Présentation d'introduction au cours énergie à l'INRS-EMT pour 2011

1. Cours énergie introduction 1

2. Plan 2

3. Les enjeux > Changements Climatiques 3 Changements mesurés en (a) température globale de surface: (b) niveau des océans global moyen de gauge des marées (bleu) et satellite (rouge) ; et (c) Couverture de neige dans l’hémisphère nord de mars à avril. Toutes les différences sont relatives aux moyennes correspondantes pour la période 1961 – 1990. Les courbes lissées représentent des moyennes sur 10 ans et les cercles des valeurs annuelles. Les zones ombrées sont des intervalles d’incertitude estimés à partir de l’analyse d’incertitudes connues (pour a et b) et de la série temporelle (pour c) IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report (Valencia, Spain, 12-17 November 2007)

4. Les enjeux > Changements Climatiques 4 United Nations Environment Program SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))

5. Les enjeux > Changements Climatiques > GES >CO2 5 IEA World Energy Outlook ( www.worldenergyoutlook.org )

6. Les enjeux > Disponibilité 6 aforecast for 2050 are between 500 and 800 EJ b X 10 including « non-conventional » sources 1 Consortium Fusion Expo Europe 2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ )

7. Les enjeux > Disponibilité > « Peakoil » 7 Le taux de décroissance après le « pic » dépend du prix ? Association for the Study of Peak Oil and Gas (ASPO) http://www.peakoil.net/

8. Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI > Toutes sources 8 EI = Énergie investie (EnergyInvested ) incluant l’énergie requise pour la mise en œuvre ER = Énergie produite (Energy Return) durant la vie de l’installation Le rapport est le « rendement », EROEI EROEI = 10 seuil de rentabilité selon certains auteurs SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009

9. Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI > Sources liquides 9 Variabilité dans le rendement Rendements inférieurs à 10 (seuil de viabilité) sauf pour le pétrole SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009

10. Les enjeux > Disponibilité > Production > EROEI 10 Rendement diminue Rendement faible Rendement de 10 minimum SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009

11. Les enjeux > Disponibilité > Production > Monde 11 Sources fossiles dominent Importance de la capture et de la séquestration du carbone ? SEARCHING FOR A MIRACLE , Post Carbon Institute, Septembre 2009

12. Les enjeux > Disponibilité > Production (électricité) > Europe 12 CPG1998=592.7 CPG2008=710.7 Total1998=1046.3 Total2008=1082.1 CPG1998=360.5 CPG2008=387.9 Total1998=1114 Total2008=638.1 CPG1998=51.4 CPG2008=39.7 Total1998=297.6 Total2008=153.9 CPG1998=86.9 CPG2008=189.6 Total1998=195.4 Total2008=313.5 42.7 TWh en 2010. PV Status Report 2011, EuropeanCommission, Joint ResearchCentre, Institute for Energy, EUR 24807 EN http://re.jrc.ec.europa.eu/refsys/ Le potentiel des énergies solaires au Québec, Diane Bastien et Andreas Athienitis, Université Concordia, Publié par Greenpeace Canada, Septembre 2011.

13. Les enjeux > Disponibilité > Production > US 28/01/2010 13 Portes Ouvertes (Left) U.S. electricity net generation by all fuels, and (Right) contribution of biomass, wind, geothermal, and solar technologies to the non-hydro renewables wedge . Proceedings of the IPCC SCOPING MEETING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES, Lübeck, Germany, 20 – 25 January, 2008 13

14. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Monde 14 462 EJ

15. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec 15 497 TWh en 2007 ( 1.8 EJ par rapport à 462 EJ dans le monde) Correspond à 64 MWh/hab = 175 kWh/jr/hab 18 MWh/hab moyenne mondiale Électricité (de source hydro) domine au Québec! Contribution de Régis Chenitz

16. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec 16 Consommation en MWh pour chaque secteur en fonction des sources En 2007 : électricité (40%), pétrole (38%) gaz (13%) TOTAL 91% le reste est le charbon (p14) Contribution de Régis Chenitz

17. Les enjeux > Disponibilité > Consommation > Québec vs Monde 17 «Si le gaz naturel remplace le charbon, c’est une bonne nouvelle car il produit moins d’émissions de CO2. Mais attention, il ne doit pas remplacer les sources d’énergie propres qui ne produisent aucune émission», FatihBirol, directeur du Bureau de l’économiste en chef à l’Agence internationale de l'énergie, 21e Congrès mondial de l’énergie, Montréal, Septembre 2010

18. Les enjeux > Disponibilité > Prévision de demande 18 IEA World Energy Outlook www.worldenergyoutlook.org La demande énergétique mondiale croit de 45% d’ici à 2030 – une moyenne de 1.6% par an – avec le charbon comptant pour le tiers de l’augmentation globale. 1 Gtoe = 42 EJ

20. La baignoire se rempli d’eau à une « vitesse » donnée par le débit d’eau du robinet en L/s, c’est l’équivalent de la puissance, qui est la variation dans le temps de la quantité d’énergie. C’est la « vitesse » à laquelle on produit ou consomme l’énergie.

21. L’unité d’énergie est donc le J ou le ou Ws qui se transforme en kWhr. Ou ses multiples kJ (103), MJ (106), GJ(109), TJ (1012), PJ(1015), EJ(1018)

23. Formes d’énergie > Mécanique > Cinétique et potentiel 21 Énergie cinétique de l’eau se transforme en électricité Hydroélectricité Énergie cinétique de l’air se transforme en électricité Éolienne Hydrolienne

24. Formes d’énergie > Électrique 22 De manière simpliste: P = V I (W) E = P t (kWh) Forme « intermédiaire ». Le courant est généré par une source. Stockage Dans le réservoir (énergie potentielle de l’eau) Dans les batteries

25. Formes d’énergie > Chimique 23 Énergie interne des molécules libérée par les réactions chimiques Combustion Charbon, pétrole, gaz, charbon biocarburants

26. Formes d’énergie > Thermique 24 Mesure de l’énergie cinétique des particules dans le système Fonction de distribution Thermodynamique

27. Formes d’énergie > Nucléaire > Réaction en chaîne 25 Neutrons engendrent la réaction en chaîne Mais un grande proportion des neutrons sont perdus: Capture Fuite Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982)

28. Formes d’énergie > Nucléaire > Sections efficaces 26 Fissile: pouvant être fissionnés par des neutrons de toute énergie Fertile: donne des isotopes fissiles artificiels 0n1 + 92U238 -> 94Pu239 + 2 b- 0n1 + 90Th232 -> 92U233 + 2 b- b- : n -> p + e− + n-e Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982)

29. Formes d’énergie > Nucléaire > Produits 27 Soient 100 fissions, si on appelle y(Ai) le nombre de produits de fission de nombre de masse Ai correspondant à un type particulier de fission, on constate que les points ainsi obtenus se distribuent sur une courbe en « dos de chameau » . On aura bien sûr Sy (Ai) = 200 puisqu'on a considéré 100 fissions. On aura, par exemple: 0n1+ 92U235 -> 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n1 Jacques Ligou, « Installations Nucléaires », Presses Polytechniques Romandes, Lausanne (1982) http://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_waste

30. Formes d’énergie > Nucléaire > Produits 28 Quantité annuelle de combustible irradié produit (Tonnes de métaux lourds) En France, ~80% de l’électricité est d’origine nucléaire (425 TWh / 540 TWh) http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_France Au Canada, 15% de l’électricité est d’origine nucléaire http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/nuclear-energy-and-waste-production/nuclear-energy-and-waste-production-1

31. Sources d’énergie > Renouvelable vs Durable 29 Trois Niveaux: Quand c’est consommé, il n’y en a plus et on ne peut plus en faire d’autre Carburants fossiles (Charbon, pétrole, gaz naturel, …) Quand c’est consommé, on peut en faire d’autre ( RENOUVELABLE) Bio-énergie ( bois, maïs, …) La compétition avec les sources de nourriture est un problème! Faire du pétrole à partir du charbon ne compte pas ! Quand c’est consommé, il en reste toujours d’autre (ou presque) ( DURABLE) Solaire, éolien, hydrolien, hydro … Nucléaire (fission et fusion) En fait du type 1 mais disponible sur plusieurs milliers d’années

32. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > PV 30 L’énergie des photons utilisée directement Efficacité de quelques % à 30%

33. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > PV 31 Des panneaux pv intégrés sur les toits et façades des bâtiments au canada ont le potentiel de générer une grande quantité d’électricité. en recouvrant une partie des toits et des façades qui ont un bon potentiel solaire des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels existants au canada, une étude a évalué qu’il serait possible de générer 72 tWh par année, soit 29 % de leur consommation d’électricité. À l’échelle du Québec, cette même étude a estimé que les bâtiments résidentiels avaient le potentiel de générer 11 tWh électriques avec du photovoltaïque intégré aux bâtiments, ce qui correspond à 29 % de leur consommation électrique. Les bâtiments commerciaux et institutionnels ont, quant à eux, un potentiel de production électrique annuelle de 3,8 tWh, soit 11 % de leur consommation. en intégrant des panneaux photovoltaïques aux toits et façades dotés d’un bon ensoleillement des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels, c’est 14,8 tWh d’électricité solaire qui peuvent être produits annuellement au Québec, soit 8 % de la consommation électrique de 2008 . Le potentiel des énergies solaires au Québec, Diane Bastien et Andreas Athienitis, Université Concordia, Publié par Greenpeace Canada, Septembre 2011.

34. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Actif > Thermique 32 Nevada Solar One Puissance: 64 MW ( 75 MW max) Énergie: 134 Gw.hre/an ( ~ 1% de la consommation totale ) donc une moyenne de 15.3 MW (24% « efficacité ») SolarTwo Power Tower (Desert du Mojave)

35. Sources d’énergie > Renouvelables > Solaire > Passif 33 http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_solar_building_design http://www.your-solar-energy-home.com/Indirect-gain-solar.html

36. Sources d’énergie > Renouvelables > Éolien & Hydrolien 34 A L = v Dt

37. Sources d’énergie > Renouvelables > Éolien & Hydrolien 35 . rair = 1.3 kg/m3 Vair ~10 m/s reau = 1000 kg/m3 Veau ~ 1 m/s Limite de Betz http://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Betz

38. Sources d’énergie > Renouvelables > Hydro 36 Pour Le plus fiable des renouvelables Coûts d’opération relativement faible CONTRE Grandeur des réservoirs Effets écologiques

39. Sources d’énergie > Renouvelables > Nucléaire 37 CANDU CANadianDeuterium Uranium D2O est le modérateur (et caloporteur) T est généré par capture neutronique (carburant pour la fusion) http://www.scarborough.peo.on.ca/events/20090922-wind/

40. Consommation > Québec 38 Électricité (99% hydro) dans tous les secteurs sauf les transports. Essence et diésel (pétrole) seulement dans le transport et agriculture Pas de charbon!! Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

41. Consommation > Résidentiel 39 Au Québec Électricité domine Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

42. Consommation > Résidentiel 40 Le chauffage ( locaux + eau ) domine la facture ( 76%) Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

43. Consommation > Résidentiel 41 GJ/m2 Résidences « modernes » plus efficaces Économies pour l’individu Économie d’énergie qui diminue la pression de développement et/ou permet les exportations Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

44. Consommation > Commercial / Industriel 42 Ici aussi, c’est l’électricité qui domine! Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

45. Consommation > Transport 43 Dominé par l’essence ( pas d’électricité) La majorité des carburants importés Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

46. Consommation > Transport 44 Transport routier domine la facture énergétique Parc québécois de ~ 4,500,000 voitures Électrification à la portée du réseau actuel Le développement énergétique du Québec dans un contexte de développement durable, Réseau des ingénieurs du Québec, Avril 2009 , Source: Office de l’efficacité énergétique (OEE) 2008

47. Consommation > Agriculture 45 Secteur dominé par les carburants fossiles à 76% du total

48. Consommation > Prévisions Qc 46 Augmentation de ~ 1700 en 2005 à ~ 2000 en 2016 ( ~ 17 % )

49. Consommation > Prévisions 47 EJ Augmentation de ~350 EJ en 2005 à ~ 530 EJ en 2016 ( ~ 50 % )