Développement de l’humanité et ressources.

Activités énergétiques : impact environnemental…

Bernard MULTONDpt Mécatronique, Labo SATIE UMR CNRS-ENS Cachan 8029

Énergie : un problème Énergie : un problème ?!?!Des solutions…Des solutions…

Conférence Sciences Pratiques Rentrée ENS Cachan Bretagne

11 septembre 2007

Quelques axes de recherche du laboratoire SATIE.

Et la puissance ?Qu’est-ce que l’énergie ?

Alors, que faire ?

L’énergie, un concept physique unifiépour des phénomènes variés…

Indispensable à la vie et aux activités humaines

La chaleur C’est sa forme ultime : dans l’univers, il semble que toute l’énergie se dégrade en chaleur

Le travail mécanique Pour se déplacer, fabriquer…

Les rayonnements Le soleil rayonne à distance.

L’énergie chimique Combustion (carburants )

L’énergie électrique « Vecteur » moderne d’énergie

L’énergie nucléaire Désintégration de la matière…

L’énergie se manifeste sous différentes formes

photosynthèse

Exemples de « cycles de vie de l’énergie »

réactions nucléaires de fusion d’hydrogène dans les étoiles

rayonnement transmis dans l’espace intercepté par la terre

Évaporation condensationde l’eau

effet photo-électriquesur des cellules

Écoulement (mécanique) Biomasse (combustible)Électricité

CHALEUR

Dans Dans Dans l’universl’universl’univers, , ,

l’énergiel’énergiel’énergie se transforme :se transforme :se transforme :

elle «elle «elle « vitvitvit »,»,»,

puis «puis «puis « meurtmeurtmeurt » en chaleur…» en chaleur…» en chaleur…

Les unités physiques de l’énergieAu niveau planétaire, les chiffres deviennent très grands…

Et sur terre… c’est la profusion des unités !

Dans cet exposé, nous ne conserverons que :

- le kilowattheure : kWh

- la tonne équivalent pétrole : tep (Mtep, Gtep…)

équivalences : 1 kWh = 3,6 MJ 1 tep ≅ 11 600 kWh

L’unité du Système International : le joule (J)

1 kWh 1 cycle de lave-vaisselle

1 tep 20 000 km avec une petite voiture

Qu’est ce que la puissance ?

La puissance, c’est le débit d’énergie :

Exemple :Sachant que pour échauffer 200 litres d’eau de 40°C, il faut 9,3 kWhPour faire ce travail en 3 heures, il faut une puissance de 3,1 kW

en 1 heure --- 9,3 kW

t

WP =

P en watts (W) et W en joules (J)t en secondes (s)

Or, le coût du convertisseur d’énergie augmente avec sa puissance.

Pour effectuer une transformation énergétique plus vite, il faut plus de puissance.

Développement de l’humanitéDéveloppement de l’humanité

et ressources énergétiqueset ressources énergétiques

Source :PNUD (Programme des Nations Unies pour le Développement)

Croissance de la population humaine

?

1 million

10 millions

100 millions

1 milliard

10 milliards

- 100 000 - 10 000 - 1 000 1 000 10 000

1840

annéean 1

habitants2000

2050-2100

10 000 000 GW

an 1

1 GW

10 GW

100 GW

1000 GW

10 000 GW

- 100 000 - 10 000 - 1 000 1 000 10 000année

1840

100 000 GW

1000 000 GW

Puissance moyennerayonnée par le soleil

2000 ?

1 : 8000 1 : 1000 ?

Besoins métaboliques (nourriture) :2,5 kWh/j/personne

Corrélation à la consommation énergétique

Energie « commerciale » :1 ivoirien consomme : 3 kWh/j1 nord-américain : 300 kWh/j1 français : 150 kWh/j

Croissance de la consommation humaine mondiale d’énergie primaire

> 2 % / an

140 1012 kWh ≅ 12 Gtep

source : Agence Internationale de l ’Energie

Renouvelables :< 13 %

LE FEU à partir du bois ou d’huile : il a servi à presque tout.

LA FORCE ANIMALE (bœufs, chevaux, chiens...)

L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...)

LE VENT (pompes, moulins...)

Les ressources primitives d’énergie

Toutes renouvelables…

Durant, le 20ème siècle, prise de conscience planétaire :- nos ressources sont limitées, notamment celles en énergie - nous perturbons notre environnement

COMBUSTIBLES FOSSILEScharbon, pétrole, gaz naturel

Ressources « épuisables » (non renouvelables)

COMBUSTIBLES FISSILESuranium

Matières premières,ressources primaires

satisfont plus de 80% des besoins actuels

Pétrole, gaz, charbon, uranium… épuisés avant 2100

noyaunoyau

terreterre

2 Eh

Ressources renouvelables(chiffres annuels)

sole

ilso

leil 12 000 Eh

30%directement

ré-émis dans l’espace

lunelune

0,2 Eh

marées

45% : 6000 Eh

transformés en chaleurpuis rayonnés

25%convertis en

surface etdans l’atmosphère

Cycles hydrologiques

2000 Ehvents, houle : 200 Eh

Photosynthèse : 7 Eh

Valeur de référence : activités énergétiques humaines Eh ≅ 140.1012 kWh

manteaumanteau

Le potentiel global Le potentiel global Ressources RenouvelablesRessources Renouvelables«« interceptableinterceptable » à la surface du globe représente » à la surface du globe représente plus de 8000 fois la consommation humaineplus de 8000 fois la consommation humaine !!

Deux exemples :

0,1 % du rayonnement solaire =5 fois l’ensemble des besoins actuels

Energie éolienne exploitable : plusieurs fois la consommation électrique mondiale

Des ressources immenses, inépuisables à notre échelle,Des ressources immenses, inépuisables à notre échelle,mais peu concentrées et souvent intermittentesmais peu concentrées et souvent intermittentes

Activités énergétiques :Activités énergétiques :un très fort impact économique, un très fort impact économique,

politique et environnementalpolitique et environnemental

La planète TERRE La planète TERRE n’est pas sans limites !n’est pas sans limites !

Les cours des matières premières énergétiques fluctuent et affectent économie et stabilité politique…

Le cours de l’uranium :également instable

source : banque Scotia

Base de calculde prévision de coût EPR

en 2003

14 juillet 2007

Les activités énergétiques sont parmi les plus coûteuses pour l’environnement

Limite :11 milliards d’hectares

biologiquement productifs

Impact desactivités

énergétiques > 50% !

Empreinte écologique de l’ensemble des activités humaines

dus à la combustion des produits carbonés

Pour produire 1 kWh électrique20 litres d’eau chaude (+40°C)

- charbon classique : 1 kg de CO2- gaz cycle combiné : 0,38 kg de CO2

Pour parcourir 10 km en voiture : entre 1 et 2 kg de CO2

Matsuno_Japan

Rejets de gaz à effet de serre

La combustion de 1 kg de carbone dégage 3,6 kg de CO2

Consommation de carburants fossiles

Teneur en CO2 dans l’atmosphère

an 1

500 GW

10 000 GW

- 100 000 - 10 000 - 1 000 1 000 10 000année

1850

2000

2100

Comment la nature va-t-elle réguler une aussi violente perturbation ??

Dans le passé la concentration de CO2 a déjà varié, mais aujourd’hui, elle dépasse l’amplitude des cycles des 400 000 dernières années…

SOURCE : « métaphore de l’allumette », P. CREOLA, « Space and the Fate of Humanity », Symp. Space of service to Humanity, 5-7 feb. 96, Strasbourg., pp.3-14.

En à peine plus de 200 ans, nous aurons rejeté dans l’atmosphèrele carbone que la nature avait mis 600 millions d’années à piéger…

en ppm

CO2 : le passé…. et le futur ?

Alors, que faire ?Alors, que faire ?

Selon les secteurs consommateurs d’énergie :des problèmes et des solutions différentes

1- Economies : conception, rénovation, comportements…

Transports

Habitat

Industrie

Tertiaire

2- Nouvelles ressources : renouvelables

3- Recyclage total des matières premières

L’énergie la moins chère et la moins polluante :celle qu’on ne consomme pas !

Un habitat mieux isolé et avec des systèmes de chauffage plus efficaces

Des appareils électriques plus efficaces :- dans l’habitat, un potentiel très élevé d’économies- hors chauffage, potentiel de baisse de 40%avec des appareils plus économes (éclairage, froid…)

Des véhicules à rendement amélioré et moins lourdset une conduite responsable…

Economies = baisse des rejets de CO2 et de déchets nucléaires

Le potentiel d’économie d’énergie est colossal et peut générer une nouvelle économie plus saine

Quelles ressources énergétiques ?

Transports : toujours des carburants, mais plus propres(agrocarburants ??), dans des voitures électriques

Habitat et tertiaire : bioclimatique énergie solaire pour le confort thermique et l’électricité

Une beaucoup plus grande part pour les renouvelables

dans les usages thermiques, électriques et les transports

pour atteindre progressivement 100%

L’hydrogène : combustible propre par excellence

Pour faire de l’électricité, la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire et l’hydrogène... ?

Théoriquement propre et inépuisable…

Mais encore très incertaine : difficultés immenses+ déchets, ressources épuisables… pour 2100 ??

à condition qu’il soit produit à partir de sources renouvelablesIl constituerait un carburant pour les transportsremplacerait le gaz naturel et deviendrait

le vecteur complémentaire de l’électricitéPeut-être à partir de 2050 ?

Alors, peut-être des chimères ??

L’utilisation des ressources renouvelables de façon décentralisée génère :

- une nouvelle économie

- des emplois locaux (installations, maintenance, renouvellement…),

- une plus grande sécurité d’approvisionnement

pour une civilisation durable

- de réelles possibilités d’accès à l’énergie pour les pays en voie de développement

- une plus grande stabilité politique mondiale

TravauxTravaux de recherche de l’équipede recherche de l’équipe

Quelques contributions Quelques contributions au développement durable au développement durable en matière énergétiqueen matière énergétique

Traitement de l’intermittence dans la production d’électricité

d’origine renouvelable et fluctuante

L’intermittence de la production d’électricité : un problème majeur pour exploiter massivement

les ressources renouvelables : vent, soleil, houle…

parce que : stockage de l’énergie électrique coûteuxstructure de tout le système électrique fondée

sur le courant alternatif et les réseaux

Travaux sur le stockage par volants d’inertie

Travaux sur la gestion optimale de l’énergie sur cycle de vie

Modélisations, optimisations, conception, expérimentation…

168 169 170 171 172 173 1740

200

400

600

800

1000

Jour de l’année

Ens

olei

llem

ent (

W/m

²)

Nouveaux systèmes de conversiondes ressources renouvelables

Houlogénérateur : système SEAREV

Un système complexe dont il faut optimiser simultanémentle dimensionnement et le contrôle

1000 tonnes déplacéesVolant de 400 tonnes

Récupération de l’énergie humaine

L’être humain constitue une source d’énergie… renouvelabledont les caractéristiques permettent d’envisager

d’alimenter des petits appareils électroniques

Boîtier solidaire de la hanche

ceinture

masselotteaimantée

Boîtier solidaire de la hanche

ceinture

masselotteaimantée

Energie mécanique, prélèvement lors de la marche :

Environ 100 mW

Chaleur dégagée par la peau :

Générateurélectromagnétique

Générateurthermoélectrique

Quelques microwatts par cm²…

Le corps humain dissipe en continu environ 100 W mais difficile transformation chaleur -> électricité …

Modélisations, expérimentation, conception… Eco-conception

Conclusion…Conclusion…

21ème siècle : Sur la terre, on ne manque pas d’énergie, mais il faut des idées…

… et le courage (politique) de prendre vite de bonnes décisions

car les changements dans le domaine énergétique demandent du tempset ne sont pas sans conséquences...

1973 : « En France, on n’a pas de pétrole mais on a des idées !

ou

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