Energie et Société 2023 PDF

Energies fossiles Energie et Société Bernard Ratier Le nucléaire XLIM – Axe RF-ELITE...

Energies fossiles Energie et Société Bernard Ratier Le nucléaire XLIM – Axe RF-ELITE Equipe Optoélectronique Plastique Tel : 05 87 50 67 44 [email protected] ITER Ressources Pétrole : 40 ans www.xlim.fr Gaz naturel : 65 ans / Charbon : 145 ans Fission nouvelle génération Sources renouvelables Le vecteur hydrogène Eolien Solaire Vaporeformage Pile à combustibles (méthane, éthanol…) (PEM, SOFC) Biomasse 1  Sommaire 1ère partie: Energie et Société  Panorama mondial de l’énergie en bref (primaire, finale, renouvelable, fossile, réserves…)  Lien entre l’énergie et la société (identité de Kaya)  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle  Les bases historiques (« The limits to growth », rapport Meadows, 1970)  Quelques notions de base (croissance exponentielle, logistique)  Comment modélise-t-on la société dans son ensemble?  Les prévisions apportées par la modélisation  Quelques hypothèses du GIEC sur l’énergie  Et la « croissance verte » dans tout ça? 2ème Partie: Rayonnement; Effet de serre; Cycle du carbone  Transfert thermique/Rayonnement  L’effet de serre/Réchauffement climatique  Le cycle du carbone  4 modèles de transition pour tenir l’objectif de 1,5°C 2,1°C en 2100 : scénarii ADEME 2  Petite introduction Jean Baptiste Say , créateur de l’ESCP Business School , un des pères de l’économie libérale, basée sur la gratuité des ressources. Revenir sur cette diapo après ce cours. 3 Rappels sur les types d’énergie  Toute transformation (de matière première en produit manufacturé, de température, de lieu…) s’accompagne d’une dépense d’énergie.  Notre richesse (PIB) provient de ces transformations  Il existe donc un lien direct entre l’énergie et le devenir de notre société Types d’énergie Energies primaires Energies finales Conversion d’énergie 4  Rappels sur les types d’énergie Energie primaire=> énergie finale Production mondiale d’énergie 2016 ~ 13 Gtep Consommation mondiale d’énergie en 2016 ~ 9,5 Gtep  Perte dans la conversion (thermique-électrique)  Perte dans le réseau de distribution (effet Joule)  Difficile de comparer les sources d’énergie! Exemple: - 1tep de pétrole (Arabie) ~ 1 tep finale - 1 tep de pétrole offshore/gaz de schiste une baisse de Éolien 8,8 0,25 ns l’énergie disponible par personnes (soit une Solaire 92 000 0,1 ns baisse du PIB/pers ou « niveau de vie ») Biomasse 70 1,347 ns 8  Rappels sur les types d’énergie Réserves mondiales d’énergie et coût d’exploitation: Uranium Réserves connues d’uranium et dépenses d’exploration (pointillé noir) de 1975 à 2017 source World Nuclear Association 9 Lien entre l’énergie et la société  Toute transformation (de matière première à produit manufacturé, de température, de lieu…) s’accompagne d’une dépense d’énergie.  Notre richesse (PIB) provient de ces transformations (consummation de produits manufactures, nourriture, chauffage, déplacement…)  Il existe donc un lien direct entre l’énergie et notre société Système économique:  Les variables d’entrée sont le travail (humain) et les ressources : matières premières et énergie de transformation (énergie* dans les deux cas)  La production (et donc le capital ou le PIB) est la variable de sortie => il faut s’attendre à une relation entre PIB et énergie * Le coût des ressources est sensiblement le coût en énergie pour les extraire (minerais) ou les produire (agriculture) 10  Lien entre l’énergie et la société Consommation annuelle moyenne d’énergie par personne 20000 kWh/an = 1,72 TEP/an Energie musculaire d’un 5 homme ~ 100 kWh/an 4  L’énergie permet de multiplier le travail de 1 l’homme par 200 en 2 3 moyenne dans le monde (~ x 500 en Europe).  L’énergie des machines est pratiquement la seule variable d’entrée du système économique 1 Les “30 glorieuses” 2 1er choc pétrolier 3 2nd choc pétrolier 4 Croissance des pays émergents (Inde, Chine)=> charbon 11 5 Crise financière de 2008  Lien entre l’énergie et la société Consommation mondiale d’énergie 1 tonne d'équivalent pétrole (tep) = 41,855 GJ 1 tonne équivalent charbon (tec) = 29,307 GJ 1 kilowatt-heure (kWh) = 3,6 MJ 2017 1 British thermal unit (btu) = 1 054 à 1 060 J 1 calorie (cal) = 4,1855 J 1 tonne d'équivalent pétrole (tep) = 11 628 kWh 1 tonne d'équivalent pétrole (tep) = 1,4286 tec 1 tonne d'équivalent pétrole (tep) = 7,33 barils 1 Mégawatt-heure (MWh) = 0,086 tep Production commerciale* mondiale d'énergie en 2017 13 511 Mtep (+16,6 % /2007) * l’autoconsommation d’énergies représente 9,6% => Part réelle de renouvelable = 20 % au lieu de 11% sur le graphique 12  Lien entre l’énergie et la société En effet il y a une étroite 𝜕𝐸 = correlation entre PIB et 𝜕𝑃𝐼𝐵 𝜕𝑡 = consommation d’énergie 𝜕𝑡 GDP=PIB Remarque:  L’augmentation du PIB et l’augmentation de la consommation d’énergie diminuent ces dernières décénies  La pente est plus forte pour la consommation d’énergie => augmentation de l’efficacité énergétique  Les variations de consommation d’énergie precèdent les variations du PIB => c’est bien l’énergie qui “pilote” le PIB et non l’inverse 13 Lien entre l’énergie et la société Peut-on consommer plus d’énergie pour augmenter son PIB?… sachant que:  on ne crée pas d’énergie, on ne sait que la transformer.  L’apport d’énergie par personne est plutôt à la baisse depuis les chocs pétroliers 𝑃𝐼𝐵 = 𝑃𝐼𝐵 𝑃𝐼𝐵 𝑃𝐼𝐵 = 𝐸𝑡𝑜𝑡 𝐸𝑡𝑜𝑡 𝐸𝑡𝑜𝑡 D = 0,3%/an 𝑃𝐼𝐵 𝑃𝑜𝑝 représente l’efficacité énergétique 𝐸𝑡𝑜𝑡 𝑃𝐼𝐵 𝑃𝐼𝐵 𝐸𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑜𝑝 𝐸𝑡𝑜𝑡 𝑃𝑜𝑝 𝐸𝑡𝑜𝑡 représente l’énergie disponible par personne 𝑃𝑜𝑝 L’efficacité énergétique évolue assez constamment (1 %/an) Si on passe à la différentielle, avec D(A.B) = DA+DB alors que l’approvisionnement en énergie stagne (0,3 %/an) 𝑃𝐼𝐵 𝑃𝐼𝐵 𝐸 D =D + D 𝑡𝑜𝑡 et devra probablement baisser pour cause de 𝑃𝑜𝑝 𝐸𝑡𝑜𝑡 𝑃𝑜𝑝 réchauffement climatique => une recession est plus que La variation de PIB par personne est égale à la variation de probable quels que soient les modèles économiques l’efficacité énergétique + la variation de l’énergie disponible par personne 14 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle Les modèles de société vis à vis de la consommation d'énergie Des prédictions difficiles: - Démographie - Croissance économique - Avancées technologiques - Niveau de vie et répartition - Modes de production de l’énergie - Choix politiques - … - Facteurs interdépendants Le GIEC* a établi environ une quarantaine de scénarii *Groupe Intergouvernemental (d'experts) sur l‘Evolution du Climat 15 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 1°) Les bases historiques (« The limits to growth », rapport Meadows, 1970). Origine du terme “développement durable” « Club de Rome » 1968: 30 expert de 10 pays 1972: 70 experts de 25 pays Quel est l’avenir de l’humanité dans un monde fini? idéal acceptable effondrement 16 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 1°) Les bases historiques (« The limits to growth », rapport Meadows, 1970). Origine du terme “développement durable” « Club de Rome »: 1968: 30 expert de 10 pays 1972: 70 experts de 25 pays Modélisation de l’avenir de l’humanité 5 variables de base: Population, Ressources alimentaires, Industrialisation, Pollution, Consommation de ressources fossiles Conclusions 1- avec les croissances des 5 éléments observés en 1970, sans renversement de tendances, la limite de croissance mondiale est atteinte au cours du 21ème Siècle, pouvant entrainer un déclin probablement difficilement contrôlable 2- Il est possible en limitant la consommation de stabiliser le processus (développement durable) 3- Plus on agit vite, plus les chances de limiter le déclin sont grandes 17 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 2°) Croissance exponentielle/Croissance logistique Pas de limite Il existe une limite K car les (capacité de ressources charge) car les sont infinies ressources sont limitées 18 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 2°) Croissance exponentielle/Croissance logistique Exponentielle, croissance logistique, effet de retard 20000 expo(synth) 18000 logistique 16000 retard 1 an retard 0,75 an 14000 1retard 1,5 an 12000 10000 limite biotique 8000 6000 4000 2000 0 0 5 10 15 20 25 30 Temps (années) 19 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 2°) Croissance exponentielle/Croissance logistique : démographie Population output Total: r = 2,1%/an 20 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 2°) Croissance exponentielle/Croissance logistique : démographie Exercice: Avec une croissance de population r = 2,1 % montrer que le temps nécessaire pour doubler la population est d’environ 70/r 21 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 2°) Croissance exponentielle/Croissance logistique : croissance économique capital capital Industrial output Total: r = 7 %/an 22 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 2°) Croissance exponentielle/Croissance logistique : et le PNB par habitant? Remarques:  Puisque rPop = 2,1 % et rIndus = rPNB = 7 %  PNB/hab = PNB(t)/N(t) => rPNB/hab = 7 % - 2,1 % ~ 5 %  PNB/hab double tous les 70/ rPNB/hab = 14 ans!!!  En réalité inférieur du fait de la disparité entre pays riches et pauvres 18 ans 14 ans => « The rich get richer and the poor get children » 23 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle Deux types de limites dans le rapport Meadows: Les limites physiques Les limites sociales La croissance ne peut aller au-delà des  Paix, ressources terrestres:  stabilité sociale,  nourriture,  santé,  énergie primaires,  éducation,  matières premières,  emploi,  Capacité terrestre à absorber et à  progrès technologique recycler les rejets (pollution…) 24 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle Depuis 2009 on parle de limites planétaires (au nombre de 9 ou 10): Limites au-delà de desquelles l’écosystème planétaire ne permet de sécuriser la vie sur terre 2015 2023 https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04158 Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 1510−1521 25 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle Un problème complexe car les limites sont interdépendantes 2015 26 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle : nourriture Terres cultivables Données (1960):  3,2 milliards d’ha de terres cultivables  La moitié exploitée en 1970  0,4 ha/hab pour la nourriture  0,08 ha/hab pris par les constructions (maison, routes, infrastructures industrielles…) sur les terres fertiles Si croissance exponentielle de population:  Saturation en 2000 avec la productivité des terres en 1960  Doubler la fertilité (engrais, etc…) recule de 20 ans la limite mais dépasse les limites planétaires azote et phosphore! 27 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle : matières premières - exemple du chrome Réserves de chrome Données (1960):  775 millions de tonnes  1: 1,85 millions de tonnes extraites par 4 an en 1970 => 420 ans de réserve => attention aux données de réserves (static index = 420 ans ne tient pas 1 compte de l’augmentation de la consommation)  2: usage proportionnel à l’augmentation de population => 95 ans de réserve  3: une multiplication par 5 des réserves 3 avec une consommation exponentielle recule la déplétion de 50 ans seulement 2  4: si on recycle perpétuellement 100 % de la matière première les réserves ne vont pas au-delà de 250 ans 28 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle : matières premières - exemple du chrome Simulation à l’aide du modèle 1 Déplétion des ressources due à l’usage exponentiel du chrome 2 Pic de consommation puis déclin 3 provoqué par la difficulté d’extraction du minerai et la hausse du prix chrome 1 3 Le prix suit la tendance inverse de la 2 disponibilité du minerai 4 Le minerai n’est plus du tout utilisé si on a trouvé un matériau de substitution 4 (nombreux cas dans l’histoire amiante, ivoire …etc.) 29  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 3°) Les limites de la Croissance exponentielle : énergie Remarque: Réserves Réserves années restantes Différence entre ressources et réserves Production mondiales mondiales (au rythme annuelle (Gtep) (en Gtep) (%) actuel) Pétrole 239 23 % 4,4 50 Gaz naturel 168 17 % 3,2 53 Charbon 505 50 % 3,8 134 Total fossiles 912 90 % 11,4 80 Uranium 50 5% 0,6 84 Thorium 56 5,5 % ns ns Total conventionnel 1018 100 % 12 85 (non renouvelable) Hydroélectrique 2 0,92 ns Éolien 8,8 0,25 ns Solaire 92 000 0,1 ns Biomasse 70 1,347 ns 30 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 4°) Comment modélise-t-on la société dans son ensemble? Boucles de rétroaction 31  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 4°) Comment modélise-t-on la société dans son ensemble? Lois d’évolution démographique Espérance de vie (homme) Apport nutritionnel journalier Naissances/1000 habitants PNB/pers.an (en eq. Calories végétal, 1 cal animal nécessite ~ 7 cal végétal) Espérance de vie vs nutrition Natalité vs PNB/pers 32  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 4°) Comment modélise-t-on la société dans son ensemble? Population Pollution Modèle complet Ressources non renouvelables Grandeurs physiques directement mesurables (ex: population, capital…) Taux d’accroissement des grandeurs physiques Variables auxiliaires influençant les taux de croissance (ex: contrôle des naissance => natalité…) Effets de retard dans les Services rétroactions (ex: effet de la pollution visibles après des dizaines d’années) Flux réels (physiquement mesurables) Ressources agricole Capital industriel Capital agricole Relations de cause à effet 33  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 5°) Résultats de simulation. Le cas standard – influence des ressources non renouvelables Variables de départ avec les données de 1970 Variables de départ avec ressources non renouvelables X2 Effondrement dans les deux cas. L’augmentation des ressources non renouvelables (découvertes de gisements) permet 34 d’augmenter la production industrielle => pollution=> mortalité. Le pic de croissance n’a pratiquement pas été reculé.  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 5°) Résultats de simulation. Energie illimitée + contrôle de la pollution Variables de départ avec les données de 1970 Ressources « illimitées » + contrôle pollution Ressources illimitées du fait de l’usage massif du nucléaire (usage de la fusion)=> suffisamment d’énergie pour exploiter de 35 nouveaux gisements de minerais et pour dépolluer les eaux. Ici la limitation vient de la disparition des surfaces cultivables Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 5°) Résultats de simulation. Le cas standard – influence du contrôle démographique Variables de départ avec les données de 1970 contrôle pollution + contrôle démographique Le contrôle démographique permet un recul de la déplétion des ressources et recule le pic de croissance de quelques décennies 36 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 5°) Résultats de simulation. Le cas standard – influence du contrôle démographique Variables de départ avec les données de 1970 « ressources illimitées + contrôle pollution + contrôle démographique Le contrôle démographique permet un recul de la déplétion des ressources et recule le pic de croissance de quelques décennies 37 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 5°) Résultats de simulation. Le cas standard – contrôle démographique + limitation PIB Variables de départ avec les données de 1970 contrôle pollution + contrôle démographique + sobriété Le scénario sobriété implique un gel du niveau de vie (ici appliqué à partir de 1975). Plus la décision de sobriété est prise tard plus la déplétion des ressources et la réduction de l’alimentation par personnes sera importante 38 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 5°) Résultats de simulation. Conclusions Variables de départ avec les données de 1970 Pour atteindre un équilibre de croissance sans passer par une période « d’effondrement »  Exploiter de nouvelles ressources, accroitre la production de l’énergie et la productivité des sols sont des mesures qui ne permettent pas d’atténuer le déclin ni même de le reculer durablement  Les mesures efficaces passent par un contrôle des naissances et surtout une limitation du PIB par personnes  Le rapport Meadows et les simulations effectuées reflètent aujourd’hui l’état de notre croissance de manière assez exacte. Même s’il est fait état de la pollution par le CO2 en 1970, celle-ci n’implique que la création d’îlots de chaleurs (zones urbaines) et ne fait pas état d’un réchauffement climatique global ni du rôle du cycle complet du carbone 39  Retour à l’introduction Jean Baptiste Say , créateur de l’ESCP Business School , un des pères de l’économie libérale, basée sur la gratuité des ressources. Méditer sur la solidité des hypothèses d’une économie purement néo-libérale. 40 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle 1°) Premier cas Hypothèses: - évolution de la population: -croissance économique rapide - efficacité énergétique en progression - niveau de vie qui s'égalise dans le monde 41  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle a) solution énergies fossiles privilégiées pas de restriction pour l'homme (~8 TEP/ans/habitant, ce qui correspond à un américain actuellement) Bilan:  1152 Gtep de charbon, soit 2 fois les réserves prouvées, mais moins de la moitié des ressources ultimes  440 Gtep de pétrole soit presque les ressources ultimes (idem en gaz)  12.000 réacteurs nucléaires de 1400 MWc chacun (400 en l'an 2000). =>(2,3 nouveaux réacteurs par semaine!)  20 % des terres émergées pour prod d'énergie, ou 75 % de la forêt  concentration CO2 dans l'atmosphère 3 fois supérieure à celle actuelle. 42 Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle b) solution énergies fossiles privilégiées, restriction pour l'homme (~4 TEP/ans/habitant, ce qui correspond à un européen actuellement) Bilan:  1105 Gtep de charbon, soit 2 fois les réserves prouvées, mais moins de la moitié des ressources ultimes  470 Gtep de pétrole soit plus les ressources ultimes! (idem en gaz!) => solutions telles que les gaz de schiste et d'autres ressources fossiles à trouver  11.000 réacteurs nucléaires de 1400 MWe chacun (400 en l'an 2000). (2,3 nouveaux réacteurs par semaine!)  65 % de la forêt  concentration CO2 dans l'atmosphère 1,5 fois supérieure à celle actuelle. 43  Les modèles de société et les enjeux de l’énergie au XXIème Siècle c) solution "développement durable", restriction pour Supplément d'hypothèse: économie dominée par le l'homme (~2,4 TEP/ans/habitant, ce qui correspond à tertiaire et les TIC, les problèmes d'énergie sont une un portugais actuellement) préoccupation majeur des politiques avec utilisation massives des énergies renouvelables Bilan:  155 Gtep de charbon, soit 20 % des réserves prouvées  400 Gtep de pétrole soit plus que les ressources ultimes! (470 Gtep en gaz!) => solutions telles que les gaz de schiste et d'autres ressources fossiles à trouver  600 réacteurs nucléaires de 1400 MWe chacun (400 en l'an 2000).  25 % de la forêt  concentration CO2 dans l'atmosphère 20 % supérieure à celle actuelle.  de gros efforts pour le parc énergies renouvelables. 44 Et la « croissance verte » dans tout ça? 1°) Qu’est-ce que c’est?  « La croissance verte signifie promouvoir la croissance économique et le développement tout en veillant à ce que les actifs naturels continuent de fournir les ressources et services environnementaux dont dépend notre bien- être. » (www.oecd.org)  L’amélioration de la productivité (plus grande efficience/ressources naturelles, Energie, Déchets);  Le renforcement de la confiance des investisseurs par une plus grande prévisibilité dans la façon dont les pouvoirs publics abordent les grandes questions environnementales ;  L’ouverture de nouveaux marchés par une stimulation de la demande de produits, de services et de technologies écologiques ;  Une contribution à l’assainissement des comptes publics (fiscalité verte, élimination des aides préjudiciables à l’environnement);  La réduction des risques de chocs négatifs pour la croissance (prévenir épuisement des ressources et impacts enveironnementaux irréversibles.  Origine: accords de Rio 2012  Théorie promue par l’OCDE, United Nations Environment Program (UNEP), World Bank 45 Et la « croissance verte » dans tout ça? 2°) Comment est-ce possible?  Découpler le PIB mondial des ressources : 𝑃𝐼𝐵 (𝐺𝐷𝑃) Choix d’un indicateur : = 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑡é é𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒𝑠 (𝐷𝑀𝐶) D’après le rapport de l’OCDE (2017, Green growth indicators) cela est réalisé dans les pays de l’OCDE (période 1990- 2010) !!!!... (courbe bleue GDP, courbe rouge DMC) 46 Et la « croissance verte » dans tout ça? 2°) Comment est-ce possible?  Découpler le PIB mondial des ressources : Problème de l’indicateur: 1°) ne tient pas compte des ressources d’énergie 2°) il suffit d’exporter sa production dans le tiers monde pour faire baisser sa consommation de ressources => l’efficacité économique doit être calculée non pas avec la consommation nationale de ressources mais avec l’empreinte matière (courbe verte MF) 47 Et la « croissance verte » dans tout ça? 2°) Comment est-ce possible?  Emissions de CO2… toujours en croissance ! => déport des pays riches vers les pays en voie de développement 48