Causes et conséquences des changements climatiques

Philippe MATHIEUDépartement Aérospatiale & Mécanique

Université de Liège

USA

Europe

ChinaIndia

Japan

Le climat changeLa température moyennede la planète (la plusprobable) augmenteLe niveau des eaux  augmente Quelles sont • les causes• les conséquences• les adaptations et réactions possibles

Que savons-nous avec certitude?

+0.5°C entre 1980 et 2000 mais le gradient augmente

Le globe chauffe

Les eaux montent

Le pôle Nord fond

L’effet est plus marqué sur l’hémisphère Nord

2007 !

la banquise arctique s’en va !

Le réchauffement est nettement

plus marqué au NORD

Le GIEC : Groupe d’experts Intergouvernemental pour l’Etude du Climat

Le GIEC , ou IPCC (Intergovernmental Panel for ClimateChange), est une organisation internationale unique, créée en 1988 conjointement par l’UNEP ( United Nations Environment Program ) et le WMO ( World MeteorologicalOrganization ). Il regroupe des scientifiques du monde entier et a reçu de la part des Nations Unies une mission  précise :

évaluer le niveau du changement du climat global, ses causes et ses conséquences et analyser les mesures à mettre en œuvre pour s’y adapter et le contrer. 

• Le GIEC a publié 4 rapports à ce jour, un tous les 4 à5 ans, faisant le point le plus objectivement possible sur les connaissances scientifiques en matière de climatologie (causes et conséquences ) et de technologies capables de réduire les émissions de gaz à effet de serre.

• Le dernier rapport a été couronné du Prix Nobel de la Paix en 2007 avec Al Gore, le grand communicateur (film : une vérité qui dérange)

• Lors de la rentrée académique 2008 à l’ULG, le GIEC a été mis à l’honneur, son Président R Pachauri ayant reçu les insignes de Docteur Honoris Causa

Rapport n°4 du GIEC en 2005Les connaissances scientifiques et les observations montrent que la probabilité que les activités humaines aient une influence sur le changement du climat est supérieure à 90% : les effets sont en dehors de la variabilité naturelleSans réactions de notre part, la température moyenne du globe augmentera de 1.4 à 5.8 °C d’ici 2100 (par rapport à 1990) selon les scénarios d’évolution de la population, des économies et des technologiquesLes moyens techniques pour combattre le

réchauffement existent mais doivent encore être développés à grande échelle

Qui sont les responsables : 6 gaz 

CO2 est le plus important Il provient essentiellement de la combustion des hydrocarbureset a une durée de vie de 50 à 100 ans dans l’atmosphère. 25% disparaît essentiellement par absorption dans les océans et 30% dans la biomasse.Reste 45 % dans l’atmosphère

Human activities

H2O qui couvre 2/3 de la planète reste peu de

temps dans l’atmosphère. L’homme émet

moins de 1% de l’évaporation naturelle

0

50

100

150

200

250

300

350

400

050000100000150000200000250000300000350000400000450000Time (years before JC)

CO2(ppmv)

CO2 - last 420 000 years

Barnola et al., 2003

variabilité naturelle : [CO22] toujours sous 300 ppmv = 0.03%Activité solairePosition de l’axe de la terreForme de la trajectoire (ellipse plus aplatie aujourd’hui)

Sour

ce :

IPF

2004

Années- 400 000 - 300 000 - 200 000 - 100 000 + 2005

CO

2

Tem

péra

ture

L’évolution du climat au cours des 400 000 dernières années

Grande homothétie entre courbes d’évolution de la Température et de [CO2]

0400 000

(1960).Enorme

augmentationDe [CO2] depuis l’ère industrielle

Le taux de croissance sur

les 10 dernières années (1995-

2005) est le plus élevé jamais

connu depuis le début des mesures

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Correlation [CO2] ppmv and emissions Mt C/y

last 1000 yearsCO2(ppmv) Mt C

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Andres, 2003

IndustrialeraÉvènement : le gradient

Emissions mondiales de  CO2

C  =  P  x  PIB / P  x  E / PIB  x  C / E• C = carbone émis sous forme de CO2, tonnes

• P = population, habitants

• Economie :PIB / P =  Produit Intérieur Brut ou richesse du pays oupouvoir d’achat,  €/pers

• E / PIB = intensité énergétique des activités économiques, GJ/€

• Technologie :C / E =  intensité carbone de l’utilisation d’énergie, kg/GJ

En 2007, nous émettions 8 Gton CO2 dont 1.6 par la déforestation et 6.4 par la combustion fossile . 4 Gt sont absorbées par la biomasse (forêts) et les

océans et 4 Gt/an restent dans l’atmosphère

Population multipliée par 3 en 70 ans

Vous et moi

néolithique

Modèles climatiques• scénarios de développement : population, activitééconomique, progrès technologiques

• émissions de gaz à effet de serre associées• conséquences sur le climat : modèles de l’atmosphère , 

des océans et de leurs interactions

= interprétation et extrapolation dans le futur (incertitudes sur le développement des sociétés et sur les modèles eux‐mêmes!)Augmentation de la t°moyenne de la terre sur le 21 ème siècle de       

1.4 à 5.8 °C

1860 - 2000

+0.7°C

Of the different models

ref

°T° couche d’air à la surface pour 3 scénarios: B1 bas;A1B moyen; A2 haut

T° C

2020-2030+0.8°C

2090-2100+2°C

+3°C

+ 3-4°C

+2°C

+3°C

+4°C

Uncertainties = bars length in previous fig

Northern hemisphere is always warmer

+5°C ,c’est grave?

les évènements extrêmes (canicules, inondations, tempêtes, ouragans, sécheresses, feux de forêts ) plus fréquents . En Europe, la canicule de 2003 a fait 35000 morts dont une bonne partie à Paris. Australie 2009 incendies de forêts

Les cyclones, ouragans …, plus  intenses et plus fréquents (Katrina)Sécheresses plus intenses et plus longues sur de larges zones de la planète d’où désertification (Depuis 1970 grande tension pour l’eau en Afrique : Darfour)Précipitations intenses plus fréquentes sur la plupart des contrées d’où augmentation des inondations

Fonte du permafrost en Sibérie (méthane)

Acidification des océans et modification de la circulation des courants marins d’où >> impacts sur la vie marine, sur la productivité des écosystèmes marins (ex. les coraux blanchissent) , sur la pêche, sur la capacité de l’océan à capter le CO2, modification de la végétation continentale et du rendement des céréales 

Effets sur la santé >> modification de l’écosystème = propagation de maladies tropicales 

Perte de biodiversité (animaux et végétaux) 

Réfugiés climatiquesconflits , surtout intérieursEx +1°C chez nous fait migrer la végétation de 200  km vers le N+2°C perte de 20 à 30% de biodiversité

Etc etc ?? La situation est inédite donc imprévisible

On n’a plus le choixIl faut réagir collectivement et individuellement et le plus vite sera le mieux

Rapport Stern

2000

2100

3000

0 à 100 ansÉmissions de CO2

Concentration de CO2 100 à 300 ans

Températureplusieurs siècles

Montée des eaux par d

ilatation siècles à millénaires

Monté

e des

eaux

par fon

te des

glace

s

plusieurs millénairesAmplitude des réponses Temps pour atteindre l’équilibre

Si on annulle nos émissions, ça continue!

Graphique: IPCC, 2001

Feuille de route  Réaction en 2 temps

1er temps  : protocole de Kyoto 1990 à 2012

2ème temps  après 2012  : évoluer vers un développement DURABLE càd assurer la transition d’une société fortement basée sur les combustibles fossiles , fortement émettrice de CO2 dans l’atmosphère, à une société dite « décarbonisée » qui n’émet plus rien 

Comment évoluer du système actuel vers un système énergétique « ZERO EMISSION » avec un impact aussi faible que possible sur la planète

The Kyoto protocol in 1997

OCDE countries  : reduction by 5.2% below the level of 1990 emissionsby 2010‐2012

Europe  :  ‐ 8%

Belgium  : ‐7.5% 

1) Diminution de la demande et la consommation

2) Augmentation de l’efficacité énergétique dans les installations industrielles (centrales à haut rendement, cogénération + aciéries, cimenteries, usines chimiques….)dans le transport (moteurs hybrides,  électriques, à hydrogène et piles àcombustibles)dans l’habitat ( isolation, chauffage, éclairage, maison passive ou basse émission) 

POTENTIEL ACTUEL   ‐25 à 30% en EU‐253) Utilisation des énergies renouvelables 

(soleil : panneaux thermiques et photovoltaïques; vent : éoliennes;  eau : hydraulique, marées, vagues ; biomasse, géothermie et pompes àchaleur)

Re‐forestation et NON PAS déforestation

Percentage below and above commitments in the Kyoto protocol (2002)

Europe does not achieve the Kyoto target and is 1.9 % above

Bons élèvesMauvais élèves

Développement durableSur le plan énergétique :  IDEALEMENT et à la limite arrêter d’épuiser  les réserves de combustibles fossiles et  ainsi d’augmenter la charge de polluants sur l’environnement de manière à léguer une planète vivable aux générations qui suivent 

A long terme,soit volontairement soit parce que les réserves seront épuisées, aller vers des énergies et vecteurs  qui n’utilisent plus les hydrocarbures (pétrole, charbon, gaz naturel) et l’U >>>   les ENERGIES RENOUVELABLES« zero emission economy» ou SYSTEME ENERGETIQUE DECARBONISE

Transition avec tout l’arsenal disponible, y compris le nucléaire et des technologies propres de combustion des combustibles fossiles . 

World Energy Consumption

• Contribution des énergies  à la consommation mondiale>> ~ 80% de combustibles fossiles. Grosse dépendance au pétrole

• Seulement 3.4% renouvelable (hors bois et grande hydro) 

(wood)

large

Sources of CO2 (Mton/year)

Based on primary fuel at point of use : total = 20145 Mton/y

3345=16.6%

3953=19.6%

5194=25.8%

7653=38%

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Buildings Transport Industry/Agric Power Generation

1997 data from IPCC TAR

Emissions, Mt CO2/y

Total = 20.15 Gton/y

Objectifs environnementaux selon les rapports du GIEC 2005

• Kyoto : ‐5% pour le monde entre 1990 et 2008‐2012 • Post‐Kyoto 2012 STABILISER le [CO2] dans l’atmosphère à450 ppmv CO2 soit 550 ppmv pour tous les gaz pour limiter l’augmentation de la température moyenne de la planète à

+2°C d’ici 2100 (ce n’est pas innocent)• atteindre un maxi entre 2015 et 2025 puisdiminuer les émissions sans arrêtEn 2020    ‐20 à ‐40%

• Prévisions des modèles pour divers scénarios   :   +1.4 à5.8°C

• Réduction des émissions pour stabiliser la [CO2]  à 450‐490 ppmv et limiter le réchauffement à +2‐2.4°C50 à 85% pour le monde à partir de 2050

80 à 95% pour les pays développés

• coût  < 0.12%/an de la croissance du PIB mondial 

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Time (y AD)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Carbon (MTon)

Réduction MONDIALE des émissions de CO2

Kyoto

Post-KyotoPost-Kyoto

Début de l’ère industrielle

- 50% et - 80% mini pour OCDE

~50% man made CO2 is absorbed in oceans and ecosystem IL FAUT EMPECHERL’AUTRE MOITIE DE MONTER DANS L’ATMOSPHERE

-5%

Objectif des trois 20 en Europe

Europe           3 lignes de force :

Réduction de 20% (>>30%) des émissions de GHG en 2020 

Efficacité énergétique : réduction de la consommation d’énergie primaire de 20%

Renouvelables : fraction de 20% (8.5% actuellement)

Nucléaire (14% de la consommation et 30% de la production électricité) explicitement exclu de Kyoto et réintégré par l’EU

En B on a décidé de sortir du nucléaire sauf cas de force majeure et on a ratifié Kyoto >> quadrature du cercle

By 2030, fossil fuels will still account for roughly 70 % of electricity generated worldwide in 2030 and about a half in the EU (coal + NG) Renewable energy sources will play a growing role in the global primary energy consumption structure. Likewise, nuclear power will maintain an importantposition in global electricity generation and will even grow in some countries (China, India, Japan…).

46% de l’électricité est sans C en EU

Energies renouvelables

Eolien

Solaire thermique et photovoltaïque

Biomasse

Hydraulique : chutes, marées, vagues

Géothermie

EU2005: 8.5 % �to 2020: 20 %

En EUROPE

20%RESEn 2020

En Belgique-20% GES

20% efficacité13% ER

Défis des renouvelables

énergies intermittentes 

rendement de conversion faible >> surface de captage élevées et grande emprise en surfaces au sol 

nécessité d’électronique de puissance

pas encore rentables

Typical data on renewablesOccupation au sol Wind         10 MW/km2 de surface au sol pour une ferme d’éoliennes espacées = 20

GWhe/km2 year pour 2000 equivalent full load h/y Solar PV   1000W/m2; 1000h sun/y soit 1000 kWh th/an; avec 10% effic,  100 

kWhe/m2an = 100 GWhe/km2 anbiomass 60 MWhfuel/ha year or ~ 2 ‐3 GWhe/km2 anNetwork connection with power electronics (conversion DC/AC; frequence

adaptation) Back‐up : fossil fuelsStorage : network; hydro; air compressors; batteries; H2 Emissions gCO2/kWh on life cycleCosts of production and fabrication, installation

pour 1 km2, production annuelle d’électricitéSolar PV 100 GWhe/y

Wind 20Biomass 2