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1 Laurent Catoire Maître de conférences à l’Université d’Orléans, Département d

1 Laurent Catoire Maître de conférences à l’Université d’Orléans, Département de Chimie ICARE, CNRS Orléans Ressources énergétiques et environnement Conversion énergétique de la biomasse Cours L4CI-01 : Thématiques actuelles en chimie de l’environnement 2 SOMMAIRE LES SOURCES D’ENERGIE ENERGIES FOSSILES pétrole brut gaz naturel charbons énergies fossiles non conventionnelles PROBLEMATIQUES LIEES A LA COMBUSTION pollution atmosphérique effet de serre additionnel nouveaux combustibles, nouveaux carburants CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE biocarburants biogaz biooil dihydrogène-biohydrogène CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 3 LES SOURCES D’ENERGIE 4 LES SOURCES D’ENERGIE • Le soleil • Les énergies fossiles – le charbon – le pétrole – le gaz naturel • Electricité primaire – l’énergie hydraulique – le nucléaire • Autres sources – Les combustibles traditionnels (bois, tourbe) – la biomasse et les déchets – l’énergie éolienne – l’énergie des vagues et des marées – la géothermie 5 LES SOURCES D’ENERGIE Chauffage Electricités (primaire et secondaire) Carburants 6 Evolution technologique et Evolution technologique et consommation d consommation d’é ’énergie nergie Consommation journalière (millions de barils EP) 1860 : 8 1920 : 20 1980 : 150 2000 : 200 2030 : 400 Population : 1860 : ≈1 Milliard 1920 : 2 1980 : 5 2000 : 6 2030 : 8 7 ENERGIES FOSSILES 8 ENERGIES FOSSILES 81% des besoins énergétiques mondiaux en 2000 87% des besoins énergétiques mondiaux en 2030 pétrole : 35% (34%) gaz naturel : 22% (25%) charbons : 24% (28%) Nucléaire : 7% (5%) Hydroélectricité et géothermie : 3% (2%) Solaire et éolienne : 0,2% (0,4%) Biomasse (bois et déchets) : ≈10% ( ≈5%) Ces prévisions sont basées sur un baril à 21 $ entre 2003 et 2010 et à 35 $ en 2030.... 9 Pétrole brut o distillé pour l’obtention : de carburants liquides (GPL, essence, gazole, kérosène, fioul) de coupes pétrolières utilisées dans l’industrie chimique (colles, vernis, peintures, textiles, médicaments, méthanol, hydrogène, asphalte, pesticides, engrais, etc…) o Utilisé pour la production d’électricité (fioul) dans un grand nombre de pays o industrialisation rapide de certains pays (Chine, Inde, etc.) : doublement de la demande énergétique primaire d’ici à 2030 o accroissement démographique o élévation du niveau de vie : doublement du PIB par habitant d’ici à 2030 o augmentation du nombre de véhicules 10 Mais réserves prouvées de pétrole brut conventionnel consommées en ≈2045 en fait probablement avant Pétrole brut 11 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Gb/a Discovery Production http://cordis.europa.eu/fp6/dc/index.cfm?fuseaction=UserSite.FP6HomePage Découvertes et production de pétrole brut Une grande inconnue : pic de production Production Découvertes Gb/an 12 Pétrole brut 950 milliards de barils extraits jusqu’ici mais controverses sur les réserves globales récupérables : ≈3000 ou ≈2000 milliards de barils ? Pic entre 2030 et 2040, 2020 et 2030 ou pic entre 2010-2020 ? Au-delà : augmentation continue du prix du pétrole Choc pétrolier de pénurie : vrai choc pétrolier 13 Pétrole brut Autres sources d’énergies Renouvelables Chimiques, Biologiques, Biochimiques Renouvelables non chimiques Fossiles non conventionnelles (schistes bitumineux, sables asphaltiques, huiles lourdes, hydrates de méthane) Fossiles conventionnelles (gaz naturel, charbons) 14 Gaz Naturel (GN) o mélange gazeux composé essentiellement de méthane o ressources abondantes o utilisations chauffage production d’électricité (14% aux USA) conversion possible en carburants liquides : procédés Fischer-Tropsch CH4 →CO + 3 H2 Carburants liquides o combustion du GN généralement moins polluante que celle des carburants liquides Moteur à gaz GNV Cat. Fe ou Co P = 30 bar T = 300 K H2O 15 mais épuisement prévu ≈2070 (d’après réserves prouvées de GN conventionnel) Date du pic de production : incertain 2020 car utilisation pour la production d’électricité (aux dépends du pétrole et des charbons) Gaz Naturel (GN) En fait le pic de production du GN devrait suivre de quelques années celui du pétrole. Exemple USA : pétrole 1970, gaz naturel 1971. 16 Charbons o solide composé essentiellement de carbone + minéraux + composés organiques selon degré de houillification Tourbe ; lignite ; houille ; anthracite ; graphite o ressources abondantes mais exploitation délaissée en Europe o utilisations sidérurgie chauffage production d’électricité (55% aux USA, 70% en Chine) conversion possible en carburants liquides : Gazéification du charbon puis procédés Fischer-Tropsch (FT) Charbon →CO + H2 →Carburants liquides o combustion du charbon généralement plus polluante que celle du gaz naturel o 250 ans de réserves prouvées GN préféré Réactivation probable de la filière 17 Energies fossiles non conventionnelles o ressources très abondantes Exemples : schistes bitumineux (USA) : 2000 milliards de barils de pétrole hydrates de méthane : 9000 ans de consommation en gaz naturel Inconvénients : - coûts - sources d’énergies très polluantes Influence sur l’effet de serre additionnel or les modèles qui prédisent le réchauffement climatique tablent sur une consommation des énergies fossiles conventionnelles jusqu’en 2050... 18 Energies fossiles et combustion : problématiques Couche d’ozone Climat Qualité de l’air UV 19 Energies fossiles et combustion : Problématiques Combustion CO2 Effet de serre additionnel Modifications du climat NOx Pollution chimique troposphérique et stratosphérique O3 COV HC suies Effets sur la santé Effets sur la couche d’ozone Espèces soufrées Pluies acides 20 Energies fossiles, combustion et pollution atmosphérique Malades Exposition Nourrissons Populations urbaines et péri-urbaines Populations rurales Personnes âgées 21 Energies fossiles, combustion et pollution atmosphérique Allergies Conséquences Problèmes respiratoires Cancers Surmortalité Maux de têtes Nausées ENERGIES FOSSILES : Formation du NO équation globale CH4 + 2 O2 →CO2 + 2 H2O insuffisante Cinétique chimique, chimie de la combustion, thermodynamique chimique, mécanique des fluides, thermique : mécanismes cinétiques détaillés Plusieurs voies de formation selon les conditions de T, P et composition o NO thermique N2 + O• <=> NO + N• N• + O2 <=> NO + O• o NO précoce CH• + N2 <=> HCN + N →…→NO o Fuel NO Azote organique →HCN, HNCO, →NH3, NH2, NH, N →NO NCO, CN N2 N2 23 ENERGIES FOSSILES : Formation du formaldéhyde (méthanal) CH4 + O2 <=> CH3• + HO2 • (basse température) CH4 + M <=> CH3• + H• + M (haute température) CH3• + O2 <=> CH2O + OH• Formation du dioxyde de carbone CH2O + M <=> HCO• + H + M HCO• + M <=> CO + H• + M CO + OH• <=> CO2 + H• 24 Energies fossiles et effet de serre additionnel 25 Energies fossiles et effet de serre additionnel Pouvoir de réchauffement global (PRG) des gaz à effet de serre 296 N2O 23 CH4 1 CO2 PRG à 100 ans Gaz 26 Concentration en CO2 Concentration en N2O Concentration en CH4 Influence des activités humaines sur l’atmosphère 27 Variations de température à la surface de la Terre Les 140 dernières années Les 1000 dernières années 28 Energies fossiles et effet de serre Les six années les plus chaudes depuis 1890 : 2006 2005 1998 2002 2003 2004 29 Energies fossiles, combustion et effet de serre Etés secs : - 20% Conséquences pour la France en 2050 Température : + 2°C Canicules plus longues 1960-1989 : 3 jours 2050 : 10 à 20 jours Hivers pluvieux : +13% Biodiversité : Chêne vert Hêtre ? 30 Energies fossiles, combustion et effet de serre Forêt amazonienne : Puits de carbone ? Conséquences pour le en 2050 Température : + 4°C Fonte glaciers Groenland et banquise Désertification : Afrique Submersion : Deltas et îles Ralentissement Gulf Stream Moussons ? Couche d’ozone ? 31 Stabilisation T : quelques siècles Stabilisation CO2 : 100-300 ans Emissions de CO2 Expansion thermique : siècles à millénaires Expansion due à la fonte des glaces : millénaires La concentration en CO2, le niveau de la mer, la température augmenteront longtemps après la réduction des émissions en CO2 Réduction des émissions : temps d’atteinte à l’équilibre 32 33 SITUATION ENERGETIQUE EN FRANCE SITUATION EN FRANCE Production d’électricité par EDF en 2003 (93%) USA : charbons (55%), gaz naturel (14%), nucléaire (20%) Chine : charbons (70%) Autres producteurs : Fossiles : 70% Renouvelables : 30% France : Fossiles : 9% Renouvelables : 11% 35 SITUATION EN FRANCE Nucléaire (80%) Hydraulique (grande et petite) (11%) Solaire (0,02%) Eolien Géothermique Energie des marées Energies des vagues Electricité + Chauffage CARBURANTS ??? (0,08%) Biomasse (0,2%) 36 ENERGIES RENOUVELABLES CHIMIQUES CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE 37 Les biocarburants Avantages Agriculture Aménagement du territoire Débouchés Sécurité d’approvisionnement Environnement Moins d’émissions polluantes Réduction de l’effet de serre Thématique « ancienne » : Diesel (1900) 38 Les biocarburants Inconvénients Coûts mais coûts identiques aux carburants fossiles avec un pétrole à 75 dollars le baril 39 Les biocarburants Issus de la biomasse Seules énergies renouvelables directement disponibles sous forme liquide Carburants (de substitution, co-carburant, additif): ¾ Moteur DIESEL (Huiles végétales, EMHV esters méthyliques d’huiles végétales, EEHV) ¾ Moteur ESSENCE (Éthanol, ETBE) Les biocarburants Matières premières : produits de réserve BIOETHANOL Betteraves Canne à sucre Erable à sucre Blé Maïs Pommes de terre uploads/Litterature/ cours-chimie-environnement.pdf