Energies renouvelables

Eléments de base sur l’énergie au 21è siècle
Jean-Marc Jancovici - ENSMP 2010
Partie 7 - Eole, au secours ?
Jean-Marc Jancovici - Mines Paris Tech mai-juin 2010 - www.manicore.com

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Qu’est-ce qu’une énergie renouvelable ?
Une énergie renouvelable est tout simplement… une source d’énergie
qui se renouvelle plus vite, ou aussi vite, que son utilisation par notre
espèce :
La biomasse, et tous ses dérivés (agro-carburants, biogaz, etc),
dans la limite de ce qui a poussé dans l’année
L’hydroélectricité, le cycle de l’eau se chargeant de remonter
en altitude (précipitations+ruissellement) l’eau qui a été
turbinée
Le rayonnement solaire, certes épuisable en 5 milliards
d’années !
Le vent
Ces énergies ne sont équivalentes ni en potentiel, ni en rendement, ni
en coût, ni en usages…
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Qu’est-ce qu’une énergie renouvelable ? (bis)
Il arrive que l’on mette dans les énergies renouvelables des « fausses
renouvelables » :
L’exploitation thermique des déchets, y compris le plastique (pas très
renouvelable) qui en fait partie
La géothermie, qui porte surtout sur l’exploitation du stock de chaleur
accumulée (gigantesque) et non sur le flux annuel (très faible)
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Une énergie renouvelable peut ne pas se renouveler

Couverture forestière de l’Europe à différentes époques
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Le verre à moitié plein : quelle abondance !
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Le verre à moitié vide : 15% de l’énergie mondiale seulement
≈ 9% total mondial
≈ 5,5% total mondial
≈ 0,42% total
mondial
≈ 0,45% total
≈ 0,35% total
mondial
mondial
≈ 0,02% total
mondial
Contribution des énergies renouvelables au bilan énergétique mondial en 2008. Toutes
les sources purement électriques sont en équivalent primaire. Compilation de l’auteur.
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Quid de notre chauvinisme renouvelable ?
Production d’énergie renouvelable en France depuis 1970, en Mtep.
Source : MEDDMM, SOeS, décembre 2009
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Quid de notre chauvinisme renouvelable ? (bis)
90 millions de
tonnes de vrai
pétrole !
≈ 120 Mtep
d’électricité
primaire
Production d’énergie renouvelable en France en 2006, en Mtep. La
consommation nationale d’énergie primaire est d’un peu moins de 280
Mtep.
Source : Observatoire de l’Énergie
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Le soleil en direct : un flux considérable… et très faible
Environ 200 Watts par m2 en moyenne annuelle et géographique au niveau du
sol : le flux solaire « exploitable » représente environ 3,2 1024 joules par an,
soit 7.000 fois l’énergie consommée par l’humanité ! (11 Gtep/an)
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Le soleil en direct : un flux considérable… et très faible (bis)
Energie incidente en France en kWh/m2.an. Avec un rendement de 30%, une
installation bien placée de 1 m2 = 400 à 500 kWh/m2.an, soit 1% de l’énergie
consommée par an et par Français.
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Exploitation N° 1 : douches, bains et radiateurs
Eau chaude
Ballon
d'eau chaude
solaire
Capteurs solaires
Eau froide
Pompe de
Régulateur
circulation
Plancher chauffant
basse température
Schéma de principe d’une installation pour capter l’énergie sous forme
thermique. Rendements >30%
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Exploitation N° 2 : néons et télévisions
Schéma de principe d’une installation pour capter l’énergie sous forme
électrique. 1 m2 de panneau = 100 à 150 kWh/m2.an
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Le solaire, zéro CO ?
2
Très dépendant du contenu en CO2 de
l’électricité du pays de fabrication
Émissions de CO2 par kWh électrique selon les modes et les études.
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Exploitation N° 3 : je concentre très fort
Divers dessins de centrales solaires à concentration
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Le solaire à concentration, avenir des échanges ?
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Concentrer le solaire, plus fort que concentrer l’eau
Surface nécessaire pour obtenir
avec l’énergie solaire la même
énergie annuelle que le barrage
d’Assouan (efficacité globale 10%)
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Différence photovoltaïque - concentration
Photovoltaïque = production en bout de
réseau <-> concentration = production en
tête de réseau
Or ∑ pointes locales = 5 à 10 fois ∑ pointe
globale
Passer d’un mode centralisé à un mode
décentralisé de la production électrique =
investissements x 5 à 10
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L’hydroélectricité commence par cela…
Cycle de l’eau et principales grandeurs. Energie mise en œuvre ≈ 2000 fois la
consommation de l’humanité.
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Puis continue par ici
E = mghr (r =
rendement de la
turbine, 0,7 à 0,8
en général)
Schéma de principe d’une production à partir d’un lac de retenue.
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Le calcul « théorique »
reliefs
Volumes d’eau
E = mgh
E = mghr
retenus max
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Quid de l’hydroélectricité ?




80000
70000
60000
50000
Turbinage
Lacs
MW
Eclusées
e enc 40000
Classique
an
Nucléaire
issu
Autoproduction
P 30000
Fil de l'eau
20000
10000
0
Co
1 ntrib
13 ution
25 de c
37 haqu
49
e m
61 oyen
73 de p
85 rodu
97 ction
109 à l’a
121 lime
133ntatio
145 n du
157 réseau en
France sur u
H n
eur e sem
es
aine d’hiver.
Source : EDF
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Quid de l’hydroélectricité ?
Part de l’hydroélectricité dans la production électrique par pays en 2008.
Source : BP Statistical Review, 2009
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Quid de l’hydroélectricité ?
Nombre de barrages construits par décennie, Europe (à gauche) et Asie (à
droite).
Source : World Commission on Dams, 2000
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Quid de l’hydroélectricité ?
Potentiel hydroélectrique et production des barrages déjà installés par zone.
Source : Aqua Media International, 2007
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Quid de l’hydroélectricité ?
Potentiel hydroélectrique dans les pays d’Asie (hors Chine) et barrages déjà
installés.
Source : World Commission on Dams, 2000
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La photosynthèse, seule manière de réduire le carbone oxydé
Photosynthèse : 120 GtC brut, 60 net, soit ~50 Gtep d’énergie (≈ 5 fois la consommation
d’énergie de l’humanité). -> Rendement de 0,5% environ.
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Ensuite, il y a N manières de s’en servir
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Le plus simple : brûler ce que l’on trouve
Energie finale > 8,6 Mtep en 2004
85 % chaleur maisons
individuelles principales
(7,3Mtep)
13% chaleur dans l’industrie
bois/papier (1,17Mtep)
2 % chaleur dans le
collectif/tertiaire avec ou
sans réseau de chaleur
(0,17Mtep)
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Ah, sainte voiture, comment te conserver ?
Les deux grandes filières d’agrocarburants de première génération
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Comptons les économies, donc, mais comment ?
(m
(€EtOH )
EtOH )
GES
=
×GES
GES
=
(E
×GES
EtOH
EtOH )
EtOH
total
GEStotal
GES
= m
+ m
×
total
EtOH
€
+ Copr. GES
EtOH
€
total
EEtOH + ECopr.
EtOH
Copr.
Alimentation animale
Pulpes,
Drèches
Énergie
•
Prorata massique : affectation selon la masse des produits
•
Prorata énergétique : affectation selon le contenu énergétique
des produits
•
Prorata économique : affectation selon la valeur économique des
produits (e.g. le prix auquel le producteur peut les vendre)
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En masse, on a surtout autre chose que de l’éthanol
CULTURE
TRANSPORT
PREPARATION
FERMENTATION
DISTILLATION
DESHYDRATATION
eau d'hydrolyse de l'amidon
0,196 Kg
CO2
0,96 Kg
ˇ thanol anhydre
1 Kg
blˇ : 3,5 Kg soit 3,10 de MS
vinasses
paille: 3,5 Kg soit 3,20 de MS
1,33 Kg
paille
3,20 Kg de MS
Vue d’ensemble du bilan de masse de la production d’éthanol de blé. Source
Patrick Sadones, EDEN
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Plus facile en comptant les gains ?
GES
GES
= GES
− GES
total
EtOH
total
évité
Pulpes,
Alimentation animale
Drèches
Substitution
GESévité
des
coproduits
Trituration
Tourteaux de soja
Alimentation animale
Soja
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Là comme ailleurs, le résultat dépend de la méthode…
Prorata massique


Subst ˇ nergie



Prorata ˇ nergˇ tique
Subst alimentation
animale
Prorata ˇ conomique









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A l’origine, toujours la même histoire : la photosynthèse
Insolation moyenne en France : 1200 à
1700 kWh/m2.an
0,5% de rendement là-dessus
Photosynthèse = 1 500 (kWh/m2.an) x 10 000
(m2 par ha) x 0,5% (rendement) ÷ 11 600 (kWh
par tep) = 6,5 tep brut (soit environ 13 à 15 t
de matière sèche par hectare et par an).
En substitut au chauffage : 3 à 4 tep net
En substitut aux carburants : 1 tep net dans les très bons cas de figure (en
France), 0 dans les mauvais ; 3 tep net au Brésil… si pas de déforestation.
La France = 50 M d’ha de surface métropolitaine ; consomme 90 Mt de
pétrole…
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Le chauffage par le sol, en somme
Zones plus ou moins propices à la géothermie. Flux géothermique annuel ≈ 2
fois la consommation de l’humanité.
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La géothermie profonde, comment ça marche ?

GPK2
25MW
25MW
GPK3
GPK4


Sédiments


1500m
Granite


5 0l/s
5 0l/s
10 0l/s
4250m
5000m 200°C
600m
Schéma de principe d’une installation destinée à produire de l’électricité avec
des roches chaudes fracturées
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La géothermie moins profonde, comment ça marche ?
Schéma de principe d’une installation destinée à exploiter de la chaleur pour
le chauffage urbain
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La géothermie pas profonde du tout, comment ça marche ?
Pompe à chaleur
Schéma de principe d’une installation destinée à exploiter de la chaleur pour
le chauffage individuel
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L’éolien commence par cela…
Principales circulations atmosphériques. Energie des vents & des courants ≈
25 à 30 fois la consommation d’énergie de l’humanité.
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…puis continue ici…
Puissance moyenne du vent selon les zones, en W pour un m2 de section
verticale prise à 50 m du sol (perpendiculairement au sens du vent). Source
ADEME
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Le vent, un caprice plus ou moins fréquent
Puissance moyenne du vent selon les zones, en W pour un m2 de section
verticale (perpendiculairement au sens du vent). Source ADEME
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Quel piège pour Eole ?
1985 : Ø 15 m 1995 : Ø 70 m 2005 : Ø 110 m
P = 50 kW
P = 1500 kW
P = 4000 kW
Puissance qui varie comme le cube de la vitesse
P = 1/2*masse*vitesse2 ÷temps
masse = volume*densité
volume = section*vitesse*temps
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Encore plus variable que les cours de la bourse
Puissance moyenne sur 10 minutes délivrée par une "ferme" éolienne de 10
MW de puissance nominale (située en Grande-Bretagne), au cours du mois de
janvier 1997
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Plus d’éolien = plus de pointe = plus de fossiles ?




80000
70000
60000
50000
Turbinage
Lacs
MW
Eclusées
e enc 40000
Classique
an
Nucléaire
issu
Autoproduction
P 30000
Fil de l'eau
20000
10000
0
Co
1 ntrib
13 ution
25 de c
37 haqu
49
e m
61 oyen
73 de p
85 rodu
97 ction
109 à l’a
121 lime
133ntatio
145 n du
157 réseau en
France sur u
H n
eur e sem
es
aine d’hiver.
Source : EDF
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Plus d’éolien = plus de pointe = plus de fossiles ?




80000
70000
60000
50000
Turbinage
Lacs
MW
Eclusées
e enc 40000
Classique
an
Nucléaire
issu
Autoproduction
P 30000
Fil de l'eau
20000
10000
0
Co
1 ntrib
13 ution
25 de c
37 haqu
49
e m
61 oyen
73 de p
85 rodu
97 ction
109 à l’a
121 lime
133ntatio
145 n du
157 réseau en
France sur u
H n
eur e sem
es
aine d’hiver.
Source : EDF
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Eolum und gazum
30
25
20
autres
15
éolien
gaz
charbon
10
nucléaire
5
hydraulique
0
échanges
Production espagnole le 01 janvier 2010 (avec communiqué de presse !) -
source https://demanda.ree.es/generacion_acumulada.html
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Eolum und gazum, suite
40
autres
35
éolien
30
25
gaz
20
15
charbon
10
nucléaire
5
hydraulique
0
échanges
Production espagnole le 18 janvier 2010 (sans communiqué de presse…) -
source https://demanda.ree.es/generacion_acumulada.html
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Eolum und gazum, suite
40
35
autres
30
25
éolien
20
gaz
15
charbon
10
nucléaire
5
hydraulique
0
échanges
Production espagnole le 20 janvier 2010 - source
https://demanda.ree.es/generacion_acumulada.html
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Eolum und gazum, suite
40
35
30
autres
25
gaz
20
éolien
15
charbon
10
nucléaire
5
hydraulique
0
Production espagnole le 22 janvier 2010 - source
https://demanda.ree.es/generacion_acumulada.html
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Eolum und gazum, suite
40
35
autres
30
25
éolien
20
gaz
15
10
charbon
nucléaire
5
hydraulique
0
échanges
Production espagnole le 19 août 2009 - source
https://demanda.ree.es/generacion_acumulada.html
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Une autre option…
40
35
autres
30
25
20
15
nucléaire
10
5
0
hydraulique
échanges
Ajout simulé de 15 GW de nucléaire, en remplacement de l’essentiel de
l’éolien et du gaz : gain d’environ 50 millions de tonnes de CO2, soit 11%
des émissions espagnoles
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Eolum tout seul
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Eolum tout seul, suite
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Attention à ne pas confondre les ordres de grandeur !
Puissance installée en Allemagne ~20 GWe ; une éolienne = 2 à 5 MWe ;
une tranche à charbon = 1000 MWe (1 GWe)
20 GW x 2000 heures utiles = 40 000 GWh = 40 TWh = 6% de l’électricité
consommée… qui a augmenté de 15% en 10 ans.
Vent = 6% de l’électricité en Allemagne ; hydro = 12% en France.
Au Danemark, l’électricité produite - totale - est passée de 46 à 36 TWh de
2003 à 2005… avant de repasser à 46 en 2006 !
Les communiqués de presse tombent quand l’éolien représente 40% de la
puissance appelée, mais un peu moins quand c’est le gaz qui s’en charge !
Un dispositif de production centralisé (le grand éolien est dans ce cas) est
relié au réseau THT : il n’y a pas plus de production locale que pour un
barrage ou une centrale nucléaire
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Passons de sur l’eau à sous l’eau
Un exemple d’hydrolienne
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Passons de sur l’eau à sous l’eau (bis)
Carte de la ressource
hydrolienne en Europe
(Vitesse maximale du courant
en cm/s). Rappelons que la
"'puissance" du courant est
proportionnel au cube de la
vitesse.
Source : Groupe de Travail
Énergies Alternatives
d'ECRIN
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Passons de sur l’eau à sous l’eau (ter)
Illustration de l’effet de « foisonnement » sur l’hydrolien
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Passons de sous l’eau à juste la surface
Un exemple de dispositif d’exploitation de l’énergie des vagues.
Puissance = 750 kW, soit… 1/2000ème d’une grosse centrale
électrique (et production fortement variable).
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Passons de profond sous l’eau à la surface
Zones propices à l’exploitation thermique des océans.
Refroidir l’océan de 1°C = 100.000 Gtep environ
20 °C de différence -> rendement mécanique maximal de 6,7%
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Parlons argent
Un baril de pétrole en sortie de puit à 10$ (coût d’exploration compris) : 0,4
centime le kWh
~ 2 centimes par kWh pour le gaz sur le marché de gros
3 à 4 centimes le kWh électrique nucléaire
~ 4 centimes le kWh électrique pour le charbon (hors coût du CO ).
2
Et puis…
Eolien 8 centimes par kWh (hors coût d’intermittence)
Photovoltaïque ~50 centimes par kWh
Solaire à concentration ~15 centimes par kWh
Une taxe carbone à 200 € t CO : +20 centimes par kWh électrique
2
pour le charbon, +10 pour le gaz
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Marée haute, marée basse, marée haute, marée basse…
Déplacement de l’onde de marée. Energie mise en œuvre ≈ 0,2 fois la
consommation d’énergie de l’humanité.
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Attention à ne pas confondre les ordres de grandeur !
Puissance installée en Allemagne ~20 GW ; une éolienne = 2 à 5 MW ;
une tranche à charbon = 1000 MWe
20 GW x 2000 heures utiles = 40 000 GWh = 40 TWh = 6% de l’électricité
consommée… qui a augmenté de 15% en 10 ans.
Vent = 6% de l’électricité en Allemagne ; hydro = 12% en France.
Au Danemark, l’électricité produite - totale - est passée de 46 à 36 TWh
de 2003 à 2005… avant de repasser à 46 en 2006 !
Un dispositif de production centralisé (le grand éolien est dans ce cas)
est relié au réseau THT : il n’y a pas plus de production locale que
pour un barrage ou une centrale nucléaire
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Je vous rappelle le cahier des charges
+ 4 à 5% par an
-1,5% par an
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Alors, peut-on utiliser des énergies renouvelables ?
-> 7000 Mtep ?? ≈ 20% des
terres émergées ?
+4% par an ≈ x 6 en 50 ans
-> 4000 Mtep ? Multiplication
par 6 des lacs ?
45 Mtep -> 7000 Mtep ?
??
?????
Contribution des énergies renouvelables au bilan énergétique mondial en 2008
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Quel taux de croissance… en récession ?
Taux de croissance annuel moyen, sur 50 ans, de la consommation mondiale pour les 3
principaux contributeurs actuels, selon l'année de fin de période. Exemple : les valeurs de
1960 représentent les taux de croissance annuel moyens du pétrole, du gaz et du charbon
pour la période 1910-1960. Les valeurs pour 1940 représentent les taux de croissance
annuel moyens du pétrole, du gaz et du charbon pour la période 1890-1940, etc.
Source : Jancovici, sur sources primaires Schilling et. al ; Agence Internationale de l'Energie
; BP Statistical Review
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Un peu moins de Devdjian et un peu plus de Borloo
Divisé par 3 en 41 ans
« Magic technique » N°2 : l’efficacité carbone de
l’énergie
10% de mieux en 35 ans
Gain de « seulement » 60% en 41 ans
+ 35% d’ici 2050
« Magic technique » N°1 : l’efficacité énergétique
30% de mieux en 35 ans
Pas de croissance
mondiale (PIB
constant), donc
PIB/5 pour la France
si convergence
Gain de 35% en 41 ans
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