1 Cohérence des prospectives technologiques et des investissements énergétiques dans le cadre dun...

1

Cohérence des prospectives technologiques et des Cohérence des prospectives technologiques et des investissements énergétiques dans le cadre d’un investissements énergétiques dans le cadre d’un back-casting (VLEEM)back-casting (VLEEM)

Bertrand Château

Programme Energie du CNRS

Journée Atelier du GAT « Socio-Économie de l’Énergie »

20 Janvier 2005

2

SommaireSommaire

La prospective technologique dans l’approche téléologique

La mise en cohérence de la dynamique du système énergétique avec la prospective technologique

Les méthodes téléologiques: centrées sur l’objectif et la décision

CNRS – 20 Janvier 2005 – B. Château - Approche back-casting 3

La prospective téléologique: ce n’est plus “où va-t-on ?” La prospective téléologique: ce n’est plus “où va-t-on ?” mais “comment y va-t-on?”mais “comment y va-t-on?”

10 20 100

Business as Usual

Héritage ObjectifBack-

casting

Prévision

Degrés de liberté

E

T


Au coeur de la prospective téléologique: les contraintes Au coeur de la prospective téléologique: les contraintes de l’héritage et les temporalités des changements pour de l’héritage et les temporalités des changements pour atteindre l’objectifatteindre l’objectif

0 20 40 60 80 100

habitat

industrie

transport

energie

Equipement Infrastructure Comportement


Temporalités et changement de paradigme Temporalités et changement de paradigme technologique : un axe central de VLEEM technologique : un axe central de VLEEM

0 20 40 60 80 100 120

PAC

Fusion

Transmutation

PV

Sequestration CO2

R&D Demonstration Dissemination


Prise en compte des temporalités des décisions et Prise en compte des temporalités des décisions et mesures politiques conduisant au changement de mesures politiques conduisant au changement de paradigme technologique: le temps d’installationparadigme technologique: le temps d’installation

Mesures faciles

Mesures difficiles

Mesures modérées

0 5 10 15 20

faible

forte

faible

forte

faible

forte

Réglementation Fiscalité, prix Infrastructure Autres

Inci

den

ce s

ur

les

pri

x/co

ûts


… … et le temps additionnel de réalisationet le temps additionnel de réalisation

0 5 10 15

continue

discontinue

nulle

continue

discontinue

nulle

continue

discontinue

nulle

Années

Délais supplémentaires de réalisation

Pro

gre

ss

ivit

é

Fiscalité, prix

Infrastructures

Autres

8

SommaireSommaire

La prospective technologique dans VLEEM

La mise en cohérence de la dynamique du système énergétique avec la prospective technologique dans VLEEM



Les composantes de la prospective technologique Les composantes de la prospective technologique dans VLEEMdans VLEEM

Monographies sur les technologies potentielles du futur: aspects techniques, économiques, environnementaux, potentiels de développement, « road maps » du développement

« Construction » de paradigmes technologiques alternatifs: cohérence/exclusion des technologies potentielles du futur (offre et demande), organisation en système des technologies (vecteurs énergétiques, centralisé/réseau versus distribué), impacts sur les comportements, sur l’organisation spatiale des activités, sur les infrastructures


Exemples sur le contenu des monographies Exemples sur le contenu des monographies technologiquestechnologiques

Les performances énergétiques de la « maison du futur »

Les potentiels de sequestration du carbone

l’apprentissage industriel des energies renouvelables

la road-map du nucléaire de 4ème et 5ème génération


Energy saving elements for house of the future

> Architecture for passive warming and cooling

> Off-air-heat/cool recovery

> Efficient lighting

> Insulation glass and wall material

> On-site-generation technologies

> Cool/heat/electricity storage

> Automatic control for optimal end use


Les performances énergétiques de la maison du futur

225

30

94

44

1715 3,91,2

11

8

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

Existing buildings 2000 Passive House

Pri

mary

en

ergy c

on

sum

pti

on

in

kW

h/m

².a

Electricity

Warm waterpreparation

Fuel for room heating

Rehabilitation

Construction material


Global CO2 sequestration potential in depleted oil and gas fields

Rank Province Location CO2 sequestrationcapacity1

CO2 sequestration profit(cost)2

EOR Gas[Mm3] [Gt] [$/tonne] [$/tonne]

1 West Siberian basin CIS 94.6 177 (2.9) (27.9)2 Quatar arch Middle East 28.4 53 8.1 (22.9)3 Zagros fold belt Middle East 22.5 42 5.4 (23.9)4 Mesopotamian foredeep Middle East 22.3 42 8.8 (23.7)5 Greater Ghawar uplift Middle East 19.4 36 9.8 (21.6)6 Rub Al Khali basin Middle East 12.9 24 10.1 (21.6)7 Western Gulf of Mexico US 11.3 21 8.1 (19.0)11 Gulf Cenozoic OCS US 9.3 17 3.9 (31.7)13 North Sea graben Europe 8.9 17 (8.1) (36.1)14 Alberta basin Canada 8.7 17 12.9 (19.0)20 Permian basin US 4.9 9 9.2 (21.0)1 Depleted oil and natural gas field capacity combined.2 At $ 15/barrel oil, $0.65/Mcf ($ 14/t) supply cost for pure, high-pressure CO2.


Global CO2 sequestration potential for all options proposed

Carbon storage reservoir Range of CO2 sequestration potential [Gt C]

Deep ocean 1,391 – 27,000Deep saline reservoirs (aquifers) 87 – 2,727Depleted gas reservoirs 136 – 300Depleted oil reservoirs 41 – 191Unminable coal seams (ECBM) >20Source: Edmonds, J.A. et. al. (2000): The role of carbon management technologies in addressing atmospheric

stabilisation of greenhouse gases.


Les effets d’apprentissage dans les turbines éoliennes: exemple du Danemark

Source: Neij, 1999


Les composantes des futurs effets d’apprentissage dans l’éolien

> Variable speed

> Direct drive

Future learning effects in case of wind due to:

}

> Lower loads (fatigue)

> Higher output

> Less maintenance

> Scaling of turbine

> Larger wind farm

> Mass production


Les limites des futurs effets d’apprentissage dans l’éolien

> Technical maturity of current turbines of 0.6 to 2.5 MW

> Future scaling effects: offshore yes, onshore hardly

> Production of towers (onshore): local sourcing

> Civil work, infrastructure, and grid connection = conventional technology?

> Potential of cost reduction by mass production: 10-34% from 1.000 to 30.000 turbines/year


Synthèse sur la poursuite des effets d’apprentissage dans l’éolien

500

550

600

650

700

750

800

850

900

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Enron

Reference

Low

[Euro/kW]

[GW]


0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0HTR-MOXCap.HTR-UOX Cap.

ADS Cap.

CAPRA Cap.

LWR-MOXCap.LWR-UOXCap.Scheduledvalue total

Nuclear capacities (GWel), 1st scenario

Exemple de scénario pour un développement non contraint du nucléaire en Europe compatible avec les critères de soutenabilité

CNRS – 20 Janvier 2005 – B. Château - Approche back-casting

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

1. EPR EPR availability

Diffusion of Pu-reprocessing and U/Pu-MOX fabrication

Global availability of Pu-reproc. + U/Pu-MOX fabricat.

R+D Th/Pu-MOX

Constr. pilot- plant

Construct. fabric. plant

Th/Pu -MOX fabrication: Diffusion after 2020

LWR

1. PBMR PBMR (OC) operation

and diffusion

R+D PuO2-coated part.

Constr. pilot plant

Constr. fabric. plant

R+D HTR-fuel reproc.

Constr. Pilot pl.

Constr. Pu-rep. plant

HTRPBMR

PuO2-pebbles available

Pu-burning HTRs

R+D mult. reproc. + fuel fab.Constr. pilot- plant

Constr mult. rep.+fabr. pl.

Mult. reproc. + fuel fab. available U/Pu + MA

R+D mult. reproc. for LWR + Th/Pu + MA fuel fab.

Constr.Pilot- plant

Constr. rep. + fuel fab. pl.

U233 rep. + Th/Pu + MA fuel fab. available

R+D CAPRA + ADS reactorsConstructionpilot CAPRA

Operationpilot CAPRA

Constructionpilot ADS

Operationpilot ADS

1. Constr. CAPRA CAPRAs

1. Constr. ADS ADS

Diffusion CAPRA + ADS

CAPRA+

ADS

Road Map for Sustainable Nuclear R&D and Development


Exemples sur les éléments pris en compte dans la Exemples sur les éléments pris en compte dans la construction des paradigmes technologiquesconstruction des paradigmes technologiques

La qualification des besoins de services énergétiques

L’analyse des systèmes électriques distribués dans un paradigme « renouvelables »

L’analyse des systèmes centralisés dans un paradigme « renouvelables »


Matrice des besoins de services énergétiques dans VLEEM

Exergy

Density

Low Medium High,

stationary

High,

mobile

Spread,

low

Hot water, rural cooking, rural lighting, rural mobility, rural

medium Swimming pool, rural

Drying crops Machinery, rural Farm engines

high Green houses Isolated indust. steam

Food processing

Concent,

low

Space heating, urban

cooking, urban TV, urban mobility, urban

medium Space heating urban offices

Steam, textile indust. zone

Industrial machinery

Road freight transport

high Industrial washing

Steam, indust. zone

Cement factory Planes


Exemple de fonctionnement d’un micro-système distribué dans un paradigme “renouvelables”: 3 unités de production et 20 logements> Disponibilité des 3 unités >99.9 %

020000400006000080000

100000120000140000

Hour of the Day

Curr

ent L

oad i

n kW

Generation from storage

Excess generation

Base Generation

Load demand Solar Generation

Biomass Generation


... no storage available

storage installations

... storage available and expensive

... storage available and becomes cheaper ... storage available and very cheap

Backgrounding limitations:• only 0.5 % of earth surface per 5° x 5° can be utilised for solar radiation collection• only 1.25 GW wind power can be installed per 10‘000 km2 earth surface

installed solar power plant installed wind power plant electricity exchange

Exemple de fonctionnement d‘un système centralisé Exemple de fonctionnement d‘un système centralisé dans un paradigme renouvelable (Global link)dans un paradigme renouvelable (Global link)

Source: IPP


Global link: message

G r i d e f f i c i e n c y

00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91

Efficincy

w h i t o u t s t o r a g e a b i l i t yw i t h s t o r a g e a b i l i t y

G r i d c a p a c i t y

01 E + 1 32 E + 1 33 E + 1 34 E + 1 35 E + 1 36 E + 1 37 E + 1 3

Capacityin(km*kW) w h i t o u t s t o r a g e a b i l i t yw i t h s t o r a g e a b i l i t y

S o l a r p o w e r i n s t a l l a t i o n

0 . 0 E + 0 01 . 0 E + 1 02 . 0 E + 1 03 . 0 E + 1 04 . 0 E + 1 05 . 0 E + 1 06 . 0 E + 1 07 . 0 E + 1 0

Collectorsurfacein(m^2) w h i t o u t s t o r a g e a b i l i t yw i t h s t o r a g e a b i l i t y

W i n d p o w e r i n s t a l l a t i o n

0 . 0 E + 0 02 . 0 E + 0 64 . 0 E + 0 66 . 0 E + 0 68 . 0 E + 0 61 . 0 E + 0 71 . 2 E + 0 71 . 4 E + 0 71 . 6 E + 0 7

Capacityin(MW) w h i t o u t s t o r a g e a b i l i t yw i t h s t o r a g e a b i l i t y

Optimum

1. Necessary potentials are available;

2. Needed storage capacities are strongly reduced by a global grid;

3. Day/night fluctuations in solar power can completely compensated only by storage facilities and not by the connection to a global grid;

4. In opposite to solar power, the fluctuations in wind power are mostly compensated via the global connection.

Optimum in the scenario pattern would be a combination of net facilities and storage facilities because in that case the necessary installations would be at the lowest

without storage facilities

cost for storage: 140 €/kWh



cost for storage: 14 €/kWh (net cost are factorised with 1E6)

0

2000

4000

6000

8000

10000

installed wind power

inst

alle

d w

ind

po

we

r in

GW

scenarios with different storage cost assumptions

0

60000

120000

installed solar collector surface

inst

alle

d s

ola

r co

llect

or

surf

ace

in

km

2

0

300

600

900

1200

1500

installed storage capacity

inst

alle

d s

tora

ge

ca

pa

city

in

TW

h

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 grid exertion

gri

d e

xert

ion

in %

0

50000

100000

150000 grid capacity

inst

alle

d g

rid

ca

pa

city

in

km

*TW

26

SommaireSommaire

La prospective technologique dans VLEEM

La mise en cohérence de la dynamique du système énergétique avec la prospective technologique dans VLEEM



Les étapes de la mise en cohérence de la Les étapes de la mise en cohérence de la prospective technologique et de la dynamique des prospective technologique et de la dynamique des systèmes énergétiques dans VLEEMsystèmes énergétiques dans VLEEM

Une architecture de modélisation pour concilier une approche exploratoire des besoins avec une approche téléologique du développement technologique

La prise en compte des temporalités et l’identification des chemins critiques, des « milestones », des conditions

la formalisation des « systèmes énergétiques de référence », l’optimisation spatio-temporelle


L’architecture de VLEEM pour mettre en cohérence L’architecture de VLEEM pour mettre en cohérence prospective technologique et dynamique des systèmes prospective technologique et dynamique des systèmes énergétiquesénergétiques

Situation énergétique présente, évolutions historiques

Technologies futures,

Ressources

Besoins de services

énergétiques

Intégration offre/demande « soutenable »

Services énergétiques / grappes technologiques /ressources


0%

20%

40%

60%

80%

100%

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

FIRST HFIRST H22 FUEL CELL FUEL CELL

NEEDEDNEEDEDON THE MARKETON THE MARKET

ONLY AROUND 2025ONLY AROUND 2025

FIRST HFIRST H22 FUEL CELL FUEL CELL

NEEDEDNEEDEDON THE MARKETON THE MARKET

ONLY AROUND 2025ONLY AROUND 2025

FIRST LPG FUEL CELLFIRST LPG FUEL CELLNEEDED NEEDED

ON THE MARKETON THE MARKETONLY AROUND 2015ONLY AROUND 2015

FIRST LPG FUEL CELLFIRST LPG FUEL CELLNEEDED NEEDED

ON THE MARKETON THE MARKETONLY AROUND 2015ONLY AROUND 2015

0%

20%

40%

60%

80%

100%

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

FIRST E.V.FIRST E.V.NEEDEDNEEDED

ON THE MARKETON THE MARKETAROUND 2005AROUND 2005

FIRST E.V.FIRST E.V.NEEDEDNEEDED

ON THE MARKETON THE MARKETAROUND 2005AROUND 2005

FIRST HYBRIDFIRST HYBRIDNEEDEDNEEDED

ON THE MARKETON THE MARKETAROUND 2005 AROUND 2005

FIRST HYBRIDFIRST HYBRIDNEEDEDNEEDED

ON THE MARKETON THE MARKETAROUND 2005 AROUND 2005

RELATIVE SHARES OF THE NEW TECHNOLOGIES IN THE CAR STOCK

0%

20%

40%

60%

80%

100%

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030conventional total actual electric motorisation (EV,hybrid or fuel cells)

of which powered with H² FUELL CELLS of which powered with LPG FUEL CELLS

of which HYBRID of which EV-urban

BACKCASTINGBACKCASTINGBACKCASTINGBACKCASTING

Temporalités et dissémination technologique; Temporalités et dissémination technologique; exemple de la technologie automobileexemple de la technologie automobile


la formalisation des « systèmes énergétiques de la formalisation des « systèmes énergétiques de référence », l’optimisation spatio-temporelleréférence », l’optimisation spatio-temporelle

Système énergétique de référence: mettre en cohérence les dynamiques de besoins (sous-modèle « BASES ») et les temporalités dans la montée en puissance des nouveaux paradigmes technologiques pour construire des sentiers de développement cohérents du système énergétique vers l’objectif (sous-modèle « BALANCE »)

Optimisation spatio-temporelle: déterminer les conditions d’ajustement des courbes de charge des besoins et de l’offre dans les paradigmes technologiques et leur conséquence sur l’organisation du système énergétique (stockage, réseaux, etc…) (sous-modèle « TASES »)

1 Cohérence des prospectives technologiques et des investissements énergétiques dans le cadre dun...

Documents

Transcript of 1 Cohérence des prospectives technologiques et des investissements énergétiques dans le cadre dun...