Énergie : un problème ?! des solutions…
TRANSCRIPT
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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