Les stocks de combustibles fossiles et d’uranium

Ressources et réserves de combustibles fossiles

Les mots «ressources » et « réserves » ont des sens très précis pour les géologues.

Les « ressources » de charbon  sont constituées de tout le charbon que l’on peut trouver sur Terre, y compris celui qui se trouve à 3000 mètres de profondeur dans des veines de 10 cm d’épaisseur. Personne n’ira jamais chercher ce charbon car il coûterait plus d’énergie de le ramener à la surface que ce qu’il pourrait fournir. Autre exemple, dans le sous-sol de la région parisienne dorment des dizaines de milliards de barils de produits fossiles, non conventionnels et difficiles à extraire1 Il existe quantité de ressources de pétrole, de gaz et de charbon et autres produits non conventionnels, qui ne sont pas exploitables, au moins dans l’état actuel des techniques.

Les « réserves » ont un sens différent ;  ce sont les ressources que l’on exploite, ou que l’on pourrait exploiter. Par exemple en France il n’y a pas de réserve de charbon, car exploiter le charbon est interdit. Il n’y a pas non plus de réserves de gaz de schistes, car les gaz de schistes ne sont pas exploités. Un jour futur le charbon pourrait redevenir une réserve en France, mais pour cela il faudrait que la population l’accepte, que les règlements changent, que l’on recrée le métier de mineur.

Réserves et scénarios

Les réserves « prouvées » (il y a aussi les réserves « probables » et les réserves « possibles ») évaluées par l’Agence internationale de l’énergie (AIE) sont souvent traduites en années. Pour faire cela on divise les réserves par la consommation annuelle actuelle. Notons que si l’on reporte la consommation mondiale sur une énergie particulière (remplacement du pétrole par le gaz naturel, par exemple), le nombre d’années de réserve va diminuer. Les résultats obtenus par l’AIE en 2010 sont les suivants :

  • Pétrole conventionnel 54 ans (rappelons qu’en 1956 où la consommation était moindre, ce nombre d’années n’était que de 40 ans)
  • Gaz naturel conventionnel : 65 ans. Avec les gaz de schiste ce nombre d’années sera considérablement augmenté.
  • Charbon : 183 ans

Concernant la production d’électricité par des filières nucléaires, le combustible est aussi épuisable. Le nombre d’années serait de production serait de 200 ans avec la technologie actuelle de réacteurs (réacteurs à neutrons lents), et le même nombre de réacteurs dans le monde.  Mais il serait de plusieurs dizaines de milliers d’années en utilisant la technologie des réacteurs à neutrons rapides. L’utilisation du thorium, 2,5 fois plus fréquent que l’uranium dans l’écorce terrestre augmenterait encore plus les réserves, sans parler de l’uranium extrait de la mer qui permettrait de disposer de réserves pendant très longtemps – à un prix plus élevé.

  World Energy Concil Nombres d’années restantes  WEC
Charbon : Bitumineux : 405 Gt, Sous-bitumineux => 261 Gt, Lignite => 195 Gt ;Total = 861 Gt 150 ans
Pétroles : 160 Gt 40 ans
Pétrole de schiste (Shale oil) : Exploité déjà en France en 1839 à Autun. En Ecosse exploitation industrielle dès 1859.690 Gt.
Pétrole lourds BitumeExtra heavy Oil 3 300 milliards de barils2 150 Gbl
Gaz Naturel : 76 000 Gm3170 000 Gm3 de gaz de schistes annoncés comme techniquement récupérables dans le monde. 70 ans156 ans
Tourbe : surface exploitable 3 974 000 km2 ; 12,7 produits en 2008    
Uranium 3,5 MT à moins de 130$/livre : 105

Référence année 2008, source : World Energy Council 2010,  http://fr.wikipedia.org/wiki/Ressources_et_consommation_%C3%A9nerg%C3%A9tiques_mondiales 

 

 

  1. Hydrocarbures non conventionnels IFPEN , 2011 []

La température dans le sous-sol de Soultz-sous-Forêts

Pourquoi l’eau est elle si chaude dans le sous-sol de Soultz-sous-Forêts ? Plusieurs mesures ont permis de connaître la structure du terrain, la température et comprendre le phénomène.

plumesmantelliques

La température augmente rapidement avec la profondeur : c’est que ce sous-sol  est un mauvais conducteur de chaleur : la chaleur qui s’y propage par « conduction » a bien du mal à traverser la matière, et on passe rapidement à plus de 100°C.   Ensuite,  on voit que la température reste quasiment constante (proche de 140°C) entre 1500 et 3500 mètres de profondeur. C’est qu’il existe un transport efficace de la chaleur venant des profondeurs vers la surface : seul un mouvement d’eau par convection permet de l’expliquer : l’eau est chauffée en bas, et elle circule assez bien à travers les failles du granit qui la laissent passer en montant.  A plus grande profondeur, la pression est trop grande pour garder ces failles ouvertes, l’eau ne circule plus, la conduction seule est à nouveau à l’oeuvre pour transporter la chaleur. Ce processus n’est pas très efficace et la température se remet à augmenter avec la profondeur. C’est donc grâce à des failles nombreuses et ouvertes dans le granit, qu’il suffit de creuser à 1000 ou 1500  mètres pour trouver de l’eau à 120°C, de laquelle jaillit de la vapeur, dont on se sert pour produire de l’électricité.

Mais pourquoi fait il si chaud à 5 000 mètres de profondeur ? Il faut remonter à des événements volcaniques passés, des remontées de magma chaud qui n’ont pas complètement traversé la croute terrestre, mais se sont arrêtées à quelques kilomètres de la surface. Leur chaleur n’a pas encore fini de se dissiper, ce qui permet de les dater : moins de 20 millions d’années. Si ils étaient plus anciens, la chaleur aurait eu le temps d’être entièrement évacuée, et il n’y aurait plus d’anomalie thermique à Soultz.

Ces structures volcanique souterraines chaudes  ont été mises en évidence dans cette région, sur au moins 400 de kilomètres de profondeur, cent kilomètres de diamètre.

recherches sur les micro algues

Le laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines à Marseille, par exemple, explore la diversité des métabolismes énergétiques chez les microorganismes. Il s’intéresse  à l’adaptation et à la résistance des micro-organismes aux agressions de leur environnement, à leurs métabolismes, aux différentes enzymes, à la façon dont ils réagissent aux mécanismes de stress, qui pourraient servir la production de lipides; ou bien de biogaz, ou d’hydrogène. On y étudie plusieurs micro-organismes comme :

  • Chlamydomonas reinhardtii, une algue verte, qui assimile le CO2,  possède aussi un métabolisme anaérobie.
  • Les diatomées (très présentes dans le phytoplancton) comme Asterionella formosa qui ont une importance écologique considérable car elles sont responsables pour environ 25 à 50 % de la fixation du carbone à la surface du globe.
  • et d’autres …

Il recherche de possibles applications dans le domaine des Bioénergies et de l’Environnement en associant des biologistes, des chimistes et des physiciens.

A l’autre extrémité des recherches,  on  modélise la culture de micro-algues à l’aide de d’expériences, en développant les technologie des bioréacteurs.

Quel est le prix de l’électricité photovoltaïque ?

Le coût de l’électricité photovoltaïque dépend de nombreux facteurs dont l’ensoleillement, l’existence d’un réseau ou non, l’importance de la demande électrique en été (climatisation) quand la production est maximale, le coût de production des panneaux, le coût d’installation, la marge du vendeur, etc.  En France le prix actuel de l’électricité solaire est  supérieur au prix de l’électricité disponible sur le réseau. Mais il est possible que demain ce prix de l’électricité solaire baisse.

Le prix du terrain joue aussi un grand rôle car une centrale solaire a besoin de dizaines ou centaines d’hectares. Les toits des bâtiments peuvent être utilisés, surtout ceux qui sont orientés au sud. Les panneaux solaires remplacent alors la toiture traditionnelle. Le prix de l’installation comprend alors le coût de la toiture. En plus du prix de l’installation, il faut ajouter celui du stockage (batteries) si elle n’est pas reliée au réseau.

Pour une installation d’un kW crête,  l’objectif pour 2020  est un prix coûtant de 500  euros (prix d’achat), en encore 500 euros d’équipement annexe (onduleur, et câbles) 1 .  Elle produirait environ 1 MWh par an (moins dans le Nord, plus dans le Sud), et 20 MWh en 20 ans, le coût du MWh reviendrait à environ, 50 euros, sans compter le coût de l’installation par un artisan.

Si le prix de l’électricité réseau augmente, et les prix des panneaux photovoltaïques continuent de baisser, le prix du solaire pourrait devenir compétitif en France avant 2020, alors qu’il l’est déjà en Italie du Sud.

Il faut noter qu’au-delà de 5 ou 10% d’énergie fournie ainsi, il faudrait investir dans  la modification du réseau.


[1] Rapport de la commission Energies 2050, http://www.strategie.gouv.fr/content/rapport-energies 2050

  1. Rapport de la commission Energies 2050, http://www.strategie.gouv.fr/content/rapport-energies-2050 []

Une très forte croissance de la consommation électrique

La croissance de la consommation électrique en France sur un demi-siècle a été très forte.

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
33 TWh 72 TWh 140 TWh 249 TWh 350 TWh 441 TWh 513 TWh

Cette très forte croissance a  été rendue possible par la construction de nouveaux moyens de production de l’électricité, majoritairement des centrales nucléaires puisque qu’aujourd’hui près de 80% de l’électricité française est issue de l’énergie nucléaire. En 2010, la production hydraulique a été de 68 TWh. Si les Français avaient le même niveau de consommation qu’en 1950, l’hydraulique serait suffisante pour alimenter le pays et il resterait une excédent à exporter. En 1947 un français consommait en moyenne 650 kWh. C’était moins que d’autres pays (à cette époque un américain consommait 1500 kWh et un Suisse 2000 kWh). En 2008 la consommation moyenne d’électricité d’un français était de 7700 kWh.

Les besoins vitaux en électricité ne sont pas les mêmes pour les pays pauvres et pour les pays riches. Alors que beaucoup d’habitants des premiers se contenteront d’un peu d’électricité pour l’éclairage, pomper de l’eau, la télévision, etc. car souvent ils n’y ont pas accès, les pays riches ont la plupart de leurs activités basées sur l’électricité. En l’absence d’électricité une maison est « en panne » et les activités ainsi que le confort deviennent très réduits. Même une chaudière à gaz naturel ou à fuel domestique ne peut pas fonctionner car la partie électrique n’est pas alimentée.

 

Le stockage de l’énergie par STEP

 

grandmaison

Élever de l’eau en hauteur, c’est  le moyen le plus utilisé dans le monde pour stocker l’énergie : 99% de l’énergie stockée dans le monde l’est par ce moyen. L’eau restitue l’énergie en redescendant. Pour avoir un ordre de grandeur, le stockage de 1 kWh demande un volume d’eau V (en m3) et une chute H (en mètres) tels que le produit H x V soit voisin de 400. On voit qu’il faut de grand volumes d’eau, ce qui implique des coûts de construction assez élevés. C’est sans doute la raison pour laquelle le système n’est pas plus développé. Mais il peut être rentable puis que la Suisse gagne chaque année entre 1 et 2 milliards d’Euros avec ses STEP.

Concrètement, une Station de Transfert d’énergie par pompage (STEP) comprend une retenue d’eau alimentée par des turbines. Le point important est que celles-ci peuvent fonctionner dans les deux sens : elles sont capables de pomper l’eau pour la mener en haut dans la retenue, et elles produisent de l’électricité quand l’eau chute. On pompe l’eau dans la réserve quand l’électricité est peu demandée, et on lui fait produire de l’électricité quand la demande est forte. Bien sûr, on n’arrive pas à récupérer pas toute l’énergie utilisée pour le pompage,  il y a quelques pertes, jusqu’à 25 % environ.

La STEP de Grand’Maison dans les Alpes est la plus grande en France. Le  dénivelé entre les deux retenues d’eau, celle de Grand’Maison et celle du Verney,  est d’environ  920 mètres.  Les deux lacs sont distants de 8 km, le lac du Verney est le lac inférieur, c’est le plus petit des deux (il fait le dixième de la capacité du lac supérieur, le lac de Grand’Maison). Il  stocke exactement 15,4 millions de m3,1 qui sont pompables entièrement en  une trentaine d’heures. Cela représente un stockage d’environ 35 GWh. Grâce à cette retenue, la STEP injecte dans le réseau 1,4 TWh par an. Par comparaison, une tranche de centrale nucléaire de 1 GWe peut produire 8 TWh par an. Ci-dessous le schéma de la STEP ( © La médiathèque EDF / Michel Brigaud Barrage et retenue de la STEP de Grand’Maison (Isère)  )

grandmaison-2

 

Ci-dessous, une petite STEP sur une falaise de l’ile d’Okinawa au Japon. Elle permet un stockage de 180 MWh. Il faudrait plus de 300 petites retenues de ce type pour stocker une heure de production électrique française. L’eau pourrait être pompée la nuit pour servir en fin de journée, quand la demande est forte.

step-okinawa

Figure 2 la STEP de bord de mer, sur l’Ile d’Okinawa au Japon permet un stockage de 180 MWh.

D’après l’association hydrocoop2, le coût de l’aménagement d’un site dans le Nord de la France ou en Bretagne coûterait  entre 2 et 6 milliards d’€uros selon l’emplacement de la STEP, pour des capacités de stockage comprises entre 20 et 150 GWh. La construction durerait environ 5 ans, le bassin supérieur occuperait plusieurs km2.

Selon EDF, on pourrait construire des STEP délivrant 5 GW sur les falaises de bord de la mer. Un projet est en cours d’étude à la Guadeloupe3

Références : Le stockage de l’énergie par STEP

 

  1. http://fr.structurae.de/structures/data/index.cfm?id=s0003916 []
  2. le site de l’association hydrocoop : http://www.hydrocoop.org/fr/abouthydrocoop.php []
  3. https://www.lenergieenquestions.fr/tag/guadeloupe/ et http://www.belle-ile-union.org/eole-STEP/STEP-marines_Vigny.pdf []