Rapport

Transition énergétique, le renouvelable compensera-t-il seul la hausse de consommation ?

LOUISON SARLIN--MAGNUS

Avertissement: Ce rapport est uniquement une partie d'un travail de recherche effectué avec Guillaume DESSERME pour le cours de "Méthodologie de Recherches" dans le cadre de la formation d'ingénieur proposé à l'ISEN Toulon.

Contact: Louison SARLIN--MAGNUS: louison.sarlin-magnus@isen.yncrea.fr

Sommaire

1. Les objectifs

2. Crise énergétique

3. La consommation électrique en France

4. Vers un mix 100% d'énergies renouvelable

5. Cas de Fessenheim

6. Conclusion

7. Sources

1. Les objectifs

Observation : Transition énergétique, le renouvelable compensera-t-il seul la hausse de consommation ?

Hypothèse : Les pouvoirs préfèrent les mesures populaires au risque de saturation de la production

Expérience:

Hausse de la consommation d’énergie à venir
Croissance démographique
Évolution de la production

Méthode utilisée : Recherche documentaire

2. Crise énergétique

Il est reconnu depuis des siècles que l'énergie ne se créer pas et ne se détruit pas.

Ceci constitue le Premier principe de la thermodynamique:

Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfert mécanique (travail).

Il est couramment admis que l'on peut diviser les énergies en 2 types:

Les énergies Utiles (cinétique, chimique, électrique, etc?)
Les énergies Inutiles (thermique)

Une énergie utile est définie comme une énergie qui permet de produire un travail.

Prenons l'exemple d'un skieur, pour lui fournir $100 MJ$ on peut:

Le placer à $1000 m$ d'altitude (énergie potentielle de pesanteur)
le propulser à $500 km/h$ (énergie cinétique)
Lui faire manger $100 g$ de pain (énergie chimique)
Élever sa température corporelle de $3°C$ (énergie thermique)

Le skieur ne pourra pas fournir de travail si on ne fait que le chauffer.

Notons aussi que l'énergie utile peut se transformer en énergie inutile mais l'inverse n'est pas vrai.

Nous arrivons donc au Deuxième principe de la thermodynamique:

Toute transformation d'un système thermodynamique s'effectue avec augmentation de l'entropie globale incluant l'entropie du système et du milieu extérieur. On dit alors qu'il y a création d'entropie.

On note $S$ la fonction d'état entropique:

$\Delta S_{global} = S_{création} = \Delta S_{système} + \Delta S_{exterieur} \ge 0$

De nombreuses machines, notamment le "moteur à explosion" appelé couramment "moteur thermique", donnent l'impression de pouvoir convertir la chaleur en énergie utile. En effet un "moteur thermique" fonctionne sur la dilatation d'un gaz par la chaleur pour produire un mouvement. Or un moteur a besoin d'air "froid" pour fonctionner, ce système n'est donc pas isolé du monde extérieur.

Origine fondamentale:

L'énergie thermique d'un corps est sous la forme d'énergie cinétique de ses atomes et molécules. C'est ce que l'on appelle "l'agitation thermique". Pour les solides, les atomes s'agitent autour de leurs positions d'équilibre. Le chaos de l'agitation des atomes empêche la récupération de l'énergie.

3. La consommation électrique en France

Dans ce paragraphe les données d'énergie seront données en "tonne équivalent pétrole (tep) .
On a la relation $1 Tep = 42GJ$ . En effet si on brûle une tonne de pétrole on récupère environ $42GJ$ .
Dans ce paragraphe il est question d'énergie en général et pas que d'énergie électrique.

En France en 2017, on a consommé un total de $260MTep$ . Après transformation et transport c'est $155MTep$ . C'est donc la moité des ressources primaires d'énergie qui sont perdues lors de la transformation et u transport.

*Figure 1: Représentation de Sankey dans le cas de la France*

Grâce à ce diagramme on a une vision claire des ressources primaires, de la consommation des Français et surtout des différents flux et transformations.

Il est possible d'étendre ce diagramme pour inclure le secteur d'utilisation final (figure 2).

*Figure 2: Représentation de Sankey en fonction du secteur de consommation*

On voit clairement dans ce diagramme que le plus gros consommateur d'énergie est le transport. Le résidentiel quant à lui est à la deuxième place, bien loin devant l'industrie, le tertiaire et l'agriculture. Bien que le transport utilise principalement du pétrole, on remarque que la consommation d'énergie du résidentiel est très varié.

*Figure 3: Consommation finale à usage énergétique par forme d'énergie*

La part d'énergie renouvelable a augmenté depuis le 2000 mais reste bien inférieur à l'électricité et surtout au pétrole. On note surtout l'apparition de la chaleur aux alentours de 1999.

*Figure 4: Consommation finale énergétique par secteur*

On remarque sur le diagramme de Sankey que la part de l'industrie est largement inférieur à ce qu'on peut attendre. Principalement en raison du déclin du secteur industriel mais aussi de l'optimisation des chaînes de production.
Il est tout de même important de souligner l'augmentation de la consommation dans les secteurs du transport et du résidentiel.

En France $90\%$ du $CO_2$ , et $70\%$ des gaz a effet de serre sont émis par la dépense des énergies fossiles. On peut donc affirmer que $90\%$ du $CO_2$ est émis par la moitié des ressources utilisées.

*Figure 5: Émission de $CO_2$ dues à la combustion d'énergie par secteur*

Une diminution des émissions de $CO_2$ peut être observée depuis 2005, mais la France représente toujours $325\ 000\ 000\ m^3$

À noter que sans les centrales nucléaires et les barrages, les émissions de CO2 de la production énergétique serait beaucoup plus important même avec le parc éolien et solaire. Car pour compenser les énergies renouvelables intermittentes il faut pouvoir compter sur les centrales à charbon ou gaz.

4. Vers un mix 100% d'énergies renouvelables

Dans les années 1990, l’État Français décide de la création de l'ADEME (Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie).

À l'horizon 2050, il est projeté une baisse de consommation de l'ordre de 69 Mtep. $40\%$ de cette baisse est due à la rénovation de millions de logements. Les transports contribuent à hauteur de $30\%$ dans cette projection. Dans cette projection il est prévu de passer de $12\ à\ 55\%$ la part d'énergies renouvelables.

En 2050, le parc immobilisé sera constitué de: - 27 millions de logements rénovés - 9 millions de logements neuf

Ainsi grâce à une campagne de rénovation intensive la consommation d'énergie du secteur résidentiel passera de $40,7 Mtep$ en 2017 à $21,9 Mtep$ . Le bilan énergétique du résidentiel sera donc:

*Figure 6: Bilan énergétique dans le résidentiel en 2050*

Quant au tertiaire, la consommation passera de $24,3 Mtep$ en 2017 à $15,6Mtep$ en 2050. Le bilan du secteur tertiaire est donc:

*Figure 7: Bilan énergétique du tertiaire en 2050*

Le rapport de l'ADEME sur le mix $100\%$ Énergie Renouvelable établit un calcul de puissance théorique d'énergie renouvelable par région, prenant en compte les données météorologiques et environnementales. Ce calcul simule l'énergie productible si ont installé partout des éoliennes, hydrolienne, panneaux solaires photovoltaïques, etc.

En sommant toutes les énergie théorique productibles on obtient $1268 TWh$ (avec 2013 pour référence météorologique). La demande en 2015 était d' environ $475 TWh$ soit environ 2,7 fois moins que la production théorique.

*Figure 7: Carte des gisements obtenus par région*

On voit la puissance disponible par région en fonction des filières.Il faut tout de même marquée la différence entre puissances électriques installées et puissance électrique réelle fournie. En effet la plupart des sources d'énergie renouvelable ne fournissent pas d'énergie électrique constamment (une éolienne fonctionne uniquement s'il y a du vent).

Par exemple une centrale nucléaire fournie entre $900 et 1500 MW$ , une éolienne fournie entre 1 et 3 MW et pour les champs de panneaux solaires c'est de $1\ à\ 80MW$ pour les plus gros en Europe. On note tout de même l'existence de parc solaires plus important notamment aux États-Unis où certain dépassent les $500MW$ . Les barrages hydroélectriques eux produisent de quelques Mégawatt à plusieurs centaines.

À partir de l'DEME réalise une simulation avec un parc d'énergie renouvelable variée et réaliste. Ce parc est divisé en 2 secteurs.
Le secteur Non pilotable:

Éolienne terrestre ( $96,5 GW$ )
Éolienne offshore ( $10GW$ )
Houlomoteur, hydrolienne et marémotrice ( $0,4GW$ )
Photovoltaïque ( $63GW$ )
Turbine au fil de l'eau ( $7,6GW$ )

Le secteur pilotable:

Cogénération de bois ( $3GW$ )
Méthanisation ( $1GW$ )
Solaire à concentration ( $1GW$ )
Barrages hydroélectriques ( $13,2 GW$ )

La simulation réalisée par l'ADEME montre que dans ce scénario la production ne permet pas de satisfaire la demande. Il faut donc se pencher sur une solution qui permettrait de redistribuer l'énergie produite supplémentaire pour la réinjecter dans le réseau dans les périodes de forte demande ou/et de faible production. Ces stockages imaginés sont répartis en fonction de la plus longue capacité de stockage.

La première, les batteries ou l'air comprimé permettra de stocker l'énergie environ $6h$ . Cette filière permettra de stocker et fournir environ $12GW$ .

La seconde, les STEP (Station de Transfert d’Énergie par Pompage), sont basées sur le principe inverse d'un barrage hydroélectrique. Il est prévu de pomper de l'eau pour remplir un barrage en hauteur. Ainsi transformer l'énergie électrique supplémentaire en fournissant de l'énergie potentielle de pesanteur à l'eau. Ce système permet de stocker l'énergie pour une durée maximale de $32h$ . Cette filière permettra de stocker et fournir environ $13GW$ .

Enfin le stockage le plus long est appelé stockage inter-saisonnier. Il est basé sur la transformation de l'énergie électrique en gaz stocké, qui sera ensuite brûle pour fournir de l'électricité à la demande plusieurs mois après stockage. Cette filière, plus importante, permettra de stocker et fournir environ $17GW$ .

Mais d'un point de vue géographique, quelle sera la quantité de panneaux photovoltaïques et d'éolienne à installer?

Premièrement les éoliennes, seront d'environ $60 000$ sur la terre et $5 000$ dans la mer. En 2015 on estime à $10 000$ le nombre d'éolienne installée et productive en France. Il faudra donc en installer $50 000$ de plus pour coller à cette simulation.

Les panneaux solaires seront installés en partie sur les toits et le reste au sol dans des fermes de production solaire. En 2016 on a produit $6500MW$ et le rapport de l'ADEME prévoit de pas moins de 10 fois plus.

Concernant le secteur hydraulique, c'est environ $255\ 000MW$ de production en 2017.

Une donnée très importante à prendre en compte est la sensibilité thermique. Il s'agit de l'énergie consommée en plus en cas de perte d'1°C de température sur l'ensemble du territoire français. Cette sensibilité est de l'ordre de $24\ 000MW$ , soit 2 réacteurs nucléaires moyens.

5. Cas de Fessenheim

La centrale de Fessenheim, installée en 1978 et en cours d'arrêt produisait grâce à ses 2 réacteurs de $880 MW$ une moyenne $10,5 TWh$ par an. Au cours de sa vie (42 ans) ce n'est pas moins de $430TWh$ qui ont été produit.

Il paraît donc naturel de comparer ces chiffres à d'autres sources d'énergie électrique.

Panneau solaire photovoltaïque:

Prenons donc pour référence le parc photovoltaïque de Besse-sur-Issole qui est considéré comme un des plus efficaces du fait de sa localisation (Var) et des technologies employées.
Ce parc produit chaque année $20GWh$ , et couvre une surface totale de $170\ 000m^2$ .

Par un rapide calcul on trouve que pour remplacer la centrale de Fessenheim il ne faudra pas moins de 525 fois la production de Besse-sur-Issole. Ce qui couvrirait environ $90km^2$ , soit presque la superficie de la ville de Paris.

Un autre calcul nous donnera:

L'énergie produite par un panneau photovoltaïque d' $1m^2$ est de l'ordre de $110 kWh$ dans le sud (Région la mieux exposée). Il faudra donc $100\ 000\ 000$ de panneaux. Pour une surface totale de $100km^2$ .

Éolienne:

Une éolienne moyenne a une capacité de production d'environ $4,4GWh$ . Chaque éolienne doit être disposé a environ 5 fois le diamètre du rotor (~ $90m$ ), soit environ $450m$ . Il faudra donc réservé $130\ 000m^2$ pour une éolienne.

Il paraît trivial qu'il faille 2386 éoliennes pour produire autant que la centrale de Fessenheim (dans le cas où l'éolienne produirait en continu). Ce qui correspondrait a $15,5 km^2$ , soit la taille de la ville de La Garde.

6. Conclusion

Au vu de ces chiffres et de la volonté des pouvoirs politiques de diminuer la proportion de production par le nucléaire en France, on est en position aujourd'hui de se questionner quant à la crise énergétique.

En effet on parle souvent d'énergie propres"* (terme qui a mon sens faux) en parlant d'énergies fournies par les éoliennes, hydroliennes, panneaux photovoltaïques, etc. Mais on ne considère pas souvent la pollution et la consommation de ressources primaires que ces productions entraînent. Là ou une centrale produite quelques kilos de déchets radioactifs par TWh d'énergie produit, il faudrait des millions de panneaux, pour remplacer cette production, ce qui engendreraient des milliers de tonnes de déchets.

De nombreux États misent sur une diminution de la consommation de la population là où les outils, objets et appareils consommant de l'énergie ne font qu'augmenter.

Selon moi, nous fonçons droit dans un mur à l'échelle global a moins que la fusion nucléaire ne donne des résultats concluant suffisamment rapidement.

7. Sources

Bilan énergétique de la France en 2017

Rapport ADEME: Un mix électrique 100% renouvelable?

Contribution de l’ADEME à l’élaboration de visions énergétiques

Statistiques de la consommation globale

Détail sur la consommation de l'industrie

Quantité d'uranium naturel consommée