L'énergie de demain
Techniques - Environnement - Économie
EDP Sciences
Préface
7
Première partie - Problématique générale
1 - Introduction
11
2 - Les multiples visages de l'énergie
13
Roger Balian
2.1. Conséquences énergétiques des principes fondamentaux
14
2.1.1. Premier principe14
2.1.2. Deuxième principe17
2.1.3. Principes de la thermodynamique hors équilibre22
2.1.4. Hiérarchie des énergies25
2.2. Comparaisons
29
2.2.1. Concentration29
2.2.2. Dégradation31
2.2.3. Stockage33
Annexe - L'élaboration du concept d'énergie
34
Energie mécanique35
Premières études sur la chaleur36
Naissance de la thermodynamique37
La thermodynamique des processus irréversibles39
L'apport de la physique statistique40
L'apport de la mécanique quantique, de la relativité
et de la physique des particules42
Références
46
3 - La consommation des sources d'énergie :
utilisations finales, efficacité et productivité
47
Jean-Marie Martin-Amouroux
3.1. Les chaînes de conversion : des sources d'énergie primaires
à la satisfaction des services énergétiques
49
3.1.1. De la consommation primaire à la consommation finale50
3.1.2. De la consommation finale aux services énergétiques52
3.1.3. Efficacité énergétique et exergétique, constatée et potentielle53
3.1.4. Le confort thermique57
3.1.5. La fabrication des matériaux59
3.1.6. Le transport des hommes et des marchandises62
3.1.7. Force motrice fixe, éclairage, réfrigération et traitement de l'information64
3.2. De l'efficacité à la productivité de l'énergie
67
3.2.1. La signification de l'intensité énergétique67
3.2.2. L'évolution passée de l'intensité énergétique69
3.3. L'influence de l'intensité énergétique sur l'évolution
de la consommation mondiale d'énergie au cours des prochaines décennies
72
3.3.1. Trois scénarios de consommation à l'horizon 205072
3.3.2. Croissances démographique et économique74
3.3.3. L'élévation de l'efficacité énergétique74
3.3.4. Vers une dématérialisation du PIB ?75
3.4. Conclusion
76
Annexe - Evolution de la consommation mondiale 1800-2000
des sources d'énergie (en Mtep)
77
Références
78
4 - Les scénarios d'évolution des structures énergétiques jusqu'en 2050
81
Hervé Nifenecker
4.1. Introduction
81
4.2. Les mesures de l'énergie
82
4.2.1. Energie finale84
4.2.2. Energie primaire84
4.3. Evolution de la consommation depuis 1973
86
4.4. Evolution de la production depuis 1973
87
4.5. Evolutions démographiques
88
4.6. Les scénarios du futur
93
4.6.1. Evolutions démographiques93
4.6.2. Estimation des Produits Intérieurs Bruts99
4.6.3. Les intensités énergétiques100
4.6.4. L'intensité d'émission de gaz carbonique102
4.6.5. Les sous-scénarios de l'IIASA103
4.6.6. Critique des scénarios de l'IIASA105
4.6.7. Variantes «nucléaires» des scénarios IIASA106
4.7. Conclusion
108
Annexe I - Tableau officiel des contenus énergétiques
109
Annexe II - Un exemple de modèle démographique
109
Références
111
Deuxième partie - Production d'énergie et climat
5 - Le réchauffement climatique : problématique générale
115
Jean-Louis Bobin
5.1. Quand l'histoire est au congélateur
116
5.1.1. Histoire des températures116
5.1.2. Histoire des concentrations de gaz à effet de serre119
5.2. Le cycle du carbone
121
5.3. Gaz à effet de serre d'origine anthropique
123
5.4. Sur la bonne voie mais...
127
5.5. La menace d'un réchauffement global
129
5.6. Comment réagir ?
134
Références
137
6 - La modélisation du système climatique
et de sa réponse à une augmentation de l'effet de serre
139
Laurent Li
6.1. Définition de l'effet de serre
140
6.2. Variation du climat au cours du temps géologique
143
6.3. Perturbation anthropique sur l'effet de serre
145
6.4. Modélisation du climat et projection vers le futur
147
6.5. Conclusion
150
Bibliographie
151
Troisième partie - Les combustibles fossiles
7 - Quel avenir pour les combustibles fossiles ?
155
Bernard Tissot
7.1. Le rôle prédominant des combustibles fossiles
dans nos sources d'énergie primaire
156
7.2. Un avenir incertain
157
7.3. La recherche scientifique permettra-t-elle de reculer ces limites ?
158
7.4. Accroissement des réserves
158
7.5. Amélioration du taux de récupération des gisements
160
7.6. La mobilisation des ressources non-conventionnelles de pétrole
163
7.7. Les ressources effectivement mobilisables
165
7.8. Conclusion
166
Références
167
8 - L'état des réserves des combustibles fossiles
169
Jean Laherrère
8.1. Unités
170
8.2. Incertitude sur les réserves
171
8.3. Fiabilité des réserves publiées
174
8.4. Modélisation de la production future
175
8.4.1. Utilisation uniquement des données de production annuelle175
8.4.2. Utilisation des données de production et de découverte annuelles176
8.5. Production future des combustibles fossiles
179
8.5.1. Le charbon179
8.5.2. Combustibles fossiles : charbon + pétrole + gaz183
8.6. Comparaison des productions mondiales énergétiques par source
184
8.7. Prévision de consommation mondiale d'énergie par habitant
189
8.8. R/P = réserves restantes/production annuelle
191
8.9. Hydrocarbures non-conventionnels
192
8.10. Impact de la technologie
198
8.11. Impact des prix
201
8.12. Croissance des réserves
202
8.13. Conclusion
203
Bibliographie
203
9 - Le charbon
205
Jean Teissié, Diego de Bourgues & François Bautin
9.1. Introduction
205
9.2. Origine du charbon
206
9.3. Composition
207
9.3.1. Les minéraux207
9.3.2. La matière organique207
9.3.3. L'eau208
9.3.4. Les volatiles208
9.4. Pouvoir calorifique
208
9.5. Classification
209
9.6. Ressources
210
9.7. Réserves
211
9.8. Production
214
9.8.1. Le marché international216
9.9. Consommation
216
9.9.1. Prix de revient219
9.9.2. Prix de vente221
9.10. Sécurité
224
9.10.1. Le grisou224
9.10.2. Silicose226
9.11. Les rejets dans l'environnement
226
9.11.1. Les rejets solides226
9.11.2. Les rejets gazeux : méthane, CO2, NOx et SO2227
9.12. Les centrales thermiques à charbon
230
9.12.1. Les différentes technologies231
9.12.2. Conclusion sur les centrales234
9.13. Solutions alternatives
235
Bibliographie
236
10 - Le principe du stockage de gaz en cavités creusées dans le sel
237
Gérard Durup
10.1. Le halite et les formations salifères
238
10.1.1. Généralités géologiques238
10.1.2. Caractéristiques spécifiques pour le stockage238
10.2. Le creusement des cavités
239
10.2.1. Le forage et les essais d'étanchéité239
10.2.2. La dissolution239
10.3. Mise en gaz et exploitation du stockage
241
10.3.1. La complétion241
10.3.2. La première mise en gaz241
10.3.3. Principes d'exploitation242
10.4. Performances des cavités
243
10.4.1. Equation d'état du gaz243
10.4.2. Thermodynamique de l'exploitation par compression/détente243
10.4.3. Stock de gaz en cavité (S)244
10.4.4. Débit d'émission (Q)245
10.4.5. Grandeurs principales de la performance : P, S et Q246
10.5. Stabilité et dimensionnement des cavités
246
10.5.1. Rupture de l'équilibre naturel246
10.5.2. La loi rhéologique du sel247
10.5.3. Les études de stabilité248
10.6. Etapes et coût de la réalisation d'un stockage de gaz dans le sel
249
10.6.1. Equipements généraux pour le lessivage249
10.6.2. Démarches administratives249
10.6.3. Dépenses spécifiques au creusement d'une cavité249
10.6.4. Dépenses d'équipement gaz250
10.6.5. Indicateur économique d'investissement250
10.7. Bref historique et place du stockage de gaz naturel
en cavités creusées dans le sel
250
Bibliographie
251
11 - Les effets sanitaires des combustibles fossiles
253
Hervé Nifenecker
11.1. Les guerres de l'énergie
253
11.2. Risques sanitaires comportementaux et environnementaux
255
11.3. Les risques de production, de transport et de distribution
264
11.3.1. La production et le transport du pétrole et du gaz264
11.3.2. L'extraction du charbon266
11.3.3. Les accidents domestiques266
11.4. Risques dus à la pollution atmosphérique
267
11.4.1. Les composants de la pollution atmosphérique268
11.5. Effets sanitaires de la pollution atmosphérique
271
11.5.1. Les troubles aigus272
11.5.2. Les troubles chroniques273
Quatrième partie - Les énergies renouvelables
12 - L'énergie hydraulique
279
Pierre Bacher & Bernard Tardieu
12.1. Introduction
279
12.2. Les différents types d'ouvrages hydrauliques
280
12.2.1. Les bassins versants et le stockage naturel de l'eau280
12.2.2. Les différents types d'aménagements hydrauliques281
12.3. La grande hydraulique
283
12.3.1. Situation en 2000283
12.3.2. Avantages et inconvénients283
12.3.3. Grande hydraulique et risques industriels285
12.3.4. Grande hydraulique et réseau de transport d'électricité286
12.3.5. Economie287
12.3.6. Potentiel et perspectives de développement288
12.4. La petite hydraulique
288
12.4.1. Situation en 2000289
12.4.2. Avantages et inconvénients290
12.4.3. Petite hydraulique : une production décentralisée290
12.4.4. Perspectives de développement291
12.5. Conclusion
293
Bibliographie
294
13 - La valorisation énergétique de la biomasse
295
Gérard Claudet
13.1. Les enjeux
296
13.2. Le potentiel de la biomasse
296
13.3. Les filières de valorisation énergétique de la biomasse
300
13.3.1. La combustion, source de chaleur ou de cogénération301
13.3.2. La méthanisation, source de biogaz304
13.3.3. Les biocarburants307
13.3.4. La filière thermochimique de gazéification310
13.4. Conclusion
316
Références
317
14 - La géothermie
319
Daniel Madet
14.1. Principaux types de ressources géothermiques
320
14.2. Aperçu des techniques d'exploitation
321
14.3. La place de l'énergie géothermique
321
14.3.1. Données économiques321
14.3.2. Impact environnemental322
14.3.3. Situation actuelle dans le monde322
14.3.4. Perspectives d'évolution322
14.4. Eléments de méthode pour des comparaisons et applications
322
Bibliographie
324
15 - La physique des éoliennes
325
Hervé Nifenecker
15.1. Puissance du vent
325
15.1.1. Puissance maximale récupérable, loi de Betz325
15.2. Physique des pales
326
15.2.1. Définition des forces agissant sur les pales326
15.2.2. Cas de la pale en mouvement328
15.2.3. Condition d'équilibre330
15.2.4. Rendement optimal de pale331
15.2.5. Forme optimale des pales331
15.3. L'éolienne
332
15.3.1. De la pale à l'éolienne332
15.3.2. Choix des caractéristiques d'une éolienne333
15.3.3. Puissances instantanée, nominale et moyenne335
15.3.4. De la puissance du vent à la puissance électrique336
15.4. Les parcs d'éoliennes
338
15.4.1. Disposition des éoliennes d'un parc338
15.4.2. Localisation du parc339
15.5. La gestion des parc d'éoliennes
341
16 - Les aspects technico-économiques du développement de l'éolien
dans le contexte énergétique français et européen
343
Jean-Marc Agator
16.1. La montée en puissance de l'éolien
343
16.2. Les défis de l'éolien offshore
344
16.3. Les évolutions technologiques majeures
345
16.4. L'émergence de l'industrie éolienne française
346
16.5. L'avenir de l'éolien en France
347
Annexe I - Le marché mondial pourrait être tiré par l'offshore
349
Annexe II - Le coût du programme français
350
17 - Le photovoltaïque : les filières, les marchés, les perspectives
351
Patrick Jourde
17.1. Introduction : l'énergie solaire
351
17.2. Le principe et les filières du photovoltaïque
353
17.2.1. L'effet photovoltaïque353
17.2.2. Les filières354
17.2.3. L'industrie356
17.2.4. La baisse des prix des modules358
17.2.5. De la cellule au système : les composants et le dimensionnement359
17.2.6. Le stockage360
17.3. Les applications, les marchés
362
17.3.1. L'historique362
17.3.2. Deux marchés principaux pour des applications très variées363
17.3.3. Le marché des pays en développement363
17.3.4. Les toits photovoltaïques365
17.4. Bilan et perspectives
367
17.4.1. Les points forts du photovoltaïque367
17.4.2. Les points faibles367
17.4.3. Les marchés potentiels368
17.4.4. Un problème complexe : les mécanismes financiers368
17.4.5. Perspectives lointaines369
17.5. Conclusions
369
18 - Le solaire thermodynamique
371
Bruno Rivoire
18.1. Introduction
371
18.2. Les aspects techniques
373
18.2.1. La concentration373
18.2.2. La réception du rayonnement380
18.2.3. Le transport et le stockage de la chaleur385
18.2.4. La transformation thermo-électrique de l'énergie récoltée389
18.3. Gisement et impact environnemental
392
18.4. Le résultat des expériences et les perspectives
393
18.4.1. Une expérience avérée : celle des centrales Luz394
18.4.2. Une formule prometteuse : celle des centrales à tour à sel fondu395
18.4.3. Un domaine encore à défricher : celui de la filière parabolique397
18.4.4. Perspectives de la recherche398
18.5. Conclusion
399
Références
400
Cinquième partie - L'énergie nucléaire
19 - L'énergie de fission
403
Roger Brissot
19.1. Introduction
403
19.2. Physique de base - Eléments de neutronique
404
19.2.1. Noyaux fissiles, noyaux fertiles404
19.2.2. Réaction en chaîne405
19.2.3. Eléments de cinétique406
19.2.4. Eléments de sûreté407
19.3. Les filières existantes
408
19.3.1. Les systèmes à neutrons lents408
19.3.2. Les systèmes à neutrons rapides - RNR411
19.4. Les réacteurs dans le monde
411
19.5. La gestion du cycle du combustible
412
19.5.1. Production d'uranium413
19.5.2. Les produits de fission414
19.5.3. La production d'éléments transuraniens415
19.6. La gestion de l'aval du cycle
416
19.6.1. Retraitement du combustible416
19.6.2. Utilisation des ressources naturelles
et gestion des combustibles irradiés416
19.7. Transmutation et incinération
417
19.7.1. Transmutation des produits de fission418
19.7.2. Incinération des actinides418
19.8. Le futur du nucléaire, nouvelles filières, nouveaux combustibles
420
19.8.1. Le choix du cycle : uranium-plutonium ou thorium-uranium ?421
19.8.2. Les réacteurs surrégénérateurs à spectre rapide - RNR422
19.8.3. Les réacteurs surrégénérateurs à spectre thermique - RSF422
19.8.4. Les systèmes sous-critiques pilotés par accélérateur
Réacteurs hybrides424
19.8.5. Comparaison des performances426
19.9. Conclusion
427
Références
427
20 - Le stockage des déchets nucléaires en site profond
429
Hervé Nifenecker & Gérald Ouzounian
20.1. Modèle de site de stockage souterrain
430
20.2. Principes de la diffusion des radioéléments dans les couches géologiques
431
20.2.1. Modèle physique de la diffusion dans la couche d'argile432
20.2.2. Solution schématique du problème de diffusion
à travers la couche d'argile433
20.2.3. Détermination de la dose délivrée à la population435
20.2.4. Quelques exemples de détermination de doses436
20.2.5. Exemple de calcul complet de dose à l'exutoire437
20.2.6. Cas d'une intrusion accidentelle439
20.3. Production de chaleur et dimensionnement du site
441
20.3.1. Détermination schématique de la distribution de température
dans la couche442
20.3.2. Exemples442
20.4. Prise en compte de l'aléa géologique
443
20.5. Pourquoi un laboratoire souterrain ?
444
20.6. Conclusion
445
Références
447
21 - La fusion contrôlée, espoirs et déconvenues
449
Jean-Louis Bobin
21.1. Introduction
449
21.2. Fusion des noyaux légers
450
21.3. La Nature et les décideurs
453
21.4. Chaudron magnétique ou micro «big-bang» ?
455
21.5. 30 années de «pensée(s) unique(s)» : is big beautiful ?
456
21.6. Succès, certitudes et incertitudes
461
Bibliographie
463
22 - Les effets sanitaires des radiations
465
Roland Masse
22.1. Introduction
465
22.1.1. Ordres de grandeur465
22.1.2. Connaissance des effets pathogènes des rayonnements ionisants467
22.2. Conséquences médicales et sanitaires
468
22.2.1. Effets aigus468
22.2.2. Effets retardés : conséquences sanitaires des surexpositions470
22.3. Faibles doses
473
22.3.1. Absence d'effets des faibles débits de dose473
22.3.2. Les cancers attribués aux faibles doses résultent d'extrapolations474
22.3.3. Mécanismes d'action, spécificité des faibles doses476
22.4. Accidents d'irradiation, accidents nucléaires
481
22.4.1. Accidents481
22.4.2. Accidents et maladies professionnelles483
22.4.3. Accidents nucléaires : Tchernobyl485
22.5. Impact sanitaire de l'industrie nucléaire
491
Références
493
Sixième partie - Le stockage de l'énergie
23 - La production et le stockage électrochimiques de l'énergie électrique
499
Jean-François Fauvarque
23.1. Historique
499
23.2. Caractéristiques générales
501
23.3. Constitution
501
23.4. Force électromotrice
503
23.4.1. Capacité504
23.4.2. Puissance505
23.5. Cyclabilité
506
23.5.1. Les piles à combustible (0,6 à 0,8 V par élément)507
23.5.2. Systèmes rédox508
23.6. Conclusion
509
24 - Les piles à combustible
511
Thierry Alleau
24.1. Un peu d'histoire
511
24.2. Le principe de fonctionnement
512
24.3. De la cellule au module
514
24.4. Les différents types de piles à combustible
514
24.5. L'état d'avancement des filières de piles à combustible
516
24.6. Le problème du combustible
520
24.7. Les grands domaines d'applications de la pile à combustible
521
24.7.1. Le portable521
24.7.2. Le transport522
24.7.3. Le stationnaire525
24.8. La production collective et industrielle
526
24.9. La production individuelle
527
Références
528
25 - Le vecteur d'énergie «hydrogène»
529
Thierry Alleau & Michel Rostaing
25.1. Environnement et ressources énergétiques : deux préoccupations majeures
529
25.2. Quelles sont les perspectives de consommations vers 2050 ?
530
25.3. Quels vecteurs d'énergie dans l'avenir ?
531
25.4. L'hydrogène
532
25.4.1. Le marché actuel et les perspectives de production de l'hydrogène533
25.4.2. Quelles perspectives pour le coût de l'hydrogène ?534
25.4.3. Quels sont les freins actuels au développement, en France,
de l'hydrogène ?535
25.4.4. Quelles sources d'énergie pour la production d'hydrogène ?536
25.4.5. Quelles solutions pour le transport de l'hydrogène ?540
25.4.6. Quelles solutions pour le stockage ?540
25.4.7. Quelle solution pour la distribution de l'hydrogène ?542
25.4.8. Quelles solutions pour la conversion de l'hydrogène ?542
25.4.9. Quels domaines d'applications pour l'hydrogène ?543
25.4.10. Quels risques avec l'hydrogène ?544
25.4.11. Quelle transition vers l'économie de l'hydrogène ?545
25.4.12. Quels sont les acteurs de l'hydrogène ?546
25.5. Conclusions
547
Bibliographie
548
Septième partie - L'économie de l'énergie
26 - L'économie de l'énergie
551
Denis Babusiaux
26.1. La demande
551
26.2. L'offre et ses déterminants
553
26.2.1. L'estimation des réserves de pétrole553
26.2.2. Localisation des réserves et production554
26.2.3. L'offre de produits raffinés555
26.2.4. L'offre d'électricité555
26.3. Les marchés (régionaux) des énergies de réseaux
556
26.3.1. Le gaz naturel aux Etats-Unis557
26.3.2. L'électricité aux Etats-Unis557
26.3.3. L'électricité en Europe557
26.3.4. Le gaz naturel en Europe558
26.4. Les marchés internationaux
558
26.5. Energie et environnement
560
26.6. Stratégie des entreprises
561
Bibliographie
562
27 - Les prix et les coûts des sources d'énergie
563
Jean-Marie Martin-Amouroux
27.1. Introduction
563
27.2. D'indispensables définitions
564
27.2.1. Les prix564
27.2.2. Les coûts565
27.2.3. Relations entre coûts et prix567
27.3. Les coûts de production des sources fossiles
569
27.3.1. Pétrole570
27.3.2. Gaz naturel572
27.3.3. Charbon minéral573
27.4. Les coûts de production des carburants
575
27.5. Les coûts de production de l'électricité
576
27.5.1. Les coûts des grandes filières thermiques576
27.5.2. Les coûts des autres filières578
27.6. Introduction des externalités et essai de comparaison
579
27.7. Conclusion
581
Références
582
28 - Les coûts externes de l'électricité
583
Ari Rabl & Joseph Spadaro
28.1. Introduction
584
28.2. Méthodologie
585
28.2.1. Dispersion atmosphérique586
28.2.2. Les impacts sur la santé586
28.2.3. L'évaluation monétaire589
28.3. Les coûts par kilogramme de polluant
590
28.4. Les coûts des dommages par kilowattheure
593
28.4.1. Les centrales à combustibles fossiles593
28.4.2. Les centrales nucléaires594
28.4.3. Les énergies renouvelables596
28.5. Autres considérations
598
28.5.1. Comparaisons des risques de mortalité598
28.5.2. Les problèmes du nucléaire600
28.6. Conclusion
602
Bibliographie
603
Conclusion
607