JBS-ED-Juillet 2013

Ecoles doctorales SI-MMEA et S2IM
Université de Poitiers – 4 Juillet 2013
Les Energies renouvelables, développements, enjeux
environnementaux, production d’électricité
J. B. Saulnier
Professeur Émérite - ENSMA
Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS
1
Plan
1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?
4 – Production d’électricité « renouvelable »
2
Plan
1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?
4 – Production d’électricité « renouvelable »
3
Données factuelles
Les fossiles: 70 %
(Monde 80 %)
Renouvelables 13 %
Hydraulique 3.5 %
Bois +biomasse 6.4 %
Eolien 0.6%
Solaire 0.1 %...
4
Combustion = CO2
(Cn Hm ) CO2 +H2O
5
Les gaz à effet de serre
Émission de CO2
6
Crise de l’énergie et crise
environnementale ?
•Effet de serre
•Changement climatique
•Raréfaction des ressources
•Conséquences économiques, sociétales, géopolitiques
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Serre
Données:
Le verre est transparent dans le visible
Il est opaque dans l’Infra rouge
Verre
1) L’énergie solaire traverse le verre
2) La serre se réchauffe : elle émet du rayonnement dans
l’infra rouge
3) Donc l’énergie réémise par la serre ne peut pas sortir:
elle est piégée dans la serre,
qui s’échauffe beaucoup plus que si il n’y avait pas la
plaque de verre
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La terre et l’effet de serre
Plus il y a de CO2,
plus l’atmosphère
devient opaque à
l’infra rouge réémis
par le sol,
et plus la terre se
réchauffe
L’atmosphère joue pour la terre le rôle de la vitre
9
Deuxième Elément crucial:
Le CHANGEMENT CLIMATIQUE
10
Changement climatique
et CO2
1°C
Accroissement de la
température
Nombre de jours anormalement
froids
chauds
11
Changement climatique et CO2
Pluies et
innondations
Niveau moyen des
mers en mm
Niveau des mers
12
Changement climatique et CO2
Menaces
sur les
deltas
côtiers
La concentration des populations augmente dans les zones
côtières, alors que le risque dû à une élévation du niveau
de la mer s’y accroît
13
CO2, réchauffement, innondations :
Australie décembre 2010
Glissement de terrain Mexique septembre 2010
Pluies
diluviennes
au Brésil
mi janvier
2011
Déluge Afrique du
Sud février 2011
14
Réchauffement : origine antrhopique (JL Demenet)
Naturel + Anthropique
Naturel
Mesures
15
Peut-on quantifier l’ampleur du
réchauffement admissible ?
16
Effets d’un réchauffement au-delà de 2°C ?
Fusion de la glace des calottes polaires
Montée du niveau des mers
Fusion des glaciers
Assèchement des rivières (Himalaya)
Libération du méthane du permafrost (Sibérie)…
Dérèglements climatiques: inondations…
17
Réduction des glaces pluri
annuelles de l’Arctique :
de 62 à 32 % de la
surface totale(Nasa)
Evolution du glacier de Chacaltaya (Andes, 5400 m)
entre 1994 et 2009. IRD-B. Francou
Anomalies Groenland
18
L’échelle des temps
Fonte des
glaces
Dilatation
Température
Concentration CO2
Emissions CO2
La concentration en CO2, la température, le niveau de la mer
continuent de progresser bien après la réduction des émissions
19
Troisième élément crucial :
la raréfaction des ressources
20
Raréfaction des ressources
Le peak Oil
Gaz
Charbon
Uranium
Indium
Platine
Lithium
…
21
Quatrième aspect de la crise : ses
conséquences
Economiques,
Sociétales,
Géopolitiques
22
Economique
•Renchérissement du coût de l’énergie,
• Augmentation prix de revient des produits
manufacturés riches en énergie: acier, automobile,
ciment …)
•accroissement des déficits, de la dette
France
•Budget : 300 Milliards (dép); Déficit: 60 Milliards
•Fossiles :70 Milliards ; IRPP :77 Milliards
Réponse? Politique d’austérité ??? Instabilités
23
Sociétal
Précarité énergétique = Un ménage est
considéré en situation de précarité énergétique
lorsqu’il éprouve des difficultés à chauffer dans
son logement (ressources et conditions d’habitat).
Facture énergétique/revenu disponible > 10%
France : 15% de la population
Ain :13 %
Poitou Charentes: 18%
24
Géopolitique
Une mise en cause des besoins vitaux des hommes :
•Canicules, innondations, moustiques (Dengue,
Chicungunia…): santé publique
•Fonte des glaciers de l’Himalaya: premières estimations
2060,Gange, Indus, Mékong, Yang Tseu: désertification : eau
•Inondations, sècheresse, désertification : quel territoire pour
les réfugiés climatiques ?
•Altération des cultures et alimentation : nourriture
Nouveaux conflits géopolitiques
25
Rapport STERN :2006
1) Les effets sur les changements futurs dans le climat des
actions que nous entreprenons aujourd’hui se feront sentir à
retardement:
•Action maintenant : effet limité sur le climat des 50 ans à
venir.
•Action dans les 10 /20 ans : effet profond sur le climat dans
la seconde moitié de ce siècle et au siècle suivant
2) Les bénéfices d’une action forte et rapide sur le
changement climatique dépassent considérablement les
coûts…
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+ Stern
Nous sommes dans un contexte d’urgence (diviser par un facteur
4 les émissions à effet de serre)
et de contrainte: fin du pétrole bon marché
Peak oil + …
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Plan
1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?
4 – Production d’électricité « renouvelable »
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Rappelons un scénario de transition possible vers un
monde plus sobre (AIE)
Scénario 450
ppm
CO2
450 ppm c’est
0.045% de CO2
Référence
450
Il stabilise ( # 2050, 2060) la concentration en CO2 dans l’atmosphère
à 450 ppm
En fait, il offre une de probabilité de 50 % de limiter le réchauffement à
2°C
29
Agence Internationale de l’Energie (IAE)
Le Scenario 450
Des clés !
Evolution des émissions annuelles
mondiales de CO2 (Giga tonnes)
30
AIE : Agence Internationale de l’Energie
Les Pistes
1) Efficacité
50 %
2) Energie
décarbonnée
31
Améliorer l’efficacité
Récupérer
Cycles
combinés
Améliorer
les
rendements
Réduire la
demande:
isoler
Cogénération
32
Efficacité et Génie électrique
Identifier les gisements de gain en énergie
Production d’électricité de la France # 500 TWh
10 %
10 %
5%
On évalue à 43 TWh l’énergie qui peut être économisée
dans l’industrie en systématisant la variation de vitesse et
à 5 TWh en améliorant l’efficacité des moteurs,
Des gains allant jusqu’à 40% sont envisageables pour tous
les appareils utilisés dans le résidentiel 120 TWh
La marge de progrès dans l’éclairage (50 TWh) est
considérable : plus de 50% et sans doute davantage avec
les diodes électroluminescentes
33
Composants: Eclairage
France 10 % consommation électrique (500 TWh)
# 5 tranches nucléaires
Lampe à incandescence: Planck rendement lumineux 5 %
(tungstène)
LED : Transitions radiatives entre niveaux énergétiques
discrets: ( Al Ga In N…)
Gain pratique actuel estimé : 50% soit 2 tranches
Avantages
Potentiel de gain
Durée de vie (40 000 h)
Faible demande en énergie
Pas de mercure, UV
OLEDs
Inconvénients
Monochromatique, directionnel
reproductibilité
Production peu écologique ( semi
conducteurs)
Santé ?
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Exemples de pistes de recherche
Génie électrique
Nouveaux matériaux:
Mois de pertes magnétiques,
Moins de pertes diélectriques
Électronique de puissance: limiter l’échauffement
Récupérer la chaleur : cas des grands centres de calcul
Piloter la vitesses des machines ( 10 % gain )…
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Plan
1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?
4 – Production d’électricité « renouvelable »
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AIE : Agence Internationale de l’Energie
Les Pistes
1) Efficacité
2) Energie
décarbonnée
ENR # 25 %
37
Le caractère
renouvelable : idée d’un
grand réservoir
Recharge
quotidienn
e
Pas de Recharge!
Fossiles
Renouvelable
Consommati
Soleil
Consommation
38
Les ENR: les différentes formes
Au commencement
de l’Univers, il y a #
14 Milliards d’ années
L’énergie du Big
Bang (?)
Au commencement de la
terre, il y a # 4.5 Milliards
d’ années
L’énergie
thermonucléaire
du soleil
La Radioactivité
stockée dans la
terre
L’énergie
mécanique du
système solaire
Aujourd’hui, les énergies
primaires de notre société
Solaire
Eolien
Biomasse
Combustibles fossiles
Houle
Energie nucléaire, fission
Géothermie
Marées
39
Les ENR sont associées
aux vecteurs usuels
Electricité
40
ENR et vecteur usuels
Carburant
Chaleur
Hydrogène
Décomposition de l’eau :
Par action du soleil sur des algues
Ou par électrophotocatalyse
41
Intermittence
Production régulière
Hydraulique
Hydrauliennes
Géothermie
Biocarburants
42
Intermittence
Production irrégulière
Eoliennes
Solaire
Thermique
Houle
Solaire
Thermodynamique
Solaire PV
43
ENR : Avantages
Le Réservoir potentiel d’énergie primaire est gigantesque:
Géothermique : 25 % consommation monde
Hydraulique:
50 % consommation monde (elec)
Eolien :
100 fois consommation monde
PV :
10 000 fois consommation monde
Impact environnemental faible (?)
Vent, soleil, mer : assez bien distribué
Exploitable à petite échelle
44
ENR :
Inconvénients
Voir tableau suivant
Couts élevés,
Surface au sol,
Intermittence
CO2, Besoin de stocker
Impact environnemental,
Acceptabilité
Discuté en conclusion
€/MWh
€/MWh
Hydro
20
Gaz
77
Charbon
44
Eolien
60
Nucléaire
50
Solaire
2 à 400
45
ENR: Investissement
Investissement
(Milliards €)
Surface (ha)
EPR
1
8.5
51
Eolien
20 parcs
14
600
PV
61 fermes
27
22 400
EPR : 1600 MW, r 82 %,
11.5 Milliards kWh,
8.5 Milliards €
Eolien Quatre Faux:330 MW, r 20% , 578 Millions kWh, 700 Millions €
 1 EPR = 20 parcs = 14 Millions €
PV Toul : 143 MW ,r 15 % , 188 Millions kWh,
450Millions €
 1 EPR = 61 fermes solaires = 27 Millions €
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Plan
1 – Enjeux environnementaux
2 – Vers une transition énergétique ?
3 – Quelle place pour les Energies Renouvelables ?
4 – Production d’électricité « renouvelable »
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Eolien
H=135 m
12
7.7 MW
Les quatre Faux
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Le déploiement de
l’éolien en France ?
Données:
France : 500TWh
Fin 2011 : 3700 machines soit 6,7 GW
Eolienne : 25 à 30 %
du temps
Horizon 2020
19 GW : 6000 nouvelles machines à 2 MW + 4000 anciennes
2.5 fois plus qu’aujourd’hui :Un carré de 2500 km2 soit ½
département
Offshore : + 10% soit en tout 22 GW et 45 TWh : 10 % conso
Les contraintes:
Vent « suffisant »
Distance respectueuse les zones urbaines et sites protégés
Passages oiseaux
Servitudes techniques ( radar météo)
Quel % du territoire est –on prêt à consacrer aux éoliennes ?
49
Quelques problématiques
scientifiques
Matériaux: aimants au Nd-Fe-B
Limiter ou remplacer la terre rare (ici le Néodyme):
Hexaferrite
Usure des pales ( pluie, grains de sable du Sahara…)
Prédictibilité de la production
Analyse détaillée de la distribution des vents (direction, module,
variabilité, distribution à petite ( 1 mn) et grande échelle de temps
(1h, 1 j 1 an et plus), lois statistiques, modélisation
Intermittence et stockage:
Air comprimé, batteries (Li-ion, H2),STEP
50
Stockage Air comprimé avec récupération de chaleur de
compression (thèse A. Bertin juin 2013 IPGP)
51
Photovoltaïque
Centrale de Toul –Rosières (Nancy)
2012 – 143 MWc 367 ha 450 Millions €
52
Quelques points
de repère
Puissance crête d’un panneau : # 100Wc/ m2 (pour 1000
W/ m2 solaires incidents)
Ensoleillement typique en France: 1000kWh /an /m2
1000h équivalentes à la puissance crête
Une maison de 10 m2 de panneaux 1kWc  1000 kWh
Une ferme de 1 MW - 10 000 m2 de panneaux
1000 MWh =1 GWh
et 2 ha au sol
53
Quel déploiement du
PV en France ?
Pour 500 TWh :
500 GW, 10 000 km2 soit 2% du territoire, 2 départements
Pour 10 % de la consommation nationale: 0.2 départements
Avec les pertes et l’intermittence: ½ département
En réalité, en fin 2011 : 4 GW en France ( < 1 % cons)
32 GW en Allemagne
100 GW au monde
54
Quelques problématiques
scientifiques
•Production de Silicium
•Couches minces
•Organique
• Nanostructurés
•PV concentré
55
56
Silicium cristallin
Nanostructuration
L’approvisionnement
Purification du silicium
métallurgique par procédé
plasma
• Interaction plasma silicium
• Interaction entre éléments
dans le silicium
Modification des bandes…
Lanthanides


Down convertion: un photon de
grande énergie donne deux
photons de plus faible énergie
Up convertion: deux photons de
faible énergie donnent un photon
de plus grande énergie
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PV Concentré
CPV avec cellules multi-jonctions
GaInP/GaAs/Ge :
40 %
Empilement infini :théorique 86 %
InGaP
(1.82 eV)
InGaAs
(1.4 eV)
Ge
(0.5 eV)
Ir
is
Cellule
Cellule chère  Concentrer
58
Gain en 15 ans
14000
12000
kWh P /kWc
10000
8000
6000
4000
1992
2000
2009
0
Cas du Silicium cristallin
Temps de retour
énergétique:
de 15 à 3 ans
Extraction
Réduction
Récup chaleur four
QS
Cellule
Recyclage SiCl4
Sciage, épaisseur 350-->180µ;
100*100 --> 160*160 mm
Décapage, antireflet dopage
connectique
Module
Raccordement encapsulation
Plaquette
Action sur les
procédés
59
En Guise de Conclusion
L’urgence s’impose pour tenter de résoudre les problèmes majeurs de la
crise environnementale causée par l’usage des fossiles pour produire
notre énergie.
S’ajoute le raréfaction rapide de ces ressources fossiles
Quelques clés ont été identifiées:
Améliorer l’efficacité énergétique
Développer les ENR
Agir sue le CO2 (CCS)
Développer un nucléaire « maitrisé »…
60
En Guise de Conclusion
Même si le réservoir peut apparaitre gigantesque, en matière d’électricité
issue des d’ENR il n’y a pas de solution miracle, et la production
d’électricité ne peut s’envisager par les seules ENR.
Un problème majeur, l’intermittence: perspectives et besoin de R/D,
stockage, smart grids…
Les matériaux
Substitution aux terres rares
Nanostructuration, solaire PV concentré
61
Conclusion (fin)
Mais ne pas oublier certains aspects relevant des Sciences humaines
et sociales
Acceptabilité
Les surfaces occupées, l’altération du paysage
Obstacles à la diffusion des nouvelles technologies
Education
Juridique, aménagement du territoire: règlementation, subventions
Les modes de consommation (réduire la demande)
Et , à un autre niveau, la préparation des négociations à
l’international…
62
Merci pour
votre attention
Les Energies renouvelables, développements, enjeux
environnementaux, production d’électricité
J. B. Saulnier, Professeur Émérite ENSMA
Ancien Directeur du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS
63
Encrassement des Echangeurs
pertes = 2 % énergie mondiale
= conso France
Améliorer l’efficacité
+ 50 %
Frottement Automobile:
360 Mtep =3% Energie
mondiale
Froid industriel : 2 % consommation électricité
mondiale ( 2000TWh = 4 * France)
A 15 ans réduction de 60%
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Les agrocarburants : une concurrence aux cultures vivrières ?
Monde
(Mega
tep)
Total
Transports
Agrocarburants
2010
12 000
2300
46
2050
20 000
2500
3 à 500
Où
Placer le
curseur ?
Les surfaces : 125 Mha /1130 :10%
La contribution CO2 : - 0.25
Gtonnes C soit - 2.5 %
La contribution en énergie: 4 tep /ha
 500 Mtep, 2.5 % total mais 20 %
carburants
65
La faim dans le monde
Données
300 Millions de personnes en danger de mort
100kg de blé à 150 $ la tonne: 15 $
Les calculs
1) Pour 300 millions : 4,5 milliards $
Les PIB: F : 2000 Milliard €; USA: 15 000 Milliards €; monde : 60 000
Milliards $
Les paradis fiscaux: 500 fois le PIB mondial
2) Les quantités: La production de blé : 780 M Tonnes dont 180
restent dans les stocks
Il faut : 30 Millions de tonnes !
66
Electricité Monde
Pétrole
7%
Eolien + PV
2%
Hydraulique
16%
Charbon
39%
Nucléaire
16%
Gaz
20%
Eolien + PV : 2 % de 20 000TWh
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