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Sébastien Lauwers

05 avril 2021

Update 21 août 2021

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  1. Introduction

  2. La châleur

  3. L'éolien

  4. Le Nucléaire

    1. Climat et nucléaire​

      1. Giec à propos du nucléaire

    2. Économie du nucléaire​

    3. Utopie nucléaire

    4. L'énergie nucléaire - une promesse non tenue

    5. Conclusion (provisoire)

  5. Le Solaire

  6. La singularité

    1. Stockage​

    2. Optimisation

    3. Décentralisation

 

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Introduction

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    Qu'est ce que l'énergie ?    Difficile d'être précis, tellement la question est vaste.  De fait,  l'énergie  est partout, elle est au travail dans les êtres vivants, les machines, la nature, elle provient du soleil,...bref partout. Elle a été à la base de la révolution cognitive, de la transformation de notre environnement en utilisant l'énergie des animaux, nous permettant de nous sédentariser, et plus près de nous à la base de la première révolution industrielle, initiée par James Watt et sa machine à vapeur à la fin du XVIIIème siècle, qui a complètement bouleversé et irrémédiablement changé notre mode de vie, ainsi que futur de notre espèce. Comme nous le verrons, elle peut être mise en corrélations avec les évolutions de notre niveau de vie, et donc de l'économie, de la sécurité, de l'évolution de l'environment mais aussi des recherches et développement (R&D) et de la politique. Actuellement l'énergie que nous consommons au niveau mondial, repose en grande partie sur des sources d'énergie chimique non renouvelables, dites fossiles - charbon, gaz et pétrole - dont les ressources sont limitées.

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    Comme nous avons mis longtemps à nous rendre compte des nombreuses facettes que pouvait avoir l'énergie, on l'a catégorisée, et on la catégorise encore, par formes :

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  • mécanique : moteurs, muscles;

  • calorifique : chaleur, chauffage, cuisson;

  • cinétique : vent, voiture, ballon de foot;

  • chimique : carburants, nourritures;

  • lumineuse : Soleil, ampoule, laser;

  • nucléaire : étoiles, centrales nucléaire.

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    Il s'agit à chaque fois de différents formes de la même chose. C'est pourquoi nous pouvons passer de l'une à l'autre. On utilise aussi les mêmes unités pour les mesurer. Comme par exemple, l'énergie chimique qui provient du mélange de l'essence avec l'air, qui se transforme en énergie calorifique dans le cylindre du moteur d'une voiture, puis en énergie mécanique permettant d'actionner le piston, qui est ensuite transmise aux roues, et finalement en énergie cinétique, qui est la vitesse de déplacement de la voiture. Il est à noter, qu'une partie de l'énergie mécanique produite, est transformée par un alternateur, en énergie électrique servant par exemple à alimenter les phares, qui deviennent alors de l'énergie lumineuse.​

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    En physique, nous savons depuis Einstein, et sa fameuse équation  E=mc²  que,  l'énergie  et  la  matière  sont  interchangeables  et peut être transformée pour réaliser une quantité de choses inquantifiables (voir la figure présentée ci-dessous - par E.P. Odum 1976).

 

Energy

êtes vous Smart ?

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Concepts-of-energy-transformation-hierar

   Les scientifiques utilisent en général le joule (J) et les économistes le kilowattheure (kWH) ou le "tonne d'équivalent pétrole" (tep) comme unités de mesures.

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    En fait, comme nous le verrons tout au long de cet article, l'énergie diffère selon l'endroit ou on la mesure. Il y a l'énergie dite primaire, que l'on recueille directement à sa source, lumineuse pour les capteurs solaire, la chute d'eau au pied d'un barrage, le pétrole brut en sortie du puit, la chaleur produite au cœur d'une centrale nucléaire,... Ensuite l'énergie secondaire, qui est en général l'énergie primaire convertie dans les centrales électriques ou dans des raffineries. L'énergie finale, qui est celle que nous utilisons couramment, comme l'essence, le gaz pour cuire ou se chauffer ou l'électricité dans la prise de courant. Mais cette énergie finale n'est qu'une fraction de ce que nous avons réellement besoin pour nous déplacer, cuire nos aliments, éclairer nos pièces ou alimenter notre télévision. Cette dernière s'appelle l'énergie utile.

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    Au cours de son évolution, l'humanité est passée par plusieurs étapes dans l'utilisation de ce que nous appellerons "l'énergie primaire" pour ses besoins vitaux. Nous allons faire une rapide rétrospective des quatre stades que compte le développement de l'énergie au cours de l'histoire humaine.

 

    Dans les temps primitifs (avant -12.000 ans), les gens ne vivaient que de chasses et de cueillettes. Les repas apportaient environ 2000-3000 kcal (calories) par jour et les êtres de l'époque n'utilisaient que leurs propres énergie musculaire d'une puissance d'environ 100-150 W.

    Plus tard, l'homme a commencé à cultiver la terre, à faire pousser des céréales, à élever du bétail pour leur viande et leur fourrure, mais aussi pour leur capacité à effectuer certaines tâches. Cette découverte, en particulier, a apporter une augmentation de production suffisamment importante pour changer radicalement notre mode de vie, en passant de chasseur cueilleur à une société  sédentaire et plus sophistiqué ou nous nous sommes mis à utiliser le bois de chauffage pour se chauffer. L'homme s'est attaqué à l'extraction du charbon et a utilisé la puissance des moulins à vent et à eau pour mécaniser le traitement des céréales et la fabrication du tissage. Néanmoins, le niveau technique de consommation d'énergie est resté proche de celui de l'homme primitif pendant des milliers d'années, dû à leur dépendance à la nature.

 

    Ce n'est que récemment autour du 18ème siècles qu'une croissance rapide de la production/consommation d'énergie a commencé. Cette avancée est principalement due à  l'invention de la machine à vapeur de James Watt. C'était l'heure de la première révolution technologique et elle n'était pas prête de s'arrêter. Lorsque l'on a réalisé que le charbon pouvait non seulement générer de la chaleur mais aussi produire un travail mécanique en utilisant la chaleur dégagée, le monde en fut pour longtemps radicalement changé.
    La machine à vapeur a remplacé le travail manuel et a permis de créer un nouveau type de transport (locomotive et bateau à vapeur). Le besoin de machines a donné un élan au développement rapide de la métallurgie et du traitement des métaux.


    Au cours des 150 dernières années, la production/consommation globale d'énergie a été multipliée par 35,
alors que la population de la Terre a été multipliée par 7 environ . Ainsi, la consommation d'énergie par habitant augmente à un rythme plus rapide que la croissance de la production totale d'énergie. C'est à cette époque que les économies industrielles ont principalement dépendu des carburants fossiles.


    Alors que la majorité des conséquences découlant de ces évènements dans les domaines de la culture, de la science et de la politique pouvaient être observés comme jamais auparavant dans le monde, une des  plus importantes réalisation humaine restait dans l'hombre, et ce pendant près de deux siècles. Le capitalisme industriel, dont les immenses capacité à changer le monde, ont vu le jour grâce à l'extraction et à la combustion des carburants fossiles, à considérablement modifié les écosystèmes de la Terre. En à peine 200 ans, nos activités ont affectés irrémédiablement la capacité de notre planète à abriter la vie.

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    Cette modification importante se caractérise par un réchauffement global des températures. Cette responsabilité est réfutée par une partie de la population qui estime que d'autres facteurs seraient en causes, et que certaines estimations faites par des milliers de scientifiques. Certains points sont repris ici ; Doute 

    Avant de commencer à rentrer dans les détails, comme nous traitons d'énergie, un des points sur laquelle elle agit comme intrant important est l'économie et donc les coûts. Afin de bien comprendre ou nous mettons les pieds, nous allons faire un point sur la méthode de calcul du coût des énergies.

    Lorsque l’on estime le coût d'un mégawattheure (Mwh), on parle de « Levelized cost of energy » (LCOE – coût actualisé de l’énergie), qui intègre les CAPEX (“capital expenditures” – dépenses d’investissements) et les  OPEX (“operational expenditures” – dépenses d’exploitation) et varie selon la durée de vie, le facteur de charge et le taux d’actualisation que vous supposez. Le LCOE peut donc être prospectif si vous prenez des CAPEX/OPEX prospectifs pour 2050, mais il peut aussi être calculé pour une installation qui vient d’être mise en service. Cependant, comme l’on ne sait jamais en amont la durée de vie réelle de l’installation, ni son facteur de charge à venir, son évaluation sera toujours d’une certaine manière prospective. Les CAPEX & les OPEX sont des données plus « concrètes », vu qu’elles correspondent « dans la vraie vie » plus ou moins aux bilans comptables des exploitants.

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    Les prix, quant à eux, dépendent de nombreux facteurs politiques (taxes, impositions, disponibilités du foncier…) et d’organisation du marché (financement des réseaux, mode de soutien et de valorisation de l’électricité…). Nous ne pouvons pas vraiment prédire comment le système électrique et les marchés seront organisés demain pour produire un prix. Actuellement sur la base des coûts et de ces facteurs non-techniques, il y a un prix qui se forme dans le cadre des appels d’offres. Ce prix varie par exemple selon les facteurs de charge, qui dépendent globalement des caractéristiques du site et des conditions des autorisations d’exploiter délivrées par les pouvoirs publics.

 

    Actuellement, pour installer un mégawatt d’éolien terrestre, la dépense d’investissement initiale (CAPEX) se situe entre 1 et 1,7 million d’euros par mégawatt (€/MW). Cela dépend des caractéristiques de l’éolienne, notamment sa hauteur et la longueur des pales. Il y a en plus des coûts de maintenance de l’ordre de 40 000 euros par mégawatt et par an. Pour l’éolien en mer posé, les CAPEX tournent autour de 2,6 millions d’euros par mégawatt, tandis que les OPEX avoisinent les 60 000 €/MW par an. Les projections prévoient une baisse de 30 à 50 % des coûts pour ces technologies d’ici 2050, aussi bien pour les CAPEX que pour les OPEX.

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    Sur des centrales solaires photovoltaïques au sol, les coûts d’installation et de raccordement sont de 800 000 euros par mégawatt installé. Les OPEX se situent autour de 10-15 000 €/MW par an. D’après les projections, ces montants pourraient aussi être divisés par deux d’ici 2050. Le facteur de charge étant quasiment double pour l’éolien comparé à celui du solaire, on retrouve un coût du mégawattheure assez proche (entre 45 et 70 €/MWh actuellement en France selon les technologies), même si le solaire a de plus en plus un petit avantage, dépendant de l’ensoleillement des sites. Des prix records ont notamment été proposés par des centrales au Portugal ou en Tunisie à moins de 20 €/MWh.

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    Chaque région a un S3REnR, un schéma régional de raccordement au réseau des énergies renouvelables terrestres. Il prend en compte tous les besoins réseaux amont nécessaires au raccordement des volumes permettant d’atteindre l’objectif d’ENR défini, et planifie les raccordements sur cinq à dix ans. En fonction du nombre de mégawatts à raccorder, cela donne une quote-part payée par les producteurs (entre 30 et 80 000 €/MW selon les régions). Cela permet de mutualiser et de solidariser les différents producteurs d’ENR dans l’investissement réseau. À cette quote-part s’ajoutent les « ouvrages propres », c’est-à-dire le coût du raccordement sur le réseau de distribution (autour de 70 000 €/MW). Il n’y a pas de coûts cachés de construction des réseaux contrairement à ce qui est souvent dit pour les ENR terrestres. Il y a simplement une petite partie de l’extension des réseaux terrestres, de l’ordre de 10 %, qui est payée par les consommateurs via le Tarif d’utilisation des réseaux publics d’électricité (TURPE).

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    Ce n’est pas la même chose pour l’éolien Français en mer. Pour cette technologie, les coûts réseau ont été complètement intégrés par RTE depuis les lois « hydrocarbures » (2017) et « ESSOC » (2018). C’est le TURPE et donc le consommateur qui paiera le développement des réseaux en mer.

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    Nous allons aussi avoir recourt à cet acronyme; EROI. L'EROI, c'est le rapport entre l’énergie qu’il faut fournir pour extraire un combustible et l’énergie que donnera ce combustible lors de son utilisation. Par exemple le nombre de barils de pétrole qu'il faut pour produire un baril de pétrole. 

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    Les paramètres pris en compte pour le calcul de EROI :

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  • Le forage : plus le puits est profond, et plus cette phase consomme de l’énergie

  • Le pompage : plus la réserve diminue et plus il faut pomper vigoureusement

  • Le transport : il y a toujours une distance entre les puits et les lieux de raffinage et d’utilisation

  • Transformation primaire : à la tête du puits, il est nécessaire de séparer les gaz des liquides et de retirer l’eau et les sédiments qui se trouvent dans le pétrole brut

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    Lorsque le nombre est important, l'énergie de cette source est facile à obtenir et pas cher. Cependant, lorsque le nombre est petit, l'énergie de cette source est difficile à obtenir et coûteuse.

Ancre 1

La chaleur

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C'est probablement la forme d'énergie la plus connue et pour notre espèce plus particulièrement lorsque nous avons réussi à maîtriser le feu.  La chaleur est associée au mouvement des atomes et des molécules qui,  plus ils s'agitent  plus la chaleur interne d'un objet s'élève.  Néanmoins la chaleur n'est pas exactement la même que l'énergie cinétique des particules (énergie mobile), mais plutôt un transfert d'un corps chaud à un corps froid, une "sorte" d'écoulement entre deux corps qui a lieu lors d'un contact physique (conduction thermique) ou par émission d'un rayonnement électromagnétique comme le sont la lumière ou les rayons infrarouges dans l'espace (rayonnement thermique).  Le premier à théoriser la chaleur fut le chimiste écossais Joseph Black, mais c'est à un chimiste français, Antoine Lavoisier, que l'on doit d'avoir imaginé la chaleur comme un fluide tangible (de la matière) qu'il dénomma :  Le calorique. 

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à suivre...

Ancre 2

L'énergie éolienne

    Le principe des éoliennes pour la production d'énergie est,  la transformation de l'énergie cinétique de l'air en énergie mécanique rotative des pales de la turbine.

la puissance du vent en un lieu A, perpendiculaire à la direction du vent, est
est donnée par la formule :

equation puissance du vent.JPG

où P est la puissance, ρ est la densité de l'air, v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance, qui décrit la fraction du vent captée par une éolienne.

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La conception des éléments d'une éolienne sont prévus pour résister a des charges physiques importantes, dont voici les principales;

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1. La nacelle, qui sert à faire tourner le rotor et les voiles automatiquement dans le sens du vent.

 

2. Les pales, dont le volume comprend, le nombre total de pales (en générale 3) et la surface totale qu'elles couvriront, ce qui permet de donner la performances de l'éolienne.


4. Le multiplicateur - (Transmission) qui utilise le nombre de tours par minute (rpm) du rotor,  qui varie entre 45 tr/min et 400 tr/min, selon le modèle et la vitesse du vent, pour générer de l'énergie.

 

3. Le mât, ou est installé l'aérogénérateur, qui n'est pas qu'une simple structure de support. Il permet de surélever l'éolienne afin que les pales s'affranchissent du sol en toute sécurité, ce qui permet d'atteindre les vents les plus forts à des altitudes plus élevées. Le niveau maximal de la tour est facultatif dans de nombreux cas, sauf si des restrictions de zonage s'appliquent.


5. Le générateur convertit directement la rotation des pales de l'éolienne en électricité. À l'intérieur, les bobines de fil sont mises en rotation dans un champ magnétique pour créer de l'électricité. Les modèles de générateurs produisent souvent du courant alternatif (CA) ou du courant continu (CC). Ils sont disponibles dans une large gamme de puissances électriques de sortie.  Celle-ci, est influencée par la longueur des pales de l'éolienne. Les générateurs qui génèrent du courant alternatif sont généralement équipées de dispositifs permettant de générer la tension (un 100 V et 20 V ou 240 V) ainsi qu'une constance (série 50) de puissance, même  si  la  vitesse  du  vent  varie.  Les générateurs de courant continu, quant à eux, sont normalement utilisés dans des applications de charge de batteries et pour faire fonctionner les appareils Digicam ainsi que d'autres équipements comme la climatisation, en utilisant un onduleur qui convertit le courant continu.

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Le saviez-vous? A 500 mètres, le bruit d'une éolienne ne dépasse pas celui d'une bibliothèque.


 

Intégrer l'énergie éolienne dans le réseau

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Un aperçu
Les fluctuations et les caractéristiques  changeantes  de  l'énergie  éolienne ont un impact important sur la performance du réseau. Ainsi, aujourd'hui, les codes de réseau reflètent les problèmes de pénétration élevée de l'énergie éolienne connectée au réseau électrique. Nous allons rapidement aborder ces thèmes;  bilan de puissance active,  fluctuation et qualité de tension.


L'équilibre de la puissance active et les échelles de pénétration de l'énergie éolienne augmentent.
Prenons l'exemple du Danemark. Les niveaux de pénétration moyens sont de 20 à 30 % en passant par des valeurs de pointe du niveau de pénétration jusqu'à 100% de la charge du système. La production des parcs éoliens fluctue en fonction de la vitesse du vent, ce qui veut dire que le réseau électrique doit maintenir un équilibre entre l'offre et la demande. Les effets de la fluctuation de l'énergie éolienne sur la stabilité et la qualité du système électrique sont des questions vitales. Le problème de l'équilibre de la puissance active peut être résolu par plusieurs méthodes, comme suit : 

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  • Amélioration de la prévision de la vitesse du vent

  • Gestion de charges des consommateurs

  • Technologies de stockage de l'énergie

Le système de stockage peut être organisé localement pour chaque unité d'éolienne et centralement pour plusieurs éoliennes. Les systèmes de stockage d'énergie peuvent être de type batterie, supercondensateur, volant d'inertie, ou même des systèmes de stockage d'énergie combinés. Cela dépend du coût, de la quantité d'énergie nécessaire et de la dynamique de contrôle.

 

  • La mise en place d'accords d'échange d'énergie appropriés pour utiliser la régulation de la puissance de régulation dans les systèmes électriques voisins.

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La principale source d'instabilité de tension dans le réseau est la puissance réactive ; elle augmente également les pertes de puissance. En fait en mode de fonctionnement normal, la qualité de la tension électrique d'une éolienne ou d'un parc éolien peut être évaluée à l'aide des paramètres suivants :

La tension en régime permanent, où la tension au point de couplage commun (PCC) doit être maintenue à l'intérieur de la plage de tension nominale pour la production continue d'énergie.
Scintillements de la tension (pendant le fonctionnement et en raison de la commutation).
Les fluctuations du système de tension (plus exactement la valeur moyenne quadratique (RMS)) peuvent provoquer des fluctuations de la tension. Cela dépend de l'ampleur et de la fréquence de la fluctuation. Dans ce cas, le type de perturbation est appelé "papillotement" de la tension.  Ces papillotement sont déterminés par les service publics de chaque pays. La Commission électrotechnique internationale (IEC) 61000-4-15 propose un compteur qui peut mesurer directement le scintillement. Comme le montre la figure ci-dessous, la plupart des pays ont émis un soutien strict en cas de défaillance du réseau.  Les limites avec différentes amplitudes de chute de tension du réseau et le temps de perturbation approprié y sont définis pour un parc éolien (Youssef 2018)

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à suivre...

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Voltage profile for capability of wind t

Profil de tension pour la capacité des éoliennes

(adapté de Yang 2012)

Ancre 7

L'énergie Nucléaire

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    C'est l'énergie nucléaire qui alimente notre Soleil, les étoiles et le centre de la Terre. L'énergie nucléaire est libérée à partir des noyaux présent au coeur des atomes ( le mot  atome vient du Grec qui signifie insécable). Cette notion longtemps admise, fut balayée par Einstein au début du vingtième siècle, lorsqu'il publia coup sur coups quattre articles majeurs, paru dans la revue annalen der physik . Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen (Sur le mouvement de particules en suspension dans un fluide au repos impliqué par la théorie cinétique de la chaleur ) a été soumis par Einstein en mai 1905, même si ce n'était pas sa publication la plus importante, elle modifia la conception même de ce qu'était un atome. Il faisait remarquer que le mouvement brownien - un mouvement aléatoire de particules dans un fluide (de la poussière en suspension dans un verre d'eau) - pouvait être expliqué comme l'effet des atomes du liquide qui entre en collision avec les particules de poussière.

mouvement brownien gif animé.gif

mouvement brownien de pollens dans de l'eau

crédit image : koshu endo

 

 

    Les noyaux atomiques sont composés de protons et de neutrons, sauf pour le noyau d'hydrogène qui n'est composé que d'un seul proton et d'aucun neutron. Tous les autres éléments chimiques sont composés de plus d'un neutrons,  dont les particules, chargée positivement se  repoussent  les  unes  des  autres.  En 1911 le physicien britannique Ernest Rutherford confirma que les atomes de matière ont bien une structure interne et qu'ils sont faits d'un noyau plus petit, le neutron,  autour duquel tournent un certain nombre d'électrons. Cette découverte fut faite par le prix Nobel James Chadwick, qui était un collègue de Rutherford à Cambridge. 

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    Plus tard, au cours des années 60, lors d'expériences en mécanique quantique, des chercheurs ont montrés que des protons lancés à grande vitesse contre d'autres protons ou électrons révélaient d'autres particules encore plus petites, les quarcks.  Ce nom de "quarcks" fut donné par le physicien et prix Nobel de Caltech, Murray Gell Mann.  Cette répulsion électrique dite "faible" est dépassée par ce que l'on appelle une  interaction  nucléaire  forte. C'est cette force naturelle qui assure la cohésion des protons et des neutrons. C'est cet ensemble, la masse - ou aussi appelé énergie de liaison nucléaire - qui est considérée comme de l'énergie.  La quantité d'énergie de liaison dépend de la taille du noyau. C'est à dire que la masse est inversement proportionnelle à l'énergie émise. Par exemple un noyau de fer nécessite moins d'énergie de liaison pour lier chaque neutron et chaque proton au sein de celui ci. Les noyaux d'atomes plus lourd que le fer nécessitent progressivement plus d'énergie pour effectuer les liaison entre les protons et les électrons.

 

    C'est de cette manière que l'on peut libérer une partie de l'énergie de liaison en les  liants  avec des éléments plus légers que l'on arrive à la fusion nucléaire ou en fragmentant des noyaux d'éléments plus lourds que nous avons la fission nucléaire. En gros, ont peut voire les réacteurs nucléaires comme des convertisseurs d'énergie appartenant à la même famille que les chaudières : leur rôle est de produire de la chaleur qui est utilisée pour générer de la vapeur dont la détente fait tourner des turbo*générateurs pour produire de l'électricité.

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Petit aperçu de neutronique   

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    Un réacteur nucléaire nécessite deux matériaux de base : un élément fissile comme l'uranium et un modérateur. La fonction d'un modérateur, comme son nom l'indique, est de ralentir les neutrons qui jaillissent d'un atome d'uranium lors de sa fission, augmentant ainsi leurs chances de rencontrer et de pénétrer un autre atome d'uranium et de provoquer une autre fission. Dans la plupart des réacteurs de puissance actuels, le modérateur est l'eau, mais il peut aussi être en graphite, comme l'était le premier réacteur mis au point par Enrico Fermi à Chicago (atomes). Les modérateurs ralentissent les neutrons en leur donnant une cible - pour le graphite, le noyau d'un atome de carbone - sur laquelle ils peuvent rebondir à plusieurs reprises, perdant de l'énergie à chaque rebond, comme le font les boules de billard.

noyau atomique u238.jpg

    Les atomes d'uranium sont instables.  La force qui les maintient ensemble, appelée force forte, est presque entièrement contrebalancée par la force qui tente de les séparer : la charge électrique positive des 92 protons qui composent leur noyau. Comme le veut la règle, les charges opposées s'attirent, mais les charges semblables se repoussent. L'uranium est le dernier élément naturel du tableau périodique, l'élément 92, en raison de cette instabilité inhérente. Les éléments autres que l'uranium - le neptunium (93), le plutonium (94), etc. - sont tous fabriqués par l'homme en bombardant des éléments naturels avec des neutrons ou d'autres particules atomiques.

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    L'uranium naturel est un mélange de deux formes physiques différentes, appelées isotopes : l'uranium 238, dont le noyau contient 92 protons et 146 neutrons (92 + 146 = 238), et l'uranium 235, qui contient également 92 protons mais seulement 143 neutrons (92 + 143 = 235). L'isotope qui à la fois fissionne et réagit en chaîne, en libérant de l'énergie, est l'U235. Or, la plupart de l'uranium naturel que l'on trouve sur Terre est de l'U238 ; l'U235 ne représente qu'une partie sur 140, soit 0,07 %. Ce qui est gênant c'est que les deux isotopes sont chimiquement identiques, ce qui signifie qu'ils ne peuvent être séparés par des moyens chimiques. L'U238, avec trois neutrons de plus, est légèrement plus lourd. et l'U235 est plus puissant. On  es séparent en tirant parti de leur légère différence de masse.

 

    La séparation des isotopes de l'uranium, aussi appelée enrichissement, cela nécessite d'utiliser ce que l'on appelle dans le jargon scientifique une centrifugeuse. La force centrifuge dans un cylindre tournant rapidement sur son axe vertical sépare le mélange gazeux de deux isotopes. L'isotope U-235 étant plus léger, il est moins affecté par l'action et peut être soutiré au centre supérieur du cylindre. Cette méthode fut créée dans les années 50, et malgré plusieurs tentatives en vue d'améliorer la technique, elle restetoujours la préférée des industriels -simple, efficace et peu couteuse. 

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    En résumé : l'énergie produite dans un réacteur vient de la fission de l'U235 qui est la plus économique. C'est celle utilisée dans les centrales électriques. Elle est provoquée par la collision d'un noyau d'U 235  avec un neutron. La combinaison de ces deux particules est instable. Lorsqu'elle se décompose, les produits varient mais sont généralement un noyau de baryum, 142Ba, un noyau de krypton, 91Kr, et trois neutrons

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Quand à l'U238 il est insensible aux neutrons lents mais absorbe les neutrons rapides et se transmute en un élément plus lourd, le neptunium, qui se transmute à son tour en plutonium.

Production nucléaire

 

 

    Bien que la plus grande partie de l'énergie que nous utilisons provienne de la chaleur générée par la combustion de combustibles fossiles, cette chaleur peut également être produite indirectement par certains processus impliquant des noyaux atomiques; cette source d'énergie, appelée énergie nucléaire, est principalement utilisée pour produire de l'électricité. Parce que les forces nucléaires sont bien plus puissantes que les forces de liaisons chimiques, l'énergie libérée par un atome dans une réaction nucléaire est colossale en comparaison de celles résultant de la combustion. 

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    Du point de vue du réchauffement climatique, un point non négligeable de cette source d'énergie, est son faible taux d'émission de CO2, ou d'autre Gaz à effet de Serre (GES) dans l'atmosphère. Quelques dirigeant politique et bureaux de consultance, plaident en faveur de cette source d'énergie pour combattre ce réchauffement global. Nous verrons plus bas que ce n'est pas si simple.

    Comme nous l'avons vu plus haut, l'énergie nucléaire peut être produite à partir des noyaux atomiques par deux processus : la fission et la fusion.

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  • Dans la fission, la collision de certains types de noyaux lourds avec un neutron, entraîne la division du noyau en deux fragments de taille similaire appelés produits de fission. Comme les fragments séparés sont plus stables que le noyau lourd d'origine, ce processus libère de l'énergie.

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  • La fusion est la combinaison de deux noyaux très légers pour former un seul noyau combiné. Elle entraîne également la libération d'énormes quantités d'énergie, car le noyau combiné est plus stable que les noyaux légers d'origine.

    Tous les noyaux d'uranium qui absorbent un neutron ne forment pas exactement les mêmes produits de fission, mais le processus produit toujours deux noyaux de la taille de Ba (Barryum) et Kr (Krypton), ainsi que plusieurs neutrons. Les deux nouveaux noyaux produits dans les réactions de fission se déplacent très rapidement, tout comme les neutrons.

    À l'opposé des bombes atomiques, ou la réaction en chaine contenue dans un tout petit volume, dont les neutrons en excès vont rendre la réaction très rapide, afin de rendre l'énergie libérée explosive, la réaction dans un réacteur nucléaire est faite de façon progressive, en faisant en sorte, qu'un seul neutron soit libéré à chaque fission de l'Uranium 235.

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    En effet, dans un réacteur nucléaire, le neutrons excédentaires produit pendant la fission, sont absorbés par les barres de contrôle (voir figure ci-dessous). La position des barres, qui sont composées d'éléments capables d'absorbés les neutrons, tels le cadmium, peut être modifiés pour contrôler le taux de fission. 

    Les neutrons qui sortent de l'Uranium 235, sous l'effet de la fission, sont trop rapides pour pouvoir être absorbés, de façon efficace par d'autres noyaux et provoquer plus de fission. Ils doivent être ralentis, si l'on veut qu'ils soient utiles. Cette action est réalisée à l'aide d'un modérateur, qui selon le type de réacteur, sera de l'eau ordinaire, de l'eau lourde (enrichie en deutérium), ou du graphite. En général le système de refroidissement pour éliminer l'énergie calorifique produite par la fission est l'eau, ou dans certains cas du dioxyde de carbone gazeux (CO2).

 

    De manière générale, ont peut rapporter ça à un gigantesque boiler d'eau chaude dont la production de vapeur, (énergie thermique provenant de l'énergie cinétique excédentaire) est ensuite utilisée pour faire tourner de grandes turbines qui produisent de l'énergie électrique,  et qui se compose comme suit : 

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  1. Cuve du réacteur

  2. Barres de commandes

  3. Assemblage du combustible

  4. Turbine haute pression

  5. Turbine basse pression

  6. Alternateur

  7. Transformateur

  8. Condenseur

  9. Refroidissement (tour aéroréfrigérante ou eau de rivière)

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Ancre 6
Ancre 5

Climat et Nucléaire

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Concentration en Uranium et fluctuations climatiques

    Caralp et vigneaux (Geographical Abstract1969), ont attirés l'attention sur la radioactivité naturelle des sédiments et son interprétation paléoclimatique. Les concentrations en Uranium dans les séries sédimentaires présentent des valeurs maximales soulignant les limites biostatigraphiques. Ceci a été observé dans le Miocène supérieur et du Quaternaire marin, lors d'un passage d'un paléoclimat tempéré à froid. Une augmentation brutale de concentration se manifeste à la limite séparant une période interglaciaire et une glaciation, de la même manière géochimique, mais un peu postérieurement. Il apparaît, que dans certains réservoirs potentiel permanent d'Uranium, une glyptogénèse s'est exercée en phase successives, au gré des fluctuations climatiques (Furon 1972).

​

 

Est ce que l'énergie nucléaire permet de lutter contre le réchauffement climatique ?


    Cet argument est mis en avant depuis plusieurs années par l'industrie et ses promoteurs, et elle est en partie vrai :

une centrale nucléaire dans sa phase d'exploitation ne dégage que peu de CO2.

 

    De fait, beaucoup moins que les centrales fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz. Mais lorsque l'on met des perspectives comme le cycle de vie (ACV),  ou  l'on  prend  en  compte  l'amont  et  l'aval, c'est dire du moment ou l'uranium est extrait, la logistique complète générée par ce secteur,  le stockage (des centaines, voir des milliers d'années)  et l'entièreté du démantèlement, cela donne fatalement un autre résultat. (recherche d'info en cours 02/2020, les infos ne sont pas facilement trouvables ou peu complètes et généralement fournies par le secteur). Il est donc difficile d'avoir des infos précises sur la question.

 

    Il est évidemment, bien plus facile de marteler que "le nucléaire est une énergie propre, car elle ne dégage pas de CO2".  Ce qui est aussi partiellement faux et permet de noyer son interlocuteur dans des débats techniques sans preuves facilement trouvables. (Sovacool & Cooper 2008). En fait, l'industrie nucléaire et ses promotteurs suivent un schéma de communication classique propre à n'importe quelle autre entreprise à visée commerciale, qui sont :

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  1.  ne pas vouloir trop en dire (plus le message est complexe, moins il a de chance d'être perçu, compris et retenu);

  2. sans cesse marteler le même message;

  3. s'inscrire dans la continuité et la durée:

  4. viser la cohérence globale (en fait s'assurer de l'unité, et surtout éviter la diversité)

 

    Dans un autre article je reviendrais sur certains artifices utilisés par les promoteurs pour confirmer leurs propres biais de confirmations afin de confirmer leurs point de vues. Mais pour l'instant ce que l'on pourrait leurs rétorquer sans trop prendre de risque est que, si la lutte contre le réchauffement climatique était vraiment leurs préoccupation première ils devraient plutôt :  

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S'attaquer aux sources d'émissions  - Favoriser la sobriété  - Diminuer le gaspillage.

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    Selon le Giec, dans ses derniers rapports (près de 90 scénarios), le facteur de croissance des énergies renouvelables est compris entre 2,37 et 10,88 contre une fourchette allant de -0,64 à 7,22 pour le nucléaire.​​​​​​​​​​​​​

ipcc scenarios énergie to 2100 Figure-2.15.jpg

    Les scénarios qui envisagent une baisse du nucléaire en gardant un objectif de 1,5°C de réchauffement sont ceux qui prennent des hypothèses dites d’innovation les plus élevées. C’est-à-dire qu’ils envisagent un taux d’acceptation des énergies renouvelables plus important qu’aujourd’hui et des améliorations des systèmes de production plus rapides. Selon l'IPCC, le délai actuel entre la date de décision et la mise en service des centrales nucléaires est compris entre « 10 et 19 ans » et la capacité de déploiement actuelle est ralentie par les préoccupations du public au sujet du risque d’accidents et de la gestion des déchets et des coûts supplémentaires liés à l'exploitation en raison des conditions de marché, où l'augmentation des risques d'investissements dans des technologies nécessitant des dépenses en capitaux élevées est devenue importante (Heleen de Coninck, Aromar Revi & Al. IPCC SR1,5).

    En ce qui concerne la stabilisation du climat, qui est de plus en plus urgente, et en première approximation, on constate que l'énergie nucléaire est lente et qu'elle ne répond à aucun besoin technique ou opérationnel que ces concurrents bas carbone ne peuvent pas satisfaire - moins cher et plus rapidement - De plus le nombre de centrales nucléaires en construction dans le monde suffisent à peinent à remplacer celles qui ferment. On peut donc aussi, éliminer l'argument : "le nucléaire est utile pour lutter contre le réchauffement climatique". (UN 2021)

 

    Dans son rapport de 2014, le GIEC présente plusieurs études comparant les émissions de CO2 par secteur d'activités. (GIEC AR5, WG3, Energy systems, CH.7.8 p539-543)

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- 18 – 180 gCO2eq / kWh for PV (Kim et al., 2012; Hsu et al., 2012)

- 4 – 110 gCO2eq / kWh for nuclear power

(Warner and Heath, 2012) The harmonization has narrowed the ranges down from :

- 5 – 217 gCO2eq / kWh for PV

- 1 – 220 gCO2eq / kWh for nuclear energy

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- A new literature review for wind power published since 2002 reports 7 – 56 gCO2eq / kWh, where the upper part of the range is associated with smaller turbines (< 100 kW) (Arvesen and Hertwich, 2012), compared to 2 – 81 gCO2eq / kWh reported in SRREN

comparatif émission co2 par source 06_figure_7.6.png
Ancre 4

Économie et nucléaire

    Le temps de construction d'une centrale nucléaire est compris entre le coulage du premier «béton nucléaire» et le raccordement au réseau.  Les longues périodes de construction augmenteront les coûts de financement, et de manière très significative. Comme pour le projet de Hinkley Point en Angleterre, qui est retardé d'année en année et augmente les coups de fabrication, mais aussi sera répercuté sur les prix de l'électricité. En Asie, les délais de construction ont tendance à être plus courts; par exemple, les deux unités ABWR de 1315 MWe à Kashiwazaki-Kariwa 6 & 7 au Japon, qui ont commencé à fonctionner en 1996 et 1997, ont été construites en un peu plus de quatre ans, et 48-54 mois est une projection typique pour les usines aujourd'hui. Les trois derniers réacteurs sud-coréens, non retardés par le remplacement du câblage, ont duré en moyenne 51 mois.

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    Avec relativement peu de centrales nucléaires construites en Amérique du Nord et en Europe occidentale au cours des deux dernières décennies, la quantité d'informations sur les coûts de construction de centrales nucléaires modernes est quelque peu limitée. Le passage aux réacteurs de génération III a ajouté une incertitude supplémentaire. D'autres technologies de production non nucléaires présentent également des variations, tout comme les grands projets d'infrastructure tels que les routes et les ponts, selon l'endroit où ils sont construits. Cependant, la variation est particulièrement cruciale pour la production d'électricité car son économie dépend tellement de la minimisation des coûts d'investissement en capital, qui doivent être répercutés sur les consommateurs, contrairement aux routes, ponts et barrages qui sont généralement moins complexes. Comme pour tant d'autres projets d'envergures, les centrales nucléaires ont tendance à dépasser le budget de départ et à être en retard, et ce, dans la plupart des régions du monde.

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    En 2015 le rapport de l'AEN souligne le point important concernant le coût moyen actualisé à long terme (LCOE) : «Avec un taux d'actualisation de 3%, le nucléaire serait l'option la moins coûteuse pour tous les pays. Cependant, conformément au fait que les technologies nucléaires soient à forte intensité de capital par rapport au gaz naturel ou au charbon, son cout augmente  rapidement à mesure que le taux d'actualisation augmente. En conséquence, à un taux d'actualisation de 7%, la valeur médiane du nucléaire est proche de la valeur médiane du charbon [mais inférieure à celle du gaz dans les CCGT], et à un taux d'actualisation de 10%, la valeur médiane du nucléaire est supérieure à celle de soit les CCGT, soit le charbon. Ces résultats comprennent un coût du carbone de 30 $ / tonne, ainsi que des variations régionales des coûts de carburant présumés. »

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    Il existe également des variations importantes des coûts du capital par pays, en particulier entre les économies industrielles émergentes d'Asie de l'Est et les marchés matures d'Europe et d'Amérique du Nord. Les variations ont une variété d'explications, notamment: les coûts de main-d'œuvre différentiels; plus d'expérience dans la construction récente de réacteurs; économies d'échelle grâce à la construction de plusieurs unités; et rationalisation de la gestion des licences et des projets dans les grands projets de génie civil.

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    L'organisme national d'audit français, la Cour des comptes, a déclaré en 2012 que les coûts d'investissement au jour le jour de la construction de centrales nucléaires ont augmenté au fil du temps, passant de 1070 € / kWe (aux prix de 2010) lorsque le premier des 58 REP actuellement en service a été construit à Fessenheim (mis en service en 1978) à 2060 € / kWe lors de la construction des Chooz 1 et 2 en 2000, et à 3700 € / kWe projetés pour l'EPR de Flamanville. On peut soutenir qu'une grande partie de cette escalade est liée à la moindre ampleur du programme d'ici 2000 (par rapport à l'époque où les Français mettaient en service 4 à 6 nouveaux EPR par an dans les années 80) et à l'échec qui en a résulté pour réaliser des économies en série. Le programme français montre aussi sans doute que l'organisation industrielle et la standardisation d'une série de réacteurs ont permis de maîtriser les coûts de construction, les délais de construction et les coûts d'exploitation et de maintenance. Le coût total d'investissement au jour le jour du programme français PWR s'est élevé à moins de 85 milliards d'euros aux prix de 2010. Divisé par la capacité totale installée (63 GW), le coût moyen d'une nuitée est de 1335 € / kW. Cela correspond beaucoup aux coûts qui étaient alors fournis par les fabricants. En 2019, EDF estimait que le coût de construction de six unités EPR2 en France à la fin des années 2020 serait d'au moins 56 milliards d'euros, soit environ 5700 euros / kW. 

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    Dans la réalité il n'en est pas aussi simple. En effet, des estimation récentes, montrent que l’électricité produite par la nouvelle centrale nucléaire de Flamanville (EPR) devrait coûter entre 110 et 120 euros le MWh (Cour des comptes 2019). La RGN (Revue Générale Nucléaire) fait un comparatif avec avec l'éolien offshore, qui selon elle revient à 140 à 150 €uros le MWh. Dans le dernier appel d'offre, l'éolien de Dunkerque est aux alentours de 50 €uros le MWh, et peut être opérationnelle en 2026. Un total de 10 GWh sera disponible d'ici 2030, rien que pour l'éolien offshore. En Belgique l'étude Climact, montre que le point d'inflexion sera atteint en 2025 grâce aux investissement dans les EnR et aboutira à un prix moyen de 80 euros le MWh, pour un prix actuel variant de 290 à plus de 500 euros le MWh.

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    Ce que nous pouvons voir sur le graphique ci-dessous, c'est que malgré des investissement importants et une augmentation de la capacité de l'industrie nucléaire fissile, les émissions de dioxyde de carbone (CO2) ont continué à progresser. On y voit aussi une stagnation de la capacité de production depuis les années 2000, sauf pour pour une partie de l'Asie.

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à suivre...

nucléaire couts capacité co2.JPG

Comparatif croisé des émissions de CO2, de la capacité nucléaire et de ses couts .

Émissions mondiales de co2 liées à l'énergie ea.org 2020

EIA 2020, BP2020

Graphique - Lauwers 2021

Taux d'accidents


    A ce jour (2021), environ 580 réacteurs nucléaires dans le monde ont été exploités pendant un total cumulé de 14 000 années-réacteurs, avec au moins 25 % d'accidents avec au moins 11 accidents ayant entraîné une fusion totale ou partielle du cœur (Cochran, 2011). Bien que les dispositifs de sécurité des centrales nucléaires soient mis à jour régulièrement, les accidents nucléaires majeurs sont des événements rares qu'il n'est pas possible de modéliser dans un système aussi complexe qu'une centrale nucléaire. 

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à suivre (nbre accidents/années réacteurs)...

Ancre 3

Utopie Nucléaire?

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    Les partisans de l'énergie nucléaire peuvent être décrits en gros en deux catégories: les réalistes et les utopistes nucléaires. Un réaliste nucléaire suggère quelque chose de l'ordre de 1 térawatt d'énergie nucléaire, ce qui déjà trois fois plus qu'à l'heure actuelle, dans le cadre du mix énergétique mondial, assurant la sécurité en termes de diversité énergétique et de réduction des émissions de carbone. L'énergie nucléaire est intéressante, par exemple, pour les populations hautement industrialisées vivant sur des îles pauvres en ressources naturelles. On peut également affirmer que l'énergie nucléaire a un rôle clé à jouer dans la réalisation des objectifs d'émissions ( Brook, 2012 ) pour atténuer le changement climatique. 1

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    Une utopie nucléaire va beaucoup plus loin et suggère que l'énergie nucléaire peut potentiellement fournir la majeure partie des besoins énergétiques mondiaux à venir et que peut-être un mélange d'énergies renouvelables et d'énergie nucléaire en tant que base d'approvisionnement est l'avenir énergétique à long terme ( Manheimer, 2006 ). Compte tenu de la densité de puissance impressionnante fournie par les centrales nucléaires, il est logique de se demander si l'énergie nucléaire peut être massivement développée pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux. 

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    Dans un premier temps prenons en compte l'utopie et supposons que la conversion de l'énergie thermique nucléaire en électricité soit efficace à 100%. Aux fins des calculs à grande échelle, cette hypothèse généreuse fait peu de différence dans les conclusions. Imaginez maintenant un monde où 15 térawatts seraient fournis par 15 000 réacteurs de 1 gigawatt. Ou allons nous les placer ?

graphique : carbon brief 2021

    Quand on voit cette carte, on comprend aisément que placer des réacteurs supplémentaire, même si on colocalise, l'implémentation de réacteurs supplémentaires cela reste une tâche fastidieuse.

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    Les États-Unis, à eux seuls, comptent déjà plus de 60 emplacements de réacteurs commerciaux et auraient besoin d'environ 4 000 dans une utopie nucléaire. Trouver aussi peu que 100 nouveaux sites aux États-Unis est potentiellement un défi considérable. À titre d’exercice, prenez la carte ci dessus, choisissez un pays nucléarisé et essayez de ne marquer que 10 emplacements supplémentaires, vous verrez très rapidement que 15 000 est un nombre assez décourageant.

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    Une autre problématique inhérente aux centrales thermiques est qu'elles ont tendance à occuper des biens immobiliers de premier ordre à proximité des sources d'eau, contrairement à certaines sources d'énergie renouvelables. La colocalisation des réacteurs peut réduire ce problème, mais cela augmente le risque de pannes de cause commune. De plus, dans les endroits où les rivières sont exploitées pour l'eau de refroidissement, les stations nucléaires colocalisées sont susceptibles de pousser la température des rivières au-delà des limites acceptables. Le fait de placer les réacteurs loin des grandes sources d'eau et de les refroidir avec de l'air augmente les coûts et diminue la disponibilité de l'eau de refroidissement en cas d'urgence.

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Intermittence

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    Les centrales nucléaires sont comme toutes les formes d'énergies;  intermittentes.  Elles nécessitent des arrêts planifiés pour la maintenance et le remplacement des barres de combustible. Ensuite les arrêts non planifiés, par exemple en cas de panne pour diverse raisons. Ces arrêts "mineurs" signifient qu'il manque 1 GW d'énergie sur le réseau. C'est la capacité du réseau à absorber ce manque qui est important. Cette absorption ce fait soit par la diversification des sources, soit par une capacité de stockage. Cette dernière est utilisée pout n'importe quel autre service d'utilisation primaire comme l'eau par exemple. Nous n'avons pas de pluie en continu pour nous approvisionner en eau. C'est le stockage en amont et l'intelligence du réseau qui joue ce rôle.

Ancre 8

L'électricité nucléaire - une promesse non tenue

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    L'ère de la production commerciale d'électricité nucléaire a commencé le 17 octobre 1956, lorsque la reine Elizabeth II a mis en marche la centrale de Calder Hall, sur la côte nord-ouest de l'Angleterre. Nous sommes "en 2021" et après plus de soixante ans d'activités, nous pouvons nous dire que c'est suffisants pour juger d'une technologie. C'est un "échec réussi".


    La partie succès est bien documentée. Après un démarrage lent, la construction de réacteurs a commencé à s'accélérer à la fin des années 1960. En 1977, plus de 10 % de l'électricité américaine provenait de la fission, pour atteindre 20 % en 1991. Cette pénétration du marché a été plus rapide que celle du photovoltaïque et des éoliennes depuis les années 1990. En France, c'est sous la présidence du Générale de Gaule que les premières centrales nucléaires seront construite en 1955. C'est l"entreprise EDF qui sera chargée de mettre en place le programme électronucléaire, et lance en 1957 la construction du premier réacteur de la centrale nucléaire de Chinon d'un puissance de 70 MW. Rapidement le parc nucléaire français monte à 2 084 MW. Et en 1973, le nucléaire fournit environ 8% de la production totale d’électricité française. Suite au choc pétrolier de 1977, un programme de construction ambitieux est lancé : 54 réacteurs, d’une puissance cumulée de plus de 55 000 MW (55 GW), sont construits dans les années 1970 et 1980, dont le coût de construction total atteint l’équivalent de plus de 70 milliards € actuels.(Cour des comptes janvier 2012) En 2016, le parc nucléaire français est constitué de 58 réacteurs répartis entre 19 centrales. Il compte pour 77% de la production d’électricité ce qui représente 415,9 Twh (2014)


    Fin 2019, le monde comptait 449 réacteurs en service (et 53 en construction), dont beaucoup avaient un facteur de capacité supérieur à 90 %. C'est la part de la production potentielle des réacteurs qu'ils ont exploitée en moyenne toute l'année, produisant plus de deux fois plus d'électricité que les cellules photovoltaïques et les éoliennes réunies. En 2018, l'énergie nucléaire a fourni la plus grande part d'électricité en France (environ 72 %), 50 % en Hongrie, les réacteurs suisses ont contribué à hauteur de 38 %, et en Corée du Sud, elle était de 24 %, tandis que la part aux États-Unis était juste en dessous de 20 %.

 

    La partie "échec" est liée aux attentes non satisfaites. L'affirmation selon laquelle l'électricité nucléaire serait "trop bon marché pour être mesurée" n'est pas apocryphe : c'est ce que Lewis L. Strauss, président de la Commission américaine de l'énergie atomique en 1954, a déclaré à la National Association of Science Writers à New York en septembre de la même année. Et d'autres affirmations tout aussi audacieuses allaient suivre.       En 1971, Glenn Seaborg, prix Nobel et président de la Commission de l'énergie atomique de l'époque, prédit que les réacteurs nucléaires produiront la quasi-totalité de l'électricité mondiale en l'an 2000. Seaborg envisageait des "nuplexes" côtiers géants qui dessaleraient l'eau de mer, des satellites géostationnaires alimentés par des réacteurs nucléaires compacts pour la diffusion de programmes télévisés, des pétroliers à propulsion nucléaire et des explosifs nucléaires qui modifieraient le débit des rivières et creuseraient des villes souterraines. Pendant ce temps, la propulsion nucléaire transporterait des hommes sur Mars.
Mais le projet de production d'électricité à partir de la fission s'est enlisé au cours des années 1980, alors que la demande d'électricité dans les économies riches diminuait et que les problèmes des centrales nucléaires se multipliaient. Et trois échecs ont été inquiétants : les accidents de Three Mile Island en Pennsylvanie en 1979, de Tchernobyl en Ukraine en 1986 et de Fukushima au Japon en 2011 ont apporté des preuves supplémentaires aux personnes opposées à la fission en toutes circonstances.
    Entre-temps, la construction des centrales nucléaires a connu des dépassements de coûts et une incapacité frustrante à trouver une solution acceptable pour le stockage permanent du combustible nucléaire usé (actuellement stocké temporairement dans des conteneurs sur les sites des centrales). On n'a pas non plus réussi à passer à des réacteurs qui pourraient être plus sûrs et moins coûteux que le modèle dominant de réacteurs à eau pressurisée, qui sont essentiellement des versions échouées des modèles de sous-marins de la marine américaine des années 1950.


    En conséquence, l'opinion publique occidentale n'est toujours pas convaincue, les sociétés productrices d'électricité sont méfiantes, l'Allemagne et la Suède sont sur le point de fermer l'ensemble de leurs industries, et même la France prévoit de réduire ses dépenses. Les réacteurs actuellement en construction dans le monde ne pourront pas compenser la capacité qui sera perdue avec la fermeture des réacteurs vieillissants dans les années à venir. Certains commentateurs parlent déjà d'un NEXit, qui s'explique par le fait que la capacité nucléaire a atteint un pic de 438 centrales nucléaires commerciales en 2002, et qu'actuellement en 2021, nous sommes toujours à plus ou moins 440 réacteurs (WNA 2021) et que la majorité des centrales en construction se trouvent an asie, mais qu'il n'y a pas assez d'étudiant en ingénieries nucléaire pour pouvoir y travailler (Xu Yi-Chong 2010). Il est à noter que certaine centrales au charbon chinoise tournent en surcapacité, et que les centrales nucléaires en construction doivent les remplacer.


    Les seules grandes économies ayant des plans d'expansion majeurs se trouvent en Asie, avec la Chine et l'Inde en tête, mais même elles ne pourront pas faire grand-chose pour inverser le déclin de la part de l'énergie nucléaire dans la production mondiale d'électricité. Cette part a culminé à près de 18 % en 1996, est tombée à 10 % en 2018 et devrait atteindre 12 % seulement d'ici 2040, selon l'Agence internationale de l'énergie. 


    Il y a beaucoup de choses que nous pourrions faire - avant tout, utiliser de meilleures conceptions de réacteurs et agir résolument sur le stockage des déchets - pour produire une part significative de l'électricité à partir de la fission nucléaire et ainsi limiter les émissions de carbone. Mais cela nécessiterait un examen impartial des faits et une approche véritablement à long terme de la politique énergétique mondiale. On ne vois aucun signe réel de l'une ou l'autre. 

    La production d'électricité à partir de la fission a reculé dans toutes les économies occidentales (et au Japon) et, bien que de nouveaux réacteurs soient en cours de construction dans un certain nombre de pays (surtout en Chine, en Inde et en Russie), le retrait imminent des réacteurs construits pendant les décennies d'expansion rapide du nucléaire (1970-1990) ne rendra pas la production nucléaire relativement plus importante que par le passé. En 1996, la fission fournissait près de 18 % de l'électricité mondiale, en 2016, cette part était tombée à 11 % et même le meilleur scénario pour 2040 ne la voit pas dépasser 12 % (WNA 2017). D'autres scénarios imaginent une percée de 10% de la demande totale aux alentours de 2070. (Shell sky 2021)

grid scenarios mix 2018 nucléaire.JPG

Graphique comprenant les différents scénarios évaluant l'évolution du nucléaire dans le monde jusqu'en 2060

source : World Energy Council - WEI 2019

    Les perspectives prévoient une croissance supérieure à la tendance historique mais limitée à 1 Gtep/an (1 Gtep = 11.630 Kwh, soit : 0,01163 GWh) maximum d'ici 2050. Ce chiffre peut être plus élevé (jusqu'au double)
pour les scénarios descendants comme Shell Mountain et Unfinished Symphony du Conseil ou les scénarios normatifs. les scénarios normatifs. DNV GL se distingue nettement en prévoyant une diminution de la production après 2030. Cela s'explique par le fait qu'il tient compte de l'acceptation sociale limitée du nucléaire compte tenu des risques associés aux catastrophes potentielles, aux déchets nucléaires et au démantèlement. En outre, il sera en concurrence avec des options renouvelables rapidement commercialisées dont les courbes d'apprentissage montrent des signaux beaucoup plus prometteurs.

A New Generation...

Le future du nucléaire

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    Comme nous l'avons vu au-dessus, en l'état l'industrie nucléaire énergétique classique ne devrait pas évoluer de manière conséquente dans l'immédiat. Néanmoins certaines pistes sérieuses montrent que cette source d'énergie n'est pas prêt d'être abandonnée. La question que l'on peut se poser : Peut'on faire mieux que les réacteurs conventionnels (fabriqués il y' 60 ans) pour notre future énergétique ? 

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Ancre 9

Conclusion

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Le nucléaire ne sera pas "la" solution pour endiguer le réchauffement climatique puisque son déploiement prend beaucoup trop de temps et que tous les scénarios pour maintenir le réchauffement climatique à 1,5°C, doivent être opérationnels le plus vite possible, que les autres formes d'énergie permettent un déploiement beaucoup plus rapide. Mais il sera, ainsi que le gaz, une des bases d'approvisionnement en énergies bas carbone. (Shell Sky, IPCC, ). En outre, la forme de production et de gestion centralisée ne permet pas à l'industrie d'être suffisamment agile pour répondre aux exigences modernes.

Ancre 10

L'énergie Solaire

    Avant d'expliquer l'importance qu'a le soleil sur notre vie, nous allons détaillé ce que représente nos besoin en énergie. La consommation mondiale actuelle (2021) d'électricité s'élève actuellement à environ 20 TW (1 TW= 1012 W), dont la grande majorité est générée par la combustion de combustibles fossiles.  Les rejets  de CO2 associé à ces sources anthropiques a considérablement modifié la composition de l'atmosphère et peut avoir un impact négatif sur la température globale, le niveau des mers et la qualité de l'air et donc de l'ensemble des régimes climatiques et pour finir représente un risque élevé d’Armageddon planétaire pour l'humanité et les autres formes de vies présentes sur la planète Terre.


    Des estimations récentes estiment que d'ici la moitié du XXIème siècle nous devrons fournir jusqu'à 30 TW d'énergie décarbonnée, pour une population qui est estimée à 10 milliards d'êtres.

   

    Si on suppose que toute cette énergie sera fournie par des panneaux photovoltaïques ayant une durée de vie de 30 ans, cela se traduit par des taux de production photovoltaïque de 1 TW/an. Toutes les ressources renouvelables seront importantes, mais seul le solaire peut répondre à ce niveau de demande. Le potentiel mondial pratique des autres sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie éolienne, hydroélectrique, la biomasse et la géothermie, est estimé à moins de 10 TW2. Sur les 105 TW de lumière solaire qui frappent la terre, on estime qu'il est techniquement possible de capter jusqu'à 600 TW.


    Quel est le potentiel théorique de l'énergie solaire ?

    Le soleil nous envoie chaque année... et gratuitement 3 766 800 exajoules d'énergie (1 exajoule équivaut à 1 milliard de milliards de joules). L'ensemble de la végétation terrestre ne capture qu'environ 3 000 exajoules à travers la photosynthèse (Kazuhisa 2007, ch.2.1.1). L'ensemble de l'activité et de l'industrie humaine, consomment annuellement un peu plus de 500 exajoules, ce qui équivaut à plus ou moins 90 minutes de toute l'énergie reçue. (annual energy outlook 2021)

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    Le rayonnement solaire s'élève à 1,7 1017 W ; 34% est réfléchi, 42% est converti en chaleur directe, 23% est stocké dans la vapeur d'eau. directement en chaleur, 23% sont stockés dans la vapeur d'eau, le vent et les vagues consomment environ 1% et les plantes 0,023%. 1%, et les plantes en consomment 0,023%.

    La constante solaire (le flux solaire intercepté par la terre) est de 1,37 kW/m2. La section transversale
de la terre interceptant ce flux à tout moment est de πr² (où r = 6 378 km est le rayon de la terre), mais la surface de la terre sur laquelle ce flux est moyenné dans le temps est de 4πr². Par conséquent, le flux solaire moyen dans le temps et dans l'espace qui frappe l'atmosphère externe de la terre est de (1,37 kW/m2)/ 4 =

 

342,5 W/m²

​

Comme nous l'avons vu plus haut une partie de ce flux (19%) est absorbé par l'atmosphère et les nuages et 30 % est dispersé. Ce qui donne un flux moyen qui atteint la surface de la terre  de 342,5 W/m² - 49% (1-0,49) =

 

174,7 W/m²

​

Ce qui nous donne un potentiel théorique d'énergie solaire qui est l'intégrale de ce flux moyen sur la surface de la terre (4πr²), soit :

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P = (174,7 W/m2 ) · (4πr 2 )

​

= (174,7 W/m2 ) · 4π · (6,378 km) 2 · (106 m2 /km2 ) · (10-12 TW/W)

​

= 89 300 TW.

 

Ce potentiel théorique pourrait être utilisé pour produire 20 TW d'énergie neutre en carbone à partir de sources d'énergie à 10 % d'efficacité couvrant seulement 0,17 % de la surface de la terre, ou encore 

​

A20TW = 0.168% · (4πr² )

= 0.168% · 4π · (6,378 km)²

= 858 792 km²

​

858 792 km², c'est à peu près, une fois et demi la surface de la France (551 695 km²) ou plus de dix fois plus petit que la Chine (9 600 000 km²) ou les États-Unis (9 629 091 km²). Par exemple pour ce dernier il faudrait, si on prend les chiffres de 2019, soit 24 386 Twh, que nous convertissons par heure, ce qui nous donne approximativement 3 Twh. Ce qui pour l'exemple revient, que pour un systèmes de conversion solaire soit efficace cela nécessiterait une surface d'autant de : 

​

​

A3TW = A20TW · (3/20)

= 858 792 km² · (3/20)

= 128 819 km² 

​

Ce qui revient pour les États -Unis à une surface de : (100*128 819/9 629 091) 1,34% du territoire.

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​

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Le système photovoltaïque
Le système photovoltaïque (PV) convertit directement le rayonnement solaire en électricité.
Le schéma fonctionnel d'un système PV général est illustré ci dessous

 

 

 

 

 

 

 

 


Il se compose des éléments suivants :


1. Le générateur PV : Sa fonction est de convertir le rayonnement solaire en électricité. Il s'agit de
l'unité principale du système.

​

2. Le stockage par batterie : Pour être disponible en l'absence de rayonnement solaire, l'énergie électrique produite par la matrice doit être partiellement stockée, normalement à l'aide de batteries.

3. Le circuits de conditionnement d'énergie : En fonction de la nature de la charge, l'énergie électrique générée doit être conditionnée en utilisant des circuits à courant continu.
électrique générée doit être conditionnée à l'aide de convertisseurs CC/CC et d'inverseurs CC/CA.
et des onduleurs CC/CA.


Le champ photovoltaïque est composé de modules solaires. Chaque module contient une matrice de
cellules solaires connectées en série et en parallèle pour satisfaire les propriétés terminales du
générateur entier. Par conséquent, la cellule solaire est l'élément de base du générateur PV.
Cet élément est le convertisseur de base du rayonnement solaire en électricité.

​

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 LE RAYONNEMENT SOLAIRE


Le soleil émet des radiations électromagnétiques comme un corps noir ayant une température de surface d'environ 6000 K. Ceci est dû à la réaction nucléaire en cours à l'intérieur du soleil qui transforme l'hydrogène en hélium. Le rayon du soleil est de 1,39 109 m. La puissance totale de rayonnement reçue du soleil sur une unité de surface perpendiculaire aux rayons solaires à la distance moyenne terre-soleil, appelée unité astronomique est appelée la constante solaire (CS), où 1 unité astronomique ¼ 1 AU ¼ 1,496 1011 m. L'intensité du rayonnement solaire à d'autres distances s'exprime en termes de SC avec SC ¼ 1,353 kW/m2 [2]. Comme le rayonnement d'un corps noir, le rayonnement solaire couvre un large spectre de longueurs d'onde allant de l'ultraviolet profond à l'infrarouge lointain. La distribution spectrale de puissance de la lumière solaire est illustrée à la figure ci-dessous ;

L'axe vertical représente l'irradiance spectrale I tandis que l'axe horizontal représente la longueur d'onde en mm. L'éclairement énergétique I est égal à la puissance solaire incidente puissance/m2 /dl ¼ [W/m2 /mm], où dl est la plage de longueur d'onde respective en mm. Il est est clair sur cette figure que l'irradiance spectrale maximale se situe à l ¼ 0,5 mm. L'irradiance spectrale diminue en raison de la présence d'air dans l'atmosphère. Les molécules d'air diffusent et absorbent le rayonnement solaire. Il existe plusieurs bandes d'absorption pour O2, H2O et CO2. Il est important de noter que l'irradiance solaire ressemble au rayonnement du corps noir à w6000 K représenté par la ligne pointillée.

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La flexibilité du réseau photovoltaïque

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En raison des préoccupations liées à l'environnement et aux émissions de CO2, les sources d'énergie renouvelables ont attiré de plus en plus l'attention, et ce, sur toute la planète. Plusieurs pays ont fixé un objectif ambitieux en matière de capacité de production d'énergie à partir de sources d'énergie renouvelables. Les principal est le Conseil européen qui vise une part de 30 % d'énergies renouvelables d'ici à 2030. Dans le même ordre d'idées, l'Allemagne prévoit d'atteindre 18 % d'énergies renouvelables dans sa consommation brute d'énergie ou le Danemark qui s'est également fixé comme objectif d'être indépendant des combustibles fossiles d'ici 2050 Grâce à ces initiatives, le niveau de pénétration des énergies renouvelables telles que l'énergie solaire et l'énergie éolienne a considérablement augmenté
au cours des dernières décennies.(REN 21).
Au milieu des sources d'énergie renouvelables, les systèmes photovoltaïques (PV) ont le potentiel pour devenir une source majeure d'électricité dans un futur proche en raison de plusieurs avantages tels que la simplicité d'installation, la modularité, l'efficacité et la fiabilité. En fait, le coût de l'installation et des composants des systèmes PV, en particulier le coût des panneaux PV, a considérablement baissé ces dernières années, voir figure ci-dessous.

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Au cours, de l'été 2017, le gouvernement Anglais a décidé d'interdire la vente de véhicules à essence et diesel à l'horizon 2040 (GOV.UK 2017). C'est une décision courageuse, mais probablement vaine.

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En effet, le prix des moyens de stockage d'énergie, et tout spécialement ceux des batteries 'lithium-ion", sont entrains de chuter, encore plus drastiquement que celui des panneaux solaires. En 2010, la Deutsche Bank publiait une étude ou elle annonçait que le prix des batteries lithium-ion, qui était à l'époque de 650 dollars par kilowatt/heure, serait d'ici 2020  divisé par deux. (DB The End of the Oil Age 2011 and beyond: a reality check). En 2020 le prix était de 137 dollars (Bloomberg 2020). D'autres études ont montrés que cette tendance allait continuer et que le marché allait continuer de croitre (MIT 2020, Reserch & Markets 2021). 

En 2010 les prix des batteries lithium-ion était de 1100 dollars le kilowatt/heure en 2010. Il s'avère qu'en 2020 les prix ont chutés de 87 % en 2020 en atteignant le prix de 137 dollars le kilowatt/heure (Bloomberg 2020). Tesla a prévu de pouvoir produire des batteries au prix rond de 100 dollars par kilowatt/heure pour les années à venir (Teslarati 2021).

De telles avancées montrent que les véhicules électriques sont n concurrences directes avec les véhicules traditionnels à combustion, tout en étant sur une courbe d'apprentissage descendante. Tout cela sans tenir compte que les véhicules électriques couteront de moins en moins cher à faire fonctionner, assurer et à entretenir.

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Le fait que les moyens de stockage d'énergie soient soumis à une courbe d'apprentissage similaire à celle des moyens de productions d'énergie renouvelable, est important, car c'est dans ce cadre qu'une transition énergétique efficace nous fera abandonner les énergies fossiles.

Singularité énergétique

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Nous nous trouvons en plein boom des énergies renouvelables (EnR). En effet, l'intérêt pour l'indépendance énergétique personnelle augmente de manière exponentielle. Un récent rapport de l'AIE montre qu'il existe un consensus scientifique sur l’existence de solutions technologiques permettant de maintenir la stabilité du système électrique sans production conventionnelle comme les fossiles ou le nucléaire. Environ 85 % des investissements dans l'électricité en 2018 ont été financés sur les bilans des services publics, des producteurs d'électricité indépendants et des consommateurs (pour la production décentralisée). L'utilisation du financement de projets pour financer de nouveaux projets s'est développée ces dernières années, sa contribution la plus importante étant désormais dans le secteur des énergies renouvelables à grande échelle. Le ratio moyen dette/fonds propres dans les financements de projets a généralement été d'environ 80/20. (IEA 2019)

 

Dame Nature exerce une pression accrue sur l'infrastructure du réseau. Il n'est pas étonnant que l'intérêt des clients pour la maîtrise de leur destin énergétique augmente.

​

Le stockage de l'énergie entraîne un changement radical dans le domaine de l'énergie, que cela soit, pour les services publics, les clients et les entreprises. C'est un changement substantiel de paradigme. C'est Internet par rapport au télégraphe, ou le moulin à vent du 18ème siècle par rapport à l'éolienne moderne.

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Stockage d'énergie plus intelligent

En effet, le stockage de l'énergie contribue grandement à résoudre les problèmes liés à la nature intermittente du solaire ou de l'éolien. La clé fondamentale pour débloquer cette valeur est un contrôle adéquat du stockage d'énergie et une gestion dynamique du système énergétique.

C'est là que l'intelligence Artificielle (IA) va faire la différence. Associer l'énergie renouvelable au stockage basé sur l'IA pourrait être un changement de paradigme évolutionnaire sans précédent, un peu comme passer d'un prêtre à internet.

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Optimisation des systèmes autonomes

Afin d'optimiser correctement la taille du système et de maximiser les rendements  l'IA ouvre de nombreuses possibilités, par exemple: par des analyses prédictives, l'apprentissage automatique "Deep Learning" et le big data .  La production d'électricité, les conditions météorologiques, la congestion du réseau à proximité et les tarifs d'électricité seront prises en compte par le réseau.

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L'IA permettrait de fournir une gamme de nouvelles chaînes de valeur pour les projets d'EnR.  Par exemple, l'ajout d'un stockage intelligent aux projets solaires maximise le retour sur investissement, donne au site hôte un meilleur contrôle et une plus grande flexibilité face à l'évolution des tarifs, du côté de la demande ou des conditions climatiques tout en permettant l'accès à de nouveaux programmes de services publics, voire des revenus supplémentaires. Dans certaines régions, cela pourrait conduire à éviter la dépendances aux centrales éloignées et fort coûteuses.

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Il est de plus en plus clair qu'il existe une demande mondiale d'énergie propre, bon marché et fiable. Cela ne concerne pas seulement les gestionnaires de réseau électrique, mais la fiabilité de la source d’énergie et le coût de l’électricité pour les consommateurs, les gouvernements et les acteurs de la société civile, ainsi que pour les entreprises.

L'applications d'IA dans le secteur de l'énergie permet notamment la réduction des émission de CO2 grâce à une meilleur répartition et une gestion optimale de stockage ou «Intelligent Energy Storage» (IES) sont nécessaires pour gérer les pics excessifs injectée sur le réseau. Par exemple, l'IA pourrait être utilisée pour gérer les pénuries d'électricité en réduisant brièvement la demande d'électricité sur le réseau principal, alors qu'elle utilise le stockage dans des communautés ou des régions entières.

 

En Amérique du Nord, l'âge moyen des centrales électriques est de plus de 30 ans et celui des transformateurs électriques de plus de 40 ans. Cette détérioration du réseau de transport a conduit à la panne du «Nord-Est» de 2003 qui a affecté plusieurs réseaux interconnectés aux États-Unis et au Canada. Cette panne a laissé 50 millions de personnes sans électricité pendant plusieurs jours lorsque, stupidement, une ligne de transmission surchargée s'est effondrée et a heurté un arbre. De telles circonstances, ont des effets en cascade sur l'ensemble du réseau régional et constitue une tâche difficile à gérer pour les entreprises énergétique traditionnelle?

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Une production décentralisée en expansion

Un autre défi est l'émergence et la croissance d'une production décentralisée, où les utilisateurs privés produisent et utilisent leur propre électricité à partir de sources renouvelables, telles que l'énergie éolienne et solaire. Cela complique l'offre et la demande obligeant les services publics à acheter le surplus d'énergie aux utilisateurs privés, qui produisent plus d'électricité qu'ils n'en consomment et la renvoient au réseau. Depuis 2010, l'utilisation de l'énergie solaire a plus que triplé et cette tendance devrait se poursuivre avec les cellules photovoltaïques, des appareils générant de l'électricité à partir du soleil, réduisant les coûts et augmentant l'efficacité.

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Combiné à d'autres technologies telles que le Big Data, le Cloud et l'Internet des objets (IoT), le stockage d'énergie avec l'IA peut jouer un rôle important dans la gestion du réseau électrique en améliorant l'accessibilité des sources d'énergie. énergies renouvelables.

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Pour faire face aux différents défis qui se présentent, il semble que l'une des principales solutions durables et fiables sera le stockage d'énergie intelligent, . Ce «réseau intelligent» collectera et synthétisera en permanence d'énormes quantités de données provenant de millions de capteurs intelligents et sera capable de prendre des décisions en temps réel sur la meilleure façon d'allouer les ressources énergétiques. En outre, les progrès réalisés à partir des algorithmes «Deep Learning»,  révolutionneront la demande et l'offre de l'économie énergétique.

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Au cours des prochaines années, les technologies IES devraient accroître l'efficacité du secteur des énergies renouvelables en automatisant ses opérations dans les secteurs de l'énergie solaire et éolienne. Cela permettra également aux services publics et aux PPI de lancer de nouveaux modèles commerciaux et de services.

Si un tel réseau intelligent avec stockage d'énergie est capable d'utiliser les sources d'énergie, y compris les combustibles fossiles, de la manière la plus efficace en intégrant mieux les ressources renouvelables à mesure que ces technologies évoluent en sophistication et en capacité, l'ensemble du système peut être en mesure de réduire considérablement son empreinte carbone. . Malgré cette incertitude quant aux futures innovations technologiques, nous pouvons également nous attendre à ce que le système de réseau intelligent réduise les factures d'électricité et prévienne les pannes d'électricité catastrophiques en optimisant l'offre et la demande aux niveaux local et national.

Conclusion

(provisoire)

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Je pense que le solaire photovoltaïque constituera, pour la majorité du monde, l'essentiel de l'approvisionnement énergétique d'ici cinquante ans – à la fois l'électricité et d'autres combustibles qui ont été fabriqués à l'aide de l'énergie solaire. C'est une transition tout à fait bénéfique à la fois parce que l'énergie solaire sera bon marché et parce qu'il est relativement facile de donner aux habitants des pays les plus pauvres un accès à l'électricité à partir du photovoltaïque, par rapport à la mise en place d'énormes centrales électriques et à des réseaux de câbles électriques sur des milliers de kilomètres.

Sources

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energy >> énergie >> wind tubines >> éoliennes >> nuclear >> nucléaire >> renewable >> renouvelable
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