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Les consommations d’énergie dans le monde : quelles perspectives en 2014 ?
Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux(Université de Gabès)
Enseignement Intégré de Science et Technologie (EIST)Classes de 5ème - Collège Madame de Sévigné
Perpignan – 28 février 2014
Institut de Mécanique et d’Ingénierie - Bordeaux
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie
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Quelques unités de base
k (kilo ; 103), M (méga ; 106), G (giga ; 109) Million Milliard
Deux unités pour le travail (énergie) :
le Joule (1 calorie = 4,18 J), unité internationale
le kilowatt-heure, kWh = 3600000 J, unité courante
Deux unités pour la puissance (énergie/temps) :
le Watt, W = 1 Joule / 1 seconde, unité internationale
la tonne d’équivalent pétrole / an, t.e.p./an 1 t.e.p. = 42 GJ (PCS) 1 t.e.p./an = 1400 W Attention aux équivalences : rendements 100 % !
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Quelques ordres de grandeur de puissance
• Une lampe d’éclairage : 20 à 100 W
• Un marcheur en montagne : > 1 W par kilo (360 mètres de dénivelé par heure)
• Ration alimentaire (2700 cal/hab.j) : 130 W
• Une voiture : 50 – 100 kW
• TGV : 10 MW
• Une « tranche » de centrale électrique : environ 1000 MW
• Un tir d’Ariane 5 : 50 GW
• Reçu du soleil (albédo non déduit) : 1,7 108 GW
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie
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La population mondiale
0
2
4
6
8
10
12
1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150
Hypothèses d’évolutions après 2007 : un taux de fécondité égal à 2,07 (en 2150, avec un taux de 1,55 : 3 Ghab ; de 2,55 : 25 Ghab)
Chaque jour, la Terre accueille environ 200000 habitants de plus !
Milliards d’habitants
7,2
Février 2014
2001
1941
1881
9,7 (INED)
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transports, habitats, industrie (agriculture)
Implicites, Explicites• Consommations explicites : celles dont on parle le
plus généralement, quantifiables simplement (attention aux rendements !),
Usuellement notées comme telles : charbon, pétrole, gaz, hydroélectricité, énergie nucléaire, et souvent « bois combustible »
• Consommations implicites : l’énergie solaire pour la pousse des plantes, celles ingérées par un herbivore, diverses formes de séchage « naturel »,
• Des difficultés de métrologie pour toutes les deux
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Les besoins énergétiques de l’homme
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DEA Produits - 1961-2000 - (kcal/hab/j) [Attention ! « grande calorie » = Cal = kcal]
Source : FAOSTAT Un milliard d’habitants souffrent de famine !
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Les apports alimentaires
Disponibilité énergétique alimentaire (DEA)
productionsvégétales terrestres
84%
productions animales terrestres
15%
productions aquatiques
1%
2700 kcal.hab-1.j-1
(données FAO) Surfaces émergées
29% Etenduesd'eau71%
Terrescultivée
s10%
Pâturagespermanents
23%
Autresterres28%
Glace10%
Forêts et surfaces
boisées 28%
Surface totale
510 Mkm2
(dont déserts18%)
et les surfaces mises en jeu
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toe/
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ab.y
r
USA Canada
Europe
Latin America
China
India
Tunisie
Consommations d’énergie par habitant, en tep/(hab.an)
Maroc
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0.4
0.8
1.2
1.6
1.6 Ghab 2.7 Ghab 6.0 Ghab
2.0
Population
t.e.p./(hab.an)
1900
1950
biomassehydro
nucleaire
Pétrole
2000
Transport
Gaz
Charbon
1900 - 2000 : une croissance forte, par habitant
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) developed
developing
world
1.1 Ginh.
2.9 Ginh.
1.2 Ginh.
3.6 Ginh. 4.4 Ginh. 5.1 Ginh.
1.3 Ginh. 1.4 Ginh.
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1.1 Ginh.
2.9 Ginh.
1.2 Ginh.
3.6 Ginh. 4.4 Ginh. 5.1 Ginh.
1.3 Ginh. 1.4 Ginh.
Depuis 1973, une stabilisation, par habitant
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0 1 2 3
Energieutiliséepar l’homme
DEBUT aux environs de 1700
FIN auxenvirons de 2400
Source :Pimentel et Pimentel, 1979
Millions d’années
Les combustibles fossiles dans l’histoire de l’humanité
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie
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Fuelwood5%
Hydro electric
6%Nuclear Energy
5%
Coal28%
Natural Gas23%
Oil33%
Total primary energy use12450 Mtoe/yr in 2008
2008 – 12,45 Gtep/an
[ Rendement conversion électricité/tep : 38 % ]
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Une grande stabilité globale, en proportions relatives….
• Les combustibles carbonés : charbon, pétrole, gaz C(+HX) -CH2- CH4
(combustion complète CO2 et H2O)
• Charbon : plusieurs siècles de réserves,• Pétrole : réserves sensiblement comparables au gaz
(une cinquantaine d’années ; non compris sables bitumineux, extraction gisements très complexes, schistes bitumineux…),
• Montée régulière, en proportion du gaz naturel, « le moins carboné des carbonés » (environ 50 ans de réserves ; réserves ultimes 4 à 5 fois plus environ).
• A voir, l’impact des pétroles et gaz de schiste,
• Rôle privilégié du pétrole pour les TRANSPORTS,• Stabilisation du nucléaire, à environ 600 Mtep/an (500 unités dans le monde ; montée en puissance de 1960 - 1000 MW - , à 1995 - 350 GWe -).
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Production annuelle d’électricité nucléaire de 1960 à 2012
tWh
1960 1980 1990 2000 2012
Taux de charge moyen mondial « ancien » : ≈ 80 %
A
B
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Solaire Solaire Solairethermique photovoltaïque thermodynamique
Hydraulique
Eolien
Charbon Nucléaire Gaz (pétrole)
GéothermieCourants
Bois, biomasses
2100
Vecteur « électricité »
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie
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Constante solaire
1370 W/m2
Rayonnement solaire diffusé vers l’extérieur de la Terre(réflexion « optique » et diffusions diverses)Le reste « absorbé » par le système « S.T.A. » (Surface Terrestre Atmosphère)
Rayon de la Terre : 6370 km
Variations de la constante solaire :• Annuelles, dues à l’orbite terrestre, de 1320 W/m2 l’été (Hémi. Nord, 152 Mkm) à 1420 l’hiver (147 Mkm) soit 3,3 % vs la moyenne,• Période de 11 ans, variations d’environ 0,1 % de la constante solaire,• ………...
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240 W/m2
Ensoleillement au sol (moyenne sur 24 heures)
[au sol : ~ 2000 kWh/m2.an]
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Alimentaire (ingestion) 130 W/hab
Energie explicite 2 500 W/hab
Du Soleil (albédo déduit) 18 000 000 W/hab
Base Juin 2009 : 6,8 Ghab
Consommations explicites (2008) :12,4 Gtep/an (sans « biomasses »)Soit, environ 2500 W/hab
Consommations Implicites
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Deux approches complémentaires !
• [1] - Consommation mondiale d’éner. explicites : 12500 Mtep/an (2008)
• [2] - Ressource solaire totale (albédo déduit) : 1,7 1017 (x 0,69) W, soit 6700 fois plus que [1]
• [3] - Disponibilité alimentaire mondiale : 2700 kcal/(jour.habitant) [85 % végétaux, 15 % animal]
soit 20 fois moins que [1]
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Le bouquet des « énergies renouvelables »
• (en général d’origine solaire, parfois indirecte) :
☺ Solaire thermique (diffus et concentré),
☺ Photovoltaïque,
☺ Solaire thermodynamique (concentré),
Hydraulique (500 Mtep/an, en 2005),
Courants (hydroliennes), Houle,
Eoliennes (>> 100 Mtep/an, 2010),
Biomasses végétales (et donc animales) :
bois et charbon de bois (400 Mtep/an, 2005),
déchets de biomasses, biocarburants
• De plus : Marées - Géothermie (thermique, électrique)
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Dans le monde, des projets nombreux, souvent de plus de 100 MW
Substrat de polymère,Kornarka Inc. USA
• Le 8 septembre 2009, la Chine a signé, avec First Solar, pour un projet de centrale, en Mongolie Intérieure, au Nord de la Chine, de 2 GW (2000 MW)• Le 30 janvier 2010, annonce d’un projet japonais avec le Maroc pour une centrale 1 MW, la plus grande en Afrique, à Assa-Zag (5000 foyers).
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020406080
100120
2000
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2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Energie photovoltaïque : puissance installée dans le monde, en GWc
Taux de charge mondial moyen : 12 %
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Solaire « en direct » : thermique, thermodynamique Trois types principaux de systèmes à concentration (on peut y ajouter les réflecteurs de Fresnel)
• Thermique, tel quel pour des serres de types variés, soit par des capteurs plans, • Thermodynamique, par des systèmes à concentration : ☻ systèmes paraboliques, cylindro-paraboliques, avec chauffage de fluide caloporteur, pour utilisation directe ou production d’électricité, ☻ tours à concentration (Odeillo en F,..)
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Four solaire d’Odeillo (France)
10 à 30 kW
Projets d’ensemble de « solar dishes » de centaines de MW.
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Capteur cylindro-parabolique
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Centrale solaire de Kramer Junction, Californie (165 MWe)
• 5 SEGS (Solar Electric Generating System), chacun de 30-33 MW• Concentration de 30 à 100 fois (puissance totale « en pic » : 350 MW)• Axe des miroirs : tubes métalliques avec une enveloppe de verre (vide entre les deux)• Le fluide chauffé (~ 400 °C) :une huile synthétique• Stockage qui permet une production continue (24 h.), complément gaz naturel• Un système d’échangeurs pour la production de vapeur• De nombreux projets existent, souvent plus puissants (Etats-Unis, Maghreb, Israël,…)
![Page 32: Les consommations dénergie dans le monde : quelles perspectives en 2014 ? Michel COMBARNOUS Université de Bordeaux (Université de Gabès) Enseignement Intégré](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022070309/551d9dc0497959293b8e0ad5/html5/thumbnails/32.jpg)
Surface totale : 195 hectares (environ 2 km2) 19,9 MW
• 2650 miroirs héliostats, orientables, de 120 m2 chacun • Au sommet de la tour (140 m), chauffage du fluide de travail (8500 tonnes d’un mélange
nitrate de potassium et nitrate de sodium), de 290°C à 565°C• Stockage du sel fondu qui permet une production continue (24 h.) – 15 heures de restitution -• Un système d’échangeurs classique pour production de vapeur en amont du couple turbine/alternateur• 40% Masdar (Abou Dhabi) et 60% Sener (Espagne) Inaugurée le 4 octobre 2011
Gemasolar (Andalousie)
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From Dubrovnik 23-25 sept. 2006
(G. van Kuik, Delft University)
Plus de 30 compagnies dans le monde fabriquent ce type d’éoliennes
Un projetà 7 MW !
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0
50
100
150
200
250
300
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Source : www.thewindpower.net
Energie éolienne : puissance installée dans le monde, en GW
Taux de charge moyen mondial : ≈ 25 %
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32 AE 32, 10 AE 46, 1 AE 52 et 1 AE 61 [« AE n » : n Ø en m]
L’avenir,l’éolien en mer :• vents plus réguliers• contraintes différentes
Sidi Daoud (Tunisie)
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L’énergie « biomasses », dans le monde, en 2000
Liquid fuels Gaseous fuels
(a) Bois (b) (c) (d) (e) (f) Autres (déchets animaux…)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Gtoe
Solid fuels
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Gt
Liquid fuels Gaseous fuels
(a) Bois (b) (c) (d) (e) (f) Autres (déchets animaux…)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Gtoe
Solid fuels
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Gt
(a) bois, (b) charbon de bois, (c) résidus de bois, (d) liqueur noire, (e) bagasse, (f) autres déchets
Les biocarburants… La piste des micro-algues (2 à 40 μm), pour biocarburants terrestres
Pour les carburants liquides, ne pas oublier le charbon : réaction Fischer-Tropsch (Allemagne, Afrique du Sud)
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie
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Les différents modes de transfert de chaleur
• Conduction : dépend du « gradient thermique », T / H (loi de Fourier), via la conductivité thermique,
• Rayonnement : propagation d’ondes électromagnétiques (pas de matière), dépend de T4 (en températures absolues, K),
• Convection : transport par fluides, chauds ou froids et contacts avec parois,
• Changement de phase : évaporation absorbe de la chaleur, condensation « dépose » de la chaleur.
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Une large palette de techniques [Grands ensembles, Habitats individuels, Bureaux] Isolation, Eclairage (LED [1] et électronique), Chaudières à condensation, Combustibles « renouvelables » (pellets), Panneaux solaires (eau chaude), Panneaux solaires photovoltaïques, Géothermie (collective ou individuelle [2]), Matériaux adaptés (peu « énergivores » à la production : bois, paille, …), Recyclage de produits et systèmes (3], Cogénération, Bâtiments à énergie positive, Orientations adaptées, …
[1] LED : Light Emitting Diode (lampes à diode électroluminescente)[2] Puits canadien, ou provençal, puits climatique[3] Recyclage de containers en fin de vie
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. Des contraintes autres que la seule énergie
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Puissance supplémentaire à installer, chaque jour !
200000 . 1,5 . 1400 soit > 400 MW en continu, soit presque
600 à 1000 MW de puissance nominale réelle supplémentaire à installer chaque jour
pour plus de 20000 « tranches virtuelles », en continu, déjà en place
D’où le rôle important, dans l’urgence, des combustibles carbonés (malgré les problèmes de réserves et d’effet de serre,….), mais aussi « faire feu de tout bois », avec, au premier rang de tout, les économies d’énergie
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Ecologie industrielle• Démarche née dans le Nord de l’Europe
(Danemark, Norvège,…)• Les activités humaines diverses doivent être
considérées comme des éléments d’un système vivant (d’où le nom « écologie »)
• L’application à des activités industrielles met l’accent sur tous les flux échangés, entre entreprises, lorsque, sur le point étudié, il n’y a pas de problème de concurrence (ex : sur une zone industrielle)
• On fait alors une « optimisation globale » (dans le cas, par exemple, des réseaux d’électricité)
[la démarche « smart grid » relève de cette approche]
Approches intégrées
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Analyses des cycles de vie
• Analyser de la manière la plus exhaustive l’histoire d’un composé chimique, d’un élément particulier,
d’un système, depuis sa «naissance», jusqu’à sa «mort» (?) (recyclage, combustion,..) Exemple : en nucléaire, stockage des déchets,
mais aussi démantèlement !!!• Ne pas perdre de vue tous les autres éléments
matériels, énergétiques, mobilisés par le procédé et leur poids dans les produits
• Faire aussi des analyses de vie comparatives (e.g. cultures vs forêts) en multicritères !
Approches intégrées
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D’après « Les enjeux de l’énergie, de la géopolitique au citoyen : état deslieux et prospective », 113 pages, E. Iacona, J. Taine, B. Tamain, DUNOD 2009
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un challenge, le développement de la géothermie :
☺ le chauffage collectif (région parisienne,…)
le long de la vallée de la Têt : 45 MW
☺ le refroidissement d’eau chaude géothermique à
El Hamma
(près Tozeur,
Tunisie),
quel usage
pour ces
« calories » ??
Approches Intégrées « feu de tout bois »
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Sommaire
• Quelques unités et ordres de grandeur• Les populations et leurs besoins énergétiques• Le « bouquet énergétique » actuel • Le rôle des énergies renouvelables• L’énergie dans l’habitat
Les principaux mécanismes de transfert
Le « bouquet » des différentes techniques
• Les urgences Economies, Ecologie industrielle, Analyse de cycle de vie
• En guise de conclusion…. des contraintes autres que la seule énergie
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Les « triangles magiques » !
• Energie Information Matériaux
• Démographie Environnement
Energie
• Energie Eau Déchets
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Et l’eau dans tout cela …
Environsde Chenini(sud tunisien)
Environsde Matmata (sud tunisien)
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Parmi les clés … Les économies d’énergieToujours une longue chaîne de la source à l’usage D’où l’intérêt des approches intégrées : analyses systémiques, exhaustives et comparatives de cycles de vie, écologie industrielle, économie circulaireL’énergie un aspect mais pas le seul : alimentation, eau, matières premièresDes problématiques multi échelles (5 + 5)
Principe d’économie, principe de précaution
Une ardente obligation : la réduction de inégalitésDemain, 8,5 milliards d’hommes (2035 – 2050) Eau, santé, alimentation, éducation