atteindrait 2820 TWh en 2030

?

En 2050:

100% renouvelable tout à fait réalisable

Des ressources renouvelables

faciles à convertir

en électricité

Production éolienne

1991 : Vindeby (DK) 11 x 450kW

Très fort potentiel encore peu exploité en offshore,

le Danemark précusseur, puis le Royaume Uni :

Source : Siemens

8 carrés de 100 x 100 km² : 3000 TWh/an = conso Europe

Relation entre Puissance et Energie :

1 W terrestre produit annuellement environ 2 kWh (2000 h) 1 W offshore ……… 3 à 4 kWh (3 à 4000 h)

2010 : Thanet (UK) 100 x 3 MW 2002 : Horns Rev (DK) 80 x 2 MW

=> 200 GW produisent en un an plus de 500 TWh

200 GW nucléaires produiraient environ 1400 TWh (7000 h)

Au monde : 240 GW installés fin 2011

(dont 3,2 GW offshore) En France en 2011 :

environ 2,5% de la production d’électricité

Possibilité d’un stockage de chaleur en amont de la production électrique

Deux réservoirs pour 15 heures de production sans soleil.

=> productivité annuelle de 6500 heures par an

Exemple de technologie mature : les centrales à tour

Génération thermodynamique solaire à concentration

Espagne Gemasolar : 17 MW_e - 110 GWh/an

(Fuentes de Andalucía) sur une superficie de 185 ha

Source : Torresol Energy

champ d’héliostats + turbine à vapeur

Houlogénération Exemple du Pelamis

4 cylindres : diamètre 3.5 m, total 150 m

750 kW – 2,7 GWh/an (

Vérins hydrauliques + stockage sous pression

+ moteurs hydrauliques + générateurs asynchrones

Source images et vidéo : http://www.pelamiswave.com/

« Wavefarm » 30 MW – 1,3 km²

Image de synthèse

Ferme d’Aguçadoura (Portugal, 2008)

Beaucoup de solutions pour produire

de l’électricité à partir des renouvelables

Solaire photovoltaïque

Et bien d’autres pour la stocker…

Méthaniseur + cogénérateurs

Source : SEAGEN

http://www.seageneration.co.uk/

Hydroliennes

Solaire thermodynamique (autres…)

Source : Kramer Jonction

Eolien en mer Solaire aérothermique

Source : Enviromission Source : WindFloat

Rendement : 65 à 85 % (selon technologie et choix de dimensionnement) Démarrage : 10 à 15 min

Jusqu’à quelques GW / 10 GWh

Exemple : stockage hydraulique gravitaire

Solution de stockage de masse la plus répandue,

la moins chère et à la plus longue durée de vie…

Nécessité de reliefs naturel, mais de nouvelles possibilités : - en caverne,

- en bord de mer,

- aménagements de barrages en STEP

Okinawa (Japon) : 30 MW – 180 MWh Goldistahl (Allemagne) :

1 GW – 8,5 GWh

Production d’électricité 100% renouvelable ?

Un potentiel très largement suffisant d’énergie primaire est accessible et convertible en électricité avec beaucoup moins d’impacts environnementaux

Déjà suffisamment de technologies de conversion existantes, avec des écobilans largement positifs,

et à des niveaux de maturité et de coût acceptables

(éolien, photovoltaïque, solaire thermodynamique…)

À tel point que l’électricité pourrait satisfaire de nouveaux usages :

transports ??

Mais peut-on gérer la variabilité de la production associée

aux ressources les plus abondantes (solaire et vent) ? L’idée fait son chemin : Allemagne pour 2050, en France (négaWatt)

(Autriche, Danemark, Ecosse…)

Alors, comment résoudre le problème de la variabilité ?

En mettant à profit au maximum la flexibilité de l’hydroélectricité

En exploitant pleinement les prévisions météorologiques

En généralisant le pilotage des charges « non prioritaires », et en produisant de l’énergie pour les transports :

véhicules à batteries, gaz de synthèse (méthanation) C’est le réseau (plus ?) intelligent (smart grid)

En utilisant, si nécessaire des moyens flexibles brulant des

combustibles renouvelables

Il pourrait être également moins vulnérable grâce à la possibilité d’îloter des micro-réseaux capables d’autonomie En maximisant la complémentarité des ressources variables…

En accroissant les capacités de stockage (réversible) d’électricité

À quels coûts ?

Et avec quel écobilan ?

Pour les convertisseurs de ressources renouvelables :

des temps de retour sur investissement énergétique très bons

Photovoltaïque en toiture

Durée de vie : 30 ans

Technologie

rendement / énergie grise

Nord Europe (900 heures par an)

Sud Europe (1700 heures par an)

Silicium cristallin

14% / 5,8 kWh / W_p 4,6 années 2,4 années Silicium couches minces

9% / 3,8 kWh / W_p

3 années 1,6 années

Source informations : Source image : auteur

Le rendement est un critère parmi d’autres et ce n’est pas nécessairement

le rendement le plus élevé qui correspond au meilleur écobilan

Silicium en couches minces : rendement plus faible mais meilleur bilan énergétique global 1^ère constatation : un retour sur investissement rapide (pour tout le système, pas seulement les panneaux)

et donc une très bonne rentabilité énergétique (et aujourd’hui économique) Silicium cristallin (classique) : rendement élevé, mais écobilan moyen,

cependant en amélioration continue (les rendements actuels tendent vers 20%)

Eolien (terrestre, grandes machines) Gamesa G8X (2 MW – 80 m)

Énergie grise : 1,6 GWh (tout compris)

D urée de vie : 20 ans

Source informations :

Source image : Gamesa

Sur un site normalement venté : 2000 h/an

production : 4 GWh/an

=> retour sur investissement énergétique : 5 mois

site terrestre bien venté : 2700 h/an

production : 5,4 GWh/an

=> retour sur investissement énergétique : 4 mois

Pour les convertisseurs de ressources renouvelables :

des temps de retour sur investissement énergétique très bons

Exemple de chiffrage économique simpliste

470 TWh (puissance installée actuelle 120 GW) 100% renouvelables en 2050

Avec une plus grande intelligence dans les usages et un peu de sobriété :

un coût global pour la collectivité plus faible Déjà 70 à 80 TWh hydrauliques (25,4 GW, dont 9,2 GW de lac)

+ 180 GWh / 5 GW de stockage STEP

Restent 400 TWh (les coûts spécifiques sont des évaluations tenant compte des tendances actuelles) :

- 50% éolien (on et offshore) 190 TWh (90 GW x 1,5 €/W = 135 G€) - 40 % solaire (PV + CSP) 152 TWh (150 GW x 2 €/W = 300 G€)

- 10% biogaz et biomasse 38 TWh (6 GW x 1,5 €/W = 9 G€) - stockage : 10 TWh ? – 50 GW ? (80 G€ ??)

- adaptation des réseaux : 10 G€ ?? Total : 534 G€

Coût de production des 400 TWh (hors taux d’intérêts et frais de maintenance, faibles) : sur la base d’une durée de vie de 20 ans : coût de production 6,6 c€/kWh

(EPR : > 10 c€/kWh)

Des emplois locaux (installation, maintenance… fabrication ??)

A l’échelle de la France : électricité 100% renouvelable

Et une réelle indépendance énergétique !

Conclusion…

Journées « Energie et développement durable » Ker Lann mars 2007

Finalement, on ne manque ni d’énergie, ni de solutions, mais il faut rapidement nous libérer de nos addictions aux

ressources faciles (fossiles et fissiles) et polluantes ! Pour éviter ça :

ou ça :

sobriété + renouvelable + recyclage

= civilisation durable

L’équation du développement durable :

2012

Année internationale

de l'énergie durable pour tous ONU

http://www.un.org/fr/events/sustainableenergyforall/

Bilan énergétique de la France ⁽²⁰¹⁰⁾

129 Mtep

Source http://www.developpement-durable.gouv.fr/ Chiffres clés de l’énergie en France -rapport annuel dec. 2011

Électricité = 22,4%

L’énergie nucléaire satisfait environ 20%

des besoins (énerg. finale) 40,7% de la

conso primaire

L’évolution des moyens de production

d’électricité « décarbonée »

Coûts de production actuels du photovoltaïque

Évolution des coûts de production d’électricité

en Espagne

Évolution des coûts de production d’électricité

en Espagne

Complémentarité des ressources à l’échelle de l’Europe

Source : D. HEIDE et al. « Seasonal optimalmixofwindandsolarpowerinafuture,

Consommation électrique européenne actuelle

Productible éolien

européen Productible solaire européen

Mix éolien (60%) – solaire (40%)

L’électronucléaire : énergie durable,

viable, économique??

Production et réserves d’uranium

6 M tonnes

à < 260 $/kg un doublement du prix a permis d’augmenter de 15% les réserves…

Ressources :

6 M tonnes équivalent à environ 60 Gtep primaires soit 20 Gtep finales

11 ans de production électrique mondiale totale

Prix de l’uranium

source : banque Scotia 10 $/lb = 26 $/kg

Base de calcul de prévision

de coût EPR en 2003

UK, projet 2 réacteurs Hinkley Point Somerset (EDF)

Mai 2012 (Times, 7may 2012) : £ 7 milliards => 8,66 G€ pour 1,6 GW Réacteur de Flamanville 2007 : coût estimé à 3,4 G€

lors du démarrage de la construction de Flamanville Décembre 2008 : ré-évaluation EDF à 4 G€

Juillet 2010 : 5 G€

Juillet 2011 : 6 G€

Réacteur d’Olkiluoto (Finlande) : prix initial 3 G€

démarrage en juillet 2005, mise en service prévue en 2009 repoussée successivement à fin 2010, puis 2014…

Avec un surcoût de 3.6 milliards d'euros : 6,6 G€

Dérapage des coûts d’investissement de l’EPR

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

DGEMP

(rapport coûts de référence électricité)

Finlande

(Olkiluoto)

Flamanville

UK

(Hinkley Point Somerset)

Dérapage des coûts d’investissement de l’EPR

Estimation du coût de production de l’EPR

(sur la base du rapport DGEMP déc. 2003) Base :

prix de l’U₃O₈ à 20$/livre (actuellement 60 $/lb

à long terme)

Base : 1,66 G€

par réacteur (22€/MWh avec un taux d’actualisation de 5%)

A 8,66 G€ par réacteur, cela donne 120 €/MWh (12 c€/kWh) pour

la seule part de l’investissement

Scénario français négaWatt (2011) : renouvelables + sobriété demande finale tous secteurs confondus

Source : scénario Négawatt 2011

Scénario français négaWatt (2011) :

abandon des sources fossiles et fissiles

Diagramme de Sankey 2050

Diagramme de Sankey 2010