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    TRANSFORMER L´ENERGIE SANS PRODUIRE DE GAZ A EFFET DE SERRE

    July 25th, 2012

    Le contexte énergétique et climatique global évoluera sous tension accrue dans les prochaines décennies. Pour raisons:
    1) la croissance démographique du globe (selon les
    Nations Unies la population mondiale atteindra 9 milliards 150 millions d´habitants en 2050, soit une progression de 33 % pour la période 2010 – 2050) et le développement global «irréversible» des pays en développement entraineront une augmentation mondiale significative de consommation d´énergie (44 %, selon Energy Information Administration (EIA) dans son rapport annuel «World Energy Outlook 2009»)

    2) la diminution des réserves d´énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), les problèmes d´approvisionnement en énergie liés aux tensions géopolitiques et le réchauffement climatique nous exigent de trouver à moyen terme des alternatives sûres et compétitives aux hydrocarbures. Dans le même rapport, ci-haut mentionné, Energy Information Administration (EIA) donne l´alarme: les prévisions d´augmentation d´émissions de dioxyde de carbone (CO2) pour l’horizon 2030 seront de 39 % si de nouvelles dispositions juridiques et politiques vigoureuses en faveur de l´environnement ne sont pas rapidement implémentées. 

    Il est donc urgent d´agir si les concentrations de gaz à effet de serre doivent se stabiliser à un niveau permettant d´éviter une collision dangereuse avec le système climatique. Pour répondre à ces enjeux, un ensemble d´objectifs ambitieux planétaires visant à réduire significativement les émissions de gaz à effet de serre doit être mis en place, par exemple: 

    • économiser la consommation d´énergie
    • massivement investir dans l´efficience énergétique
    • mettre au point de nouvelles solutions énergétiques compétitives, sûres et vertes, en particulier non émettrices de gaz à effet de serre.

    Pour réaliser ces objectifs l´innovation technologique est incontournable dans les filières énergétiques suivantes:

    • l´hydroélectricité
    • le solaire
    • l´hydrogène
    • l´éolien
    • le nucléaire civil durable
    • la géothermie

    L´émission globale de dioxyde de carbone (CO2) liée à l´usage de l´énergies prévue par l´EIA dans son rapport «International Energy Outlook 2009» pour 2030 est de 40 milliards 385 millions de tonnes contre seulement 29 milliards de tonnes en 2006, soit une augmentation annuelle moyenne de 1.4 % entre 2006 – 2030. Or l´augmentation de la teneur de CO2 dans l´atmosphère comme l´une des principales causes du réchauffement climatique est établie, voir la courbe de Keeling, par exemple. Aussi les conséquences de ce réchauffement global sont connues:

    • grandes sécheresses (voir la situation climatique dans le sahel)  
    • inondations massives (voir la situation ces jours-ci au Benin, Burkina, Niger, etc…)
    • fonte rapide des glaciers, comme celle du Kilimandjaro (Kenya, Tanzanie)
    • augmentation accélérée du niveau moyen des océans (des villes côtières entières pourraient disparaitre sous l´eau des océans)
    • vagues de fortes chaleurs
    • périodes de fortes précipitations 
    • perturbations fréquentes des cycles de récolte
    • problèmes graves de santé publique
    • menaces réelles sur les démocraties  

    Par exemple, l´architecture soudanaise reconnue comme esthétiquement l´une des plus belles architectures, pourra-t-elle tenir aux inondations et précipitations annoncées pour les années à venir par les climatologues?

    Sir Nicholas Stern, dans son rapport publié en Octobre 2006, estime que le réchauffement climatique entrainerait un coût économique de plus de 20 % du Produit Intérieur Brut (PIB) mondial, soit la somme inimaginable de 5500 milliards d’euros, en tenant compte de l’ensemble des générations (présentes et futures) ayant à en subir les conséquences.

    Bien en face de ces effets et chiffres alarmants prévus, qui pourraient être réalités pour les futures générations, se trouve le comportement du consommateur d´énergie. En effet, la consommation mondiale d´énergie primaire (charbon, gaz, hydrocarbures, etc..) sera de 22.6 Térawatt-an en 2030 contre seulement 15.7 Térawatt-an en 2006, soit une augmentation moyenne mondiale annuelle de consommation d´énergie de 1.5 % dans la période 2006 – 2030.
    D´où viennent donc ces énormes émissions de dioxyde de carbone? La part respective d´émission de dioxyde de carbone (CO2), en milliards de tonnes, provenant de l´usage des énergies primaires comme le gaz naturel, les hydrocarbures (pétrole) et le charbon voir tableau, à gauche. Ces énergies primaires transformées en d´autres formes d´énergies nous donnent des possibilités confortables et rapides de déplacement, de fabrication de produits industriels performants, d´éclairage, de cuisiner, de nous sentir en bonne santé. Mais avec des conséquences citées ci-haut. Il convient donc de sensiblement réduire ces émissions responsables de la pollution de l´air que nous respirons, en améliorant les technologies de filtrage dans les centrales électriques thermiques, mais dans le même temps en réduisant nos consommations d´énergie domestique électrique et du charbon de bois et en renforçant l´usage des technologies de transformation des énergies vertes (hydroélectricité, vent, solaire, nucléaire, géothermie, etc.).

    Technologies de transformation d´energies sans production de gaz à effet de serre 1)

    efficience énergétique (à ne pas confondre avec le terme efficacité énergétique) est l´état de fonctionnement d´un système dont la consommation d´énergie pour son propre usage est minimisée tout en donnant un résultat maximal d´exploitation. L´augmentation de l´efficience énergétique permet de réduire les consommations d´énergie pour le propre usage du système aboutissant à un résultat d´exploitation au moins égal au résultat d´exploitation antérieur. Cela entraîne la diminution des coûts écologiques, économiques et sociaux liés à la production et à la consommation d´énergie. Pour arriver à une maîtrise de l´énergie, un des principaux objectifs est donc l´amélioration de l´efficience énergétique. Ceci est un élément essentiel dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre qui renforcent le changement climatique.

    L´hydroélectricité

    Principe:énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l´énergie hydraulique des différents flux d´eau (fleuves, rivières, chutes d’eau, courants marins, etc.). L´énergie cinétique du courant d´eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un génerateur.

    L´energie solaire

    Il existe trois voies d´utilisation de l’énergie solaire:

    • le solaire thermique, qui transforme directement le rayonnement solaire en chaleur
    • le solaire thermodynamique dit à concentration (Concentrating Solar Power – CSP), qui concentre la chaleur solaire vers un fluide caloporteur avant d´être converti en électricité
    • le solaire photovoltaïque, qui transforme le rayonnement solaire en électricité.

    Le solaire thermique

    L´énergie solaire thermique est utilisée principalement pour le chauffage de l´eau ou des locaux.
    Principe: des capteurs thermiques absorbent les photons solaires et les transforment en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un liquide ou un gaz appelé «caloporteur» qui la transporte vers un réservoir de stockage d´énergie.

    Le solaire thermodynamique

    L´énergie thermique du Soleil permet de produire de l´électricité par voie thermodynamique.
    Principe 1: concentration thermique solaire par des miroirs cylindro-paraboliques. Ce type de miroirs, long d´une centaine de mètres, concentre sur un tube récepteur contenant un fluide
    «caloporteur» la chaleur; le fluide génère ensuite de la vapeur qui est turbinée pour produire de l´électricité.
    Principe 2: des centaines de miroirs (héliostats) servent à faire converger le rayonnement solaire sur une tour de grande hauteur au sein de laquelle est placée une chaudière. Dans cette chaudière, des liquides «caloporteurs» vont accumuler la chaleur, la transporter vers un réservoir d´eau et échanger leur chaleur avec l´eau qui va se transformer en vapeur et entraîner les turbines pour produire de l´électricité comme dans les centrales thermiques conventionnelles.

    Le solaire photovoltaïque

    Le principe de l´énergie solaire photovoltaïque est de directement convertir l´énergie du soleil en électricité.

    Pour sensiblement réduire les émissions de gaz à effet de serre, donc contribuer au ralentissement du changement climatique, plus de vigoureux programmes de «Recherche & Développement» nationaux et internationaux de domestication de ces genres de transformation, voir les principes ci-haut, d´énergie solaire en énergie électrique doivent être développés à court et moyen terme. Ces programmes doivent s´articuler autour de:

    • l´amélioration du rendement de conversion de l´énergie
    • la standardisation et la production modulaire des équipements solaires (panneaux, bateries, etc…) 
    • la réduction du coût de stockage et de transport de l´énergie
    • l´optimisation de la gestion de l´énergie dans l´habitat et dans le transport

    L´hydrogène

    L´hydrogène est un gaz couramment utilisé dans les industries chimiques, pétrolières et dans d´autres secteurs industriels comme microélectronique, sidérurgie, spatial, etc…
    Principe «conventionnel» de production: la quasi-totalité de l´hydrogène est actuellement produite par des procédés «conventionnels» basés sur la décomposition d´hydrocarbures (vaporeformage du méthane, oxydoréduction des pétroles, gazéification du charbon). Tous ces procédés sont émetteurs de gaz à effet de serre. Seulement une petite partie de cette production est issue de la décomposition de l´eau par électrolyse. Cette petite partie ne produit pas de gaz à effet de serre.
    Principe de production sans gaz à effet de serre: les chercheurs dans ce domaine travaillent sur des procédés à partir de la décomposition de l´eau, utilisant directement la chaleur de sources géothermique, solaire à concentration ou de chaleur d´origine nucléaire (comme en France). Deux voies de recherche, entre-autres, s´en dégagent: l´électrolyse à haute température et les procédés thermochimiques.
    Ces deux voies prennent en compte les sources de chaleur et de production d´électricité de masse d´origine nucléaire. L´un des objectifs essentiels ici étant, outre l´absence d´émissions de gaz à effet de serre, la compétitivité économique de telles méthodes de production.

    1.) Stockage de l´hydrogène

    L´hydrogène est un gaz inflammable et explosif, donc dangereux. L´hydrogène doit donc être confiné et stocker en lieu sûr. Deux (2) méthodes de stockages sont envisagées:
    1) le stockage gazeux haute pression, s´effectue dans des conteneurs composites en matériaux polymères
    2) le stockage basse pression en phase solide, consiste à absorber l´hydrogène dans des matériaux capables de le restituer à la demande.

    2.) Systèmes de Piles à Combustibles (PAC)

    Principe: produire simultanément de l´électricité et de la chaleur en recombinant de l´oxygène et de l´hydrogène, avec de l´eau comme seul «rejet». Il existe plusieurs types de piles à combustible (PAC) qui se différencient par leur électrolyte, l´élément chargé de véhiculer les ions. Cet électrolyte définit la température de fonctionnement de la pile et, de fait, son application.

    Pour arriver à la commercialisation «populaire» des PAC (ces piles pourront être utilisées dans les téléphones portables) dans le futur des contraintes importantes suivantes doivent être levées:

    • réduction du coût des piles, en particulier du catalyseur
    • augmentation de la durée de vie et mise en conditions réelles d´utilisation
    • compréhension détaillée du comportement mécanique et des réactions en contact avec l´environnement 

    Les biocarburants

    La biomasse constitue une ressource renouvelable permettant de produire des carburants de synthèse utilisables dans les moteurs traditionnels. Ces «biocarburants» sont actuellement majoritairement fabriqués à partir de produits agricoles comme la betterave, le blé, la canne à sucre, etc… Ils n´utilisent qu´une partie de la plante et donc ne valorisent pas totalement les cultures. Face à l´augmentation de la population et à ses besoins alimentaires, il apparaît indispensable de développer une nouvelle filière de biocarburants qui s’inscrive mieux dans une logique de développement durable, notamment en ne concurrençant pas les usages alimentaires de certaines plantes, tout en n´émettant pas, en bilan net, de gaz à effet de serre. Dans cette perspective, des programmes de «Recherches & Devéloppement» innovateurs sur les biocarburants offrant par exemple des possibilités de produire par voie thermochimique des biocarburants issus de biomasses constituées de bois, produits et résidus agricoles (paille) doivent rapidement arriver dans leur phase d´exploitation commerciale.
    Principe:
    fournir, à partir de biomasse dite « lignocellulosique » (bois/paille, culture spécifique), un biogaz de haute pureté composé de monoxyde de carbone et d´hydrogène. Ce biogaz permet ensuite de produire un biocarburant liquide de haute qualité pour les transports.
    Les productions
    de bio-huiles par les micro-algues, le bio-hydrogène, soit par fermentation, photofermentation ou directement par photosynthèse et dissociation de l´eau et par des systèmes photoelectrochimiques offrent de bonnes perspectives pour cette filière.

    Le nucléaire

    Il est désormais manifeste que toutes les sources d´énergie devront être mises à contribution pour répondre à l´augmentation de la demande mondiale de l´énergie due, entre autres, à la croissance rapide de la population du globe. Dans ce contexte le nucléaire civil paraît incontournable dans le «bouquet énergétique» du futur. Fiable et compétitif, il ne produit pas de gaz à effet de serre et permet d´assurer une production d´électricité massive de base et régulière. La communauté internationale est consciente des enjeux de l´énergie nucléaire à l’horizon 2030. Ainsi, une dizaine de pays ont décidé de mettre en commun leurs efforts pour développer une nouvelle génération de systèmes de réacteurs et les cycles du combustible associés.
    Principe conventionnel: l´énergie nucléaire provient de la force, considérable, liant entre eux les constituants du noyau des atomes (protons et neutrons). Sous l´impact d´un neutron, certains gros noyaux peuvent se casser en deux (2) noyaux plus petits et libérer une partie de cette énergie, sous forme d’un intense dégagement de chaleur. Cette réaction, appelée la fission, s´accompagne de l´émission de deux (2) ou trois (3) neutrons et de rayonnements. C´est l´énergie de fission qui est utilisée dans les réacteurs nucléaires: sous l´effet de neutrons, les noyaux d´uranium 235 – l´Uranium 235 est le seul atome fissile naturel – se cassent et produisent la chaleur qui chauffe l´eau. La vapeur de cette eau est turbinée et une production d´électricité en résultera.

    Remarque:
    En ce qui concerne les réserves, le combustible nucléaire (l´uranium) ne connait pas les mêmes contraintes que le pétrole ou le gaz, les limites de ses réserves sont estimées à 250 années de consommation avec les systèmes actuellement utilisés.
    Mais des efforts importants doivent être déployés à moyen terme pour parachever la realisation des objectifs suivants, qui caractériseront les systèmes nucléaires futurs:

    • durabilité: systèmes économes des ressources naturelles et respectueux de l´environnement (minimiser la production de déchets radiotoxiques, masse, puissance résiduelle, etc…)
    • économie: coûts de production compétitif (maitrise des coûts d´investissement par kWe2) installé,  du combustible, d´exploitation de l´installation) du kWh
    • sûreté et fiabilité: élimination autant que possible des besoins d´évacuation des populations à l´extérieur du site quelque soient les causes et gravités d´accidents
    • résistance robuste et massive à la prolifération et facile protection contre les agressions externes.    

    Les systèmes nucléaires dits systèmes de fusion nucléaire (processus où deux noyaux atomiques s`unissent pour former un noyau plus lourd) produiront en toute sécurité, sans pollution, beaucoup d´énergie à partir de peu de combustible. La fusion de noyaux légers dégage d´énormes quantités d´énergie provenant de l´attraction entre les nucléons due à l´interaction forte thermonucléaire. Ces systèmes comme l´International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) et le Tokamak, une fois commercialisables, pourraient bien aider à atteindre les objectifs ci-haut cités.

    L´énergie géothermique

    La géothermie est la science qui étudie les phénomènes thermiques (chaleurs) en profondeur terrestre et les techniques qui visent à les exploiter.
    Principe: c´est l´extraction (par pompage) de l´énergie géothermique contenue dans le sol pour l´utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité.

    L´énergie éolienne

    Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d’une éolienne de pompage), ou électromécaniquement pour produire de l’électricité. Une éolienne se compose:

    • d´un mât permettant de placer le rotor à une hauteur suffisante où il est entrainé par un vent plus fort et régulier qu´au niveau du sol. Il abrite aussi des équipements électriques et mécaniques
    • un rotor composé de pales (généralement trois (3)) qui est entrainé par le vent. Ce rotor est connecté à une pompe ou à un générateur électrique
    • d´une nacelle abritant des équipements mécaniques, pneumatiques et électriques

    Principe: le vent fait tourner le rotor, qui à son tour actionne le générateur. Ce générateur produit l´électricité. L´utilisation optimale d´une installation éolienne est en générale atteinte à des vitesses de vent se situant entre 10 kmh et 20 kmh.

    Remarque:

    Selon International Energy Administration (IEA) dans son rapport «Energy Outlook IEO2009», la demande mondiale d´énergie électrique s´accroitra de 77 % de 2006 à 2030. En face et malgré l´augmentation sensible de la part de puissances installées des énergies renouvelables, progression annuelle de 2.9 % d´ici 2030, les émissions de dioxyde de carbone relatives à la production d´électricité progresseront à un rythme annuel de 1.4 % pour la même période. Donc plus d´efforts sont à encore fournir pour que cette projection d´émissions de CO2 ne devienne pas réalité.
    Tableau: Demande mondiale d´énergie renouvelable (en milliards de kWh) et les émissions (en milliards de tonnes) de dioxyde de carbone (CO2) provenant de la production totale mondiale d´électricité entre 2006 – 2030. 

    Toutes les sources d´énergies renouvelables citées sont en abondance disponibles en Afrique de l´ouest. Donc ici encore s´offrent à l´Afrique de l´Ouest d´énormes chances de relever le défis de la pauvreté en prenant activement part à la distribution et acquisition d´énormes ressources mondiales mises à disposition dans le cadre de la «Recherche & du Développement» sur les nouvelles technologies vertes citées. Pour les Etats-Unis seulement Mr. Obama vient d´annoncer l´attribution de 3 % du Produit Intérieur Brut (PIB) à la «Recherche & Développement» dans le secteur de l´énergie.


    1) … Pour des informations détaillées sur ce chapitre, voir: Commissariat à l´Energie Atomique (CEA). Merci au CEA pour sa bonne disponibilité.
    2) … Kilowatt-électrique (nécessité de haut rendement en énergie électrique).


    Les challenges globaux du XXIème siècle

    May 1st, 2009

    L´objectif supérieur des générations actuelles et futures est d´atteindre le «développement durable». Le schéma du «développement durable» postule: le «développement durable» est un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs. C´est-à-dire: pour être durable le développement doit concilier trois (3) éléments majeurs: l´équité sociale, la préservation de la nature et l´efficacité économique (voir schéma ci-contre).

    Pour atteindre cet objectif les générations actuelles et futures doivent faire face aux challenges de la croissance significative de la population dans beaucoup de régions de ce monde, comme par exemple en Afrique de l´Ouest, et du réchauffement climatique de la planète.

     

     

    Rappel

    Le chemin parcouru pour atteindre un consensus international sur la définition du «développement durable» a été long:

    • 1968, Création du Club de Rome
    • 1972, Rédaction et Publication, à la demande du Club de Rome, du Rapport «The Limits of Growth» par le Massachussetts Institute of Technology
    • 1987, Publication du Rapport Brundtland qui propose une définition du «développement durable» 
    • 1992, Consécration du terme «développement durable» au Sommet de la Terre à Rio de Janeiro. 

    La maîtrise de la démographie et la réduction sensible des émissions de gaz à effet de serre – principalement le gaz carbonique (CO2) – dans l´atmosphère sont donc sans nul doute les défis globaux de ce XXIème siècle à relever.

    L´accroissement (la croissance) de la population

    La croissance démographique est la variation de la population sur une période. Cette croissance se compose de:

    • l´accroissement naturel de la population (augmentation du taux de naissance)
    • l´accroissement migratoire

    Quand la somme de ces deux (2) facteurs est positive, il est question de croissance démographique. Dans le cas contraire, il s´agira de déclin démographique. Selon les Nations Unies, l´accroissement démographique est l´un des principaux facteurs à l´origine de l´augmentation des besoins alimentaires. La stabilisation sensible de la population mondiale est donc une condition de la sécurité alimentaire.

    Le réchauffement climatique

    Le réchauffement climatique est l´augmentation de la température moyenne des océans et de l´atmosphère à l´échelle planétaire.   

    Les conséquences entre autres de ce réchauffement climatique sont la fonte du glacier du mont Kilimandjaro au Kenya, la montée significative du niveau des mers et océans, la perturbation du cycle des récoltes, etc.

    La croissance économique

    La croissance économique est l´augmentation des biens et services dans une économie pendant une période. En pratique, un des indicateurs de sa mesure est le Produit Intérieur Brut (PIB). 

    A ces défis globaux s´ajoutent:

    • le «vieux» problème du déséquilibre économique mondial en faveur des pays industrialisés au détriment des pays en voie de développement
    • la croissance économique très inégalement répartie dans les pays en voie de développement 
    • l´épuisement des réserves d´hydrocarbures
    • la mauvaise gestion de l´agriculture et de l´eau.

    Pour atteindre un «durable bien-être partagé» pour les générations actuelles et futures nos économies doivent efficacement s´accroître. Ce qui signifie, relever les challenges notés ci-dessus.

    Remarque

    Les modèles de calcul utilisés et leurs paramètres d´entrée supposés pour construire le concept du «développement durable» sont critiquables. Les prévisions qui en découlent s´étendent jusqu´en 2100. Cette période est longue pour satisfaire des pronostics irréprochables. Néanmoins, il devrait rester un objectif digne à atteindre. En tout cas, le tableau ci-dessous indique l´urgence d´action à entreprendre pour l´équité sociale, la protection de la nature et la croissance économique durable et partagée.

    PIB, Population, Emission de CO2: Mali, Sénégal, Bavière (Sud de l´Allemagne), Californie, France

    Sources: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung, Bureau of Economic Analysis, INSEE, United Nations Statistic Division, Institut de la Statistique, Québec.

    Questions sur les perspectives énergétiques en Afrique de l´Ouest dans le contexte du «développement durable»

    La modernisation des infrastructures de base existantes (réseaux électriques, transports, télécommunications, santé, éducation, agro-alimentaire), la mise en place de nouvelles infrastructures modernes et les innovations techniques et technologiques accompagnantes qui répondent aux exigences – notamment l´efficience énergétique – du «développement durable» sont nécessaires. Sur ce chemin nous voyons aisément que d´énormes chances d´améliorer le niveau et la qualité de vie des populations s´offrent aux pays en voie de développement comme ceux de l´Afrique de l´Ouest. 

    Le réseau énergétique – notamment le réseau électrique – est sans nul doute l´infrastructure de base pour le fonctionnement de toutes les autres infrastructures industrielles et économiques modernes. Une stabilisation – fort probablement à un haut niveau – de la population ouest africaine fera inévitablement naître une énorme demande d´énergie. Cette demande d´énergie est déjà aujourd´hui très forte. Donc dans les années à venir il est à attendre qu´elle se renforce davantage.

    Dans ces perspectives claires, il faut aujourd´hui nécessairement définir et appliquer une nouvelle politique de «management» énergétique robuste en Afrique de l´Ouest. Cette politique ne devra t-elle pas aussi prendre en compte un programme de conception et de construction d´une centrale nucléaire de grande puissance destinée à des fins d´exploitation pacifique de l´énergie nucléaire?

    Quelle nouvelle orientation  pour l´énergie «management», qui prenne ausi en compte la production de l’ électricité par fission nucléaire, faut-il donc opérer en Afrique de l´Ouest pour faire face à un contexte environnemental global actuel «difficile», voir ci-haut, et qui en même temps contribuera à atteindre les objectifs du «développement durable»?