yves martin centre de recherches en physique des plasmas association euratom - confédération...
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Yves MartinCentre de Recherches en Physique des Plasmas
Association Euratom - Confédération SuisseEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne
CH - 1015 Lausanne, Suisse
Demain, quelles énergies?Demain, quelles énergies?--
IntroductionIntroduction
Yves Martin, WBZ CPS Demain, quelles énergies ? - Intro, Yverdon, 22.11.2006 2
Plan de l’introductionPlan de l’introduction
Energie● Notions de base, définition(s)
Etat des lieux – consommation énergie● Statistiques suisses● Statistiques mondiales
Demain● Ressources● Prévisions● Options énergétiques
Plan du cours
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Energie – définitionEnergie – définition
Dictionnaire● Grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité
d’accomplir un travail (moteur, …)à modifier l’état d’autres systèmes avec lesquels il entre en
interaction
Ecole (8VSB)● Il est difficile de définir l'énergie en soi, puisqu'on ne peut
l'observer que par les effets qu'elle produit.Poincaré: Il y a une quantité numérique qui ne change pas
lorsque qqch se produit.Feynman: L'énergie se conserve, mais on ne sait pas ce que
c'est.
Exemple d’énergie● Mécanique, électrique, thermique, chimique, nucléaire,
rayonnante, ...
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Energie – principes et usageEnergie – principes et usage
Principe de Lavoisier● Il ne peut y avoir création ou disparition d’énergie mais
seulement transformation d’une forme en une autre
Principe de Carnot● Transfert d’énergie d’un système à un autre
Mais ...● Source d’énergie● Production d’énergie
... Définition● Transformation irréversible d'une énergie "latente" en une
énergie "utile"Exemples: fossiles, nucléaire, solaireContre-exemple: hydrogène (électrique)
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Autres définitions utilesAutres définitions utiles
Energie renouvelable● Dont la consommation n'aboutit pas à une diminution
apparente des ressources naturelles parce qu'elle fait appel à une source inépuisable (pour nous)
● Transformation est aussi irréversible mais la source est toujours présente
● Développement durable – développement qui permet de faire face aux besoins actuels sans compromettre la capacité des générations futures à assurer leurs propres besoins
Energie grise● Energie nécessaire à la fabrication de l'installation productrice
d'énergie● Devrait être prise en considération lors du développement
d'une source d'énergie
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Energie - Unités et conversionsEnergie - Unités et conversions
Energie● MKSA: [Joule] = [Nm] = [m2 kg s-2]● Calories: 1 cal = 4.18 J
Dans le cadre de "production d'énergie"● 1 kWh = 3.6 106 J● 1 btu = 1055 J
● 1 tep (tonne équivalent pétrole, toe) ~ 42 GJ ~ 12000 kWhmais 1 toe donne 4500 kWh dans une centrale [BP]
● 1 MJ = 106 J (= 1 Mega J)● 1 GJ = 109 J (= 1 Giga J)● 1 TJ = 1012 J (= 1 Tera J)● 1 PJ = 1015 J (= 1 Peta J)● 1 EJ = 1018 J (= 1 Exa J)
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Etat des lieux – consommation globale en SuisseEtat des lieux – consommation globale en Suisse
[Statistique globale suisse de l'énergie 2005, OFEN]
Combustibles pétroliers
Carburants
Gaz
Electricité
Chauffage à distance
Energies renouvelables
Déchets industrielsCharbon
Bois
Consommation suisse totale 2005: 890'440 TJ (+1.3%)
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Consommation globale en Suisse IIConsommation globale en Suisse II
[Statistique globale suisse de l'énergie 2005, OFEN]
Répartition de la consommation selon les agents énergétiques
● Energies fossiles: ~70%
Combustibles pétroliers
Carburants
Gaz
Electricité
Bois
Répartition de la consommation selon les groupes de consommateurs
Transport Ménages
IndustriesServices
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Flux énergétique en SuisseFlux énergétique en Suisse
[Statistique globale suisse de l'énergie 2005, OFEN]
Combustiblessolides
Pétrolebrut
Produitspétroliers
Gaz
Combustiblesnucléaires
Hydraulique
Transport
Ménages
Industries
Services
Renouvelables
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Consommation globale en SuisseConsommation globale en Suisse
Consommation brute & Consommation finale
Différence● Variations de stock● Pertes transformation
Consommation proprePompage/turbinage
● Pertes transport
Consommation brute● 1'132'660 TJ
Consommation finale● 890'440 TJ
Rapport: ~80%[Statistique globale suisse de l'énergie 2005, OFEN]
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Consommation électrique en Suisse (2005)Consommation électrique en Suisse (2005)
Production d'électricité par catégorie de centrale
● Hydraulique: 56.6%● Nucléaire: 38%● Autres: 5.4%
[Statistique suisse de l'électricité 2005, OFEN]
Consommation d'électricité par groupes de consommateurs
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Structure de production d'électricité en EuropeStructure de production d'électricité en Europe
Structures très différentes d'un pays à l'autre
[Statistique suisse de l'électricité 2004, OFEN]
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Bilan suisse de l'électricité 2005Bilan suisse de l'électricité 2005
[Statistique suisse de l'électricité 2005, OFEN]
Exportation ~ consommation indigène
Importation ~ production indigène
Importation ~Exportation
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Consommation d'énergie primaire dans le mondeConsommation d'énergie primaire dans le monde
Consommation mondiale 2005: 10'537 Mtoe (+2.7%)Energies fossiles: ~88%Rapport Suisse/monde: 2.26 o/oo
[BP statistical review of world energy, June 2006
Pétrole
Gaz
NucléaireHydraulique
Charbon
2005
2000
1990
1980
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Energies primaires consommées par régionEnergies primaires consommées par région
[BP statistical review of world energy, June 2006
Pétrole
Gaz
NucléaireHydraulique
Charbon
Amériquedu Nord
Amériquedu C+Sud
EuropeEurasie
MoyenOrient Afrique
AsiePacifique
Différentes dépendances en énergie primaire● Asie: forte dépendance au charbon
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Consommation par personneConsommation par personne
[BP statistical review of world energy, June 2006
Inde, Chine, ... ont un fort taux de croissance
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Demain – ressources énergies fossilesDemain – ressources énergies fossiles
Réserves de pétrole inégalement distribuées ...[BP statistical review of world energy, June 2006
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Réserves de pétrole / consommation actuelleRéserves de pétrole / consommation actuelle
Réserves de pétrole ~40 ans
[BP statistical review of world energy, June 2006
40
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Ressources énergies fossilesRessources énergies fossiles
[BP statistical review of world energy, June 2006
Réserves en énergies fossiles par région et pour le monde:Pétrole: ~40 ans, gaz:~60 ans; charbon:~150 ans
PétroleGaz
Charbon
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Ressources combustible nucléaireRessources combustible nucléaire
Centrales actuelles: ~50ans
Surrégénérateurs: ~30'000 ans
Les informations à ce sujet sont nettement moins courantes sur Internet que celles concernant les énergies fossiles
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EnvironnementEnvironnement
Augmentation de la concentration de CO2
Influence des gaz à effet de serre
Réchauffement de la planète● Fonte des glaces (-iers), permafrost, ...● Instabilité du climat (ouragans, ...)
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Prévisions démographiques (M habitants)Prévisions démographiques (M habitants)
Région 2005 2030
Amérique du Nord 332 407
Amérique latine 558 711
Europe de l'Ouest 468 488
Europe de l'Est 406 380
Afrique 888 1398
Moyen Orient, Asie du Sud 1674 2325
Asie du Sud-Est, Pacifique 405 500
Extrême Orient 1719 1914
Monde 6450 8123
[IAEA, Energy electricity and nuclear power estimates for the period up to 2030, 2006]
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Prévisions énergétiques (Prévisions énergétiques (EJEJ, , % nucléaire% nucléaire))
Région 2005 2030
Amérique du Nord 112.9, 8.4133, 8.4159, 8.7
Amérique latine 30.8, 1.055, 0.983, 1.8
Europe de l'Ouest 70.7, 13.682, 5.0
94, 13.0
Europe de l'Est 56.2, 6.175, 7.998, 8.3
Afrique 29.7, 0.447, 0.462, 1.5
Moyen Orient, Asie du Sud 48.5, 0.489, 1.8
121, 2.7
Asie du Sud-Est, Pacifique 22.638, 0.253, 0.6
Extrême Orient 102.1, 5.4164, 6.1237, 6.1
Monde 473.5, 6.0683, 4.9907, 6.1
[IAEA, Energy electricity and nuclear power estimates for the period up to 2030, 2006]
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Autres prévisions ...Autres prévisions ...
Production d'électricité en Chine: x 3.3 en 30 ans
¾ produite à partir de charbon
Amériquedu Nord
AmériqueLatine Afrique
Europe
ChineInde
1026
1096
2048
3316
3565
2030
2002
1973
Année
2002
2030
Production d'électricité en Chine
CharbonRenouvelables
Hydraulique
Fission
GazPétrole
[EFDA, Energy, powering your world, 2005]
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Et encore, pour la petite histoire ...Et encore, pour la petite histoire ...
Prévision US
Energy Information Administration
Office of Integrated Analysis and Forecasting
U.S. Department of Energy
Washington, DC 20585
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... pour la petite histoire, suite... pour la petite histoire, suite
Où est le problème ???
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Mais ... déclin des ressources fossilesMais ... déclin des ressources fossiles
Pic du pétrole (et du gaz): ~ 20102050 = ½ x 2000
[CJ Campbell, Forecasting global oil supply 2000-2050, 2002
Pétrole
Pétrole lourd, bitumes
Zones polaires, eaux profondes
NGL
Gaz naturel
Méthane issu du charbon
Gboe
[CJ Campbell, 1998]
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Prévisions avec diminution pétrole / gazPrévisions avec diminution pétrole / gaz
Pic du pétrole ~ 2020[Edwards, 1997]
Charbon
Renouvelables
Hydraulique
Fission
Gaz
Pétrole
Gboe
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... et en Suisse ? Quelle politique ?... et en Suisse ? Quelle politique ?
'Perspectives énergétiques 2035-2050'● 4 rapports de l'OFEN, M.Renggli● Août 2005 – Août 2006
Conditions cadres● Population
Tendance Immigration plus élevée
● Croissance du PIBTendanceElevée
● ClimatNormalPlus chaudvagues chaleur et froid
● Prix de l'énergiedu pétrole (30 ou 50$ / bbl) Investissement dans l'énergie
16'000'000M$ [AIE (2003); «World Energy Investment Outlook»]
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Les scénariosLes scénarios
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StratégiesStratégies
A priori, chaque stratégie s'applique à chaque scénario
Toutes les stratégies conservent la production hydraulique
Stratégies:● Nucléaire● Fossile centralisé● Fossile décentralisé● Energies renouvelables● Importations● Nucléaire – renouvelable● Fossile c. – nucléaire● Fossile c. – renouvelable● Fossile d. – renouvelable● Renouvelable de + en +
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Estimations (1990 – 2050)Estimations (1990 – 2050)
Scénario I Scénario IIOffre électricité Offre électricité
Importations + nucléaire
ImportationsImportations + nucléaire
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Agents énergétiques finaux scénarios III & IVAgents énergétiques finaux scénarios III & IV
Période 1990 – 2035Diminution des énergies fossiles
Scénario III Scénario IV
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Scénario IIScénario II
Promotion des énergies renouvelables
Total représente 10% de la consommation électrique 2005
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Coûts globaux, scénarios I & IICoûts globaux, scénarios I & II
A=Imp+nucl. B=imp+therm.centr.+nucl C=Therm.centr
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Résumé des scénariosRésumé des scénarios
Scénarios prévoient une diminution de la demande
Fin de vie des centrales nucléaires
Construction de nouvelles centrales nucléaires
Construction de centrale thermique
Importation
Etude pas complète
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Résumé des options énergétiquesRésumé des options énergétiques
Etude pas complète ... pas beaucoup de chiffres pour var D et E ??
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Demain ...Demain ...
Energie de remplacement
A plus long terme ?
Quelle(s) solution(s) ?
Année
Demandeénergétique
(Terre – Suisse)
Energies fossiles
Energie deremplacement
Envisager toutes les solutions énergétiques compatibles avec le développement durable ... y.c. économies
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Demain - visionsDemain - visions
Monde● Protocole de Kyoto● Fusion contrôlée - ITER
Participants: EU, Japon, Russie, US, Chine, Corée-du-Sud, IndeFuturs participants: Brésil, ...
Europe● Green paper● Programmes cadre
Suisse● OFEN = Office Fédéral de l'ENergie● CORE = COmmission de Recherche en Energie● FNS, ...
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En Suisse – Programme COREEn Suisse – Programme CORE
Quatre objectifs pour générer un effet substanciel d'ici 2050
● Elimination combustibles fossiles pour seulement chauffer les bâtiments
● Réduction de moitié de la consommation des bâtiments
● Utilisation accrue de la biomasse jusqu'au potentiel de production écologique
● Réduction à 3l/100km consommation moyenne de carburants fossiles des véhicules privés
[CORE, Rapport annuel 2005]
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Distinction 'Recherche' et 'Mise en oeuvre'Distinction 'Recherche' et 'Mise en oeuvre'
Recherche fondamentale orientée
● La recherche fondamentale orientée est à l'origine d'applications intéressantes pour la technique énergétique. L'apparition de phénomènes ignorés stimule souvent la recherche fondamentale orientée.
● Lors qu'elle contribue au développement d'un approvisionnement énergétique durable, la recherche fondamentale orientée justifie un soutien étatique
Mise en oeuvre
● Implication directe des partenaires de l'industrie
● Financement ciblés de projets pilotes et de démonstration
● Programme SuisseEnergie
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Grandes options de la Recherche 2004-2007Grandes options de la Recherche 2004-2007
4 pôles de la recherche énergétique gérée par la CORE
● Utilisation rationnelle de l'énergie
● Sources d'énergies renouvelables
● Energie Nucléaire
● Fondements de l'économie énergétique
[OFEN, CORE, Plan directeur de la recherche 2004-2007]
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Domaines de recherchesDomaines de recherches
Utilisation rationnelle de l'énergie● Bâtiment● Transports● Stockage, transport et utilisation de l'électricité● Couplage chaleur-force● Pile à combustible● Combustion
Sources d'énergies renouvelables● Energie solaire
chaleur solaire, photovoltaïque, chimie solaire● Chaleur ambiante (pompes à chaleur)● Biomasse (bois, déchets, ...)● Géothermie● Energie éolienne● Force hydraulique
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Domaines de recherches IIDomaines de recherches II
Energie nucléaire● Fission nucléaire
Sécurité, déchets radioactifs, recherche prospective● Fusion nucléaire
Fondements de l'économie énergétique● Politique de l'énergie● Economie, société et environnement
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Attributions financières suissesAttributions financières suisses
Financement des différents programmes de recherche énergétique en Suisse
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Plan du coursPlan du cours
Fusion – M. Martin● Des principes de la fusion au réacteur ITER
Géothermie – M. Wilhelm● Le potentiel géothermique● Les possibilités d’utilisation● La géothermie basse énergie● La géothermie profonde● Exemples d’application● Aspects économiques● Les atouts de l’énergie géothermique
Hydrogène et mobilité – M. Sudan● Les propriétés de l'H2● La production d'H2● Le stockage d'H2● La combustion d'H2● Les applications actuelles● Les défis techniques et économiques actuels et futurs de l'H2
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Plan du cours IIPlan du cours II
Photovoltaïque – MM. Baillif, Wyrsch
Nouveau nucléaire – M. Dupont● Les 4 piliers de politique énergétique● le nucléaire en perspective● Les risques : accidents et déchets● Le nucléaire de 4e génération ● Contribution à la sécurité d’approvisionnement suisse
Question de société – M. Dupont● Décider – choisir : la méthode● Ecologie : faits et opinions. Contradiction entre les labels
écologiques et les bilans écologiques● Sécurité : normes ou interdiction ? maîtriser ou fuir les
risques?● La société à 2000 W● Risque – projet - sens
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Références / LectureRéférences / Lecture
OFEN● Statistique globale suisse de l'énergie 2005● Statistique suisse de l'électricité 2005● Plan directeur de la recherche énergétique de la Confédération 2004-2007● Recherche énergétique 2005 – rapports de synthèse des chefs de
programmeDETEC
● A contribution to the identification of promising technologies for the 2050 swiss energy R&D policy vision, M.Bürer, C.Cremer, mars 2006
BP● Quantifying energy, BP statistical review of world energy, 2006
IAEA● Energy, electricity and nuclear power estimates for the period up to 2030● Energy indicators for sustainable development, 2005● Climate change and nuclear power, 2000
EU, EFDA● Towards a european strategy for the security of energy supply, 2000● The energy challenge of the 21st century: role of nuclear energy, 2003● Energy, powering your world, 2005
Yves Martin, WBZ CPS Demain, quelles énergies ? - Intro, Yverdon, 22.11.2006 49
Références / Lecture IIRéférences / Lecture II
IEA● Key world energy statistics, 2006● Alternative fuels: an energy technology perspective● Impact of climate change policy uncertainty in power investment● Deploying climate-friendly technologies through collaboration with
developing countries WEC
● World energy in 2006● Energy policy scenarios 2050
US – DOE● International energy outlook, 2006
UK● Our energy future – creating a low carbon economy, 2003
Divers● 'Combustibles fossiles: quel avenir pour quel monde ?', J.Laherrere,
ASPO, nov 2006● 'Energie éolienne – Le vent en poupe', Suisse Eole, fév 2005● The Hardley Centre regional climate modelling system
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Potentiel hydrauliquePotentiel hydraulique
Les chiffres indiquent la fraction réalisée du potentiel hydraulique
[Worl Energy Council]
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[Worl Energy Council]