Post on 26-Oct-2015
MIE(Mécanique pour les Industries de l’Energie)
Gilles PerrinAreva Fellow
direction de la recherche et de l’innovationgilles.perrin@areva.com
&Université de Versailles Saint Quentin en Yvelines
AREVA NP
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.2
Sources
1. Rojey, A, IFP, Le Gaz naturel : une perspective d'avenir, 20042. IFP, Contexte énergétique International, 20043. Bauquis, P-R, Prof. ENSPM, Quels futurs pour le pétrole et le gaz naturel après le choc de 2005 ? 4. Vincké, O, IFP, Le forage, 24 octobre 20065. Notes de cours Charges limite, JB. Leblond, 2006
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.5
PlanQuelques chiffres sur la Production d'énergie
Cas particulier : le gaz naturel et son transport Transport Liquéfaction
Pour des carburants liquides
Guerre au CO2
Vision futuriste : tout au gaz naturel !
Nucléaire, éolien, hydraulique, hydraulienne, solaire
Quelques exposés techniques …
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.6
[3]
Gaz Naturel : forte croissance 2000-2020
Demande Mondiale ~ 8.7 Gtep/an ~ 3.5 Pétr. + 2.2 Gaz Nat. + 2.2 Charb.
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.9
Energie en France : 281 MtepImportations 147
Charbon : 13
Pétrole : 93
Gaz naturel : 39
Electricité pointe : 2
Production : (14)+134 Electricité thermique : (14)
Electricité nucléaire* : 105
Electricité hydraulique : 16
ENR-th (ie sauf hydro, éolien, photo-volt) (surtout biomasse) : 13
Consommation Finale : 159 Industrie : 38 (dont sidérurgie : 6)
Transports : 50
Résidentiel : 68
Tertiaire :
Agriculture : 3
Utilisation non énergétique 16
* La valeur du MWh électrique origine nucléaire est converti en tep comme suit :Pour créer un MWhe, il faut (rendement ~ 0.38) du pétrole pour générer 2.6 MWh-thet 2.6 MWh-th = 9.4 GJ ~ 0.222 tep. Si utilisation thermique : 0.086 tep
Part électricité non consommée 106 Export : 17
Consommation intermédiaire et pertes : 89 Pertes au titre de l’utilisation thermique de l’électricité : 73 Pertes Joule : 8 (~ 8%/100 km et ~60%/1000 km) Consommation intermédiaire 8
- Combustible nucléaire (5) ; Raffineries : (1) ; Pompage (2)
Electricité dispo = 150 – 106 = 44
Hydrocarbures = 147 – 2 – 14 = 131
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.10
Usage de l’électricité en France
TWh 1973 1990 2000 2007
Sidérurgie 12 11 11 12
Industrie (hors sidérurgie)
72 105 127 123
Résidentiel Tertiaire
59 180 240 284
Agriculture 1 2 3 3
Transports ferrés
6 8 10 12
Total 151 305 392 434
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.12
1 tep = 7.3 bbl = 1000 (n)m3 de Gaz Naturel = 40 MBtu = 42 GJ
Pétrole Demande 2002 : 3,55 Gtep
Production 2002 : 3,52 Gtep déstockage 30 Mtep ~ 100 x 300 000 t Capacité de production ~ 3,65 Gtep (note : 50 Mtep/an ~ 1 Mbpd)
Demande Mondiale énergie ~ 8.7 Gtep/an ~ 13 TW~ 3.5 Pétr. + 2.2 G.N. + 2.2 Charb.
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.13
Réserves de pétrole et de gaz dans le monde
.
020406080
100120140160180
Gtep
PétroleGaz naturel
Ratio gaz/pétrole des réserves prouvées
50 %
80 %
113,8 %
Source CEDIGAZ
[1]
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.16
Réserves prouvées de gaz naturel :
localisation 1.1.2003 (1012 m3/% du total mondial)
56,431,3 %
71,539,6 %
73,9 %
7,54,2 %
7,5
4,2 %
16,8
9,2 %
Réserves mondialesGaz: 162,4 Gtep
Pétrole: 142,7 Gtep
13,87,6 %
[1]
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.17
GAZ NATURELRéserves et production par zone
économique
49%
32%
10%9%
OPEP CEI
Réserves au 1.1.2003 : 180,5 1012 m3
16%
28%43%
13%
Pays industrialisés PVD
Production en 2002 : 2,58 1012 m3
Source : CEDIGAZ
[1]
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.18
Rôle croissant du commerce international du gaz naturel
Demande mondiale :+ 2 - 2,5 %/an
Commerce international :+ 2,5 - 3 %/an
Expansion gazière mondiale2000 - 2020
Flux GNL : + 5 - 6 %/an
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
1970 1990 2002 2020
Gazoducs GNL
Part du GNL dans le total
109 m3 38 - 43 %
33 - 37 %
29 - 31 %
21 %
21 %
23,5 %
15,6 %
5,9 %
Source : Cedigaz, AIE, IFP, CMG 2003
[1]
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.19
Coûts de transport du gaz
1000 5000
1
3
1 U
S$/M
Btu
~ 45
US$
/tep
~ 6
US
$/bb
l
km
GazoducValeur haute
GazoducValeur basse
GNL
Pétrolier Oleoduc
[1]
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.21
Procédé de Liquéfaction du Gaz Naturel LIQUEFIN
5 Mt/an
Compact : L = 25 m x l = 10 m x h = 15 m
Liquefaction
Pre-cooling
Studied core
A
+ 35°C
- 50°C
-150°C
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.22
Mechanical Analysis
Effect of axial temperature gradient in the core
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.23
1. Linear thermal gradient ?(top -50°C -- bottom -150°C)
11max = 0.24
1
2
3
Small Compared to ET ~ 140 MPa
Almost no stresses, conic shape, 1/2-angle ~ THeight
Radius
22max = 0.30 12max = 0.07 33max = 0.25
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.24
2. In case of bi-linear T ?
T
Slope Conflict
Practical case
33 MPa
- 1.5
3.5
- 4.5
4.
half-angleapproach
Stresses
THeight
Radius
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.26
[Source ife iddri]
Notes :• FCC = Fluid Catalytic Cracking• HCU = Hydro Cracking Unit• (VBU = Viscoréduction)
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.27
RaffinageProduction d’une raffinerie moyenne France (en L pour 1 bbl = 159 L)
Carburants 73,8
Gazole et mazout léger (fioul domestique) 34,8
Kérosène (carburéacteur pour l'aviation) 15,8
Mazout lourd8,7Gaz de pétrole du raffinage 7,2
Autres gaz (éthane, propane, butane) 7,2
Coke 6,8
Asphalte 4,9
Bases pour la pétrochimie 4,5
Lubrifiants 1,9
Kérosène (ou pétrole lampant) 0,7
Autres (cires, graisses) 1,1
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.28
Emission de CO2 par le raffinage– Europe des 15
Scénario de référence pour l’UE 15 : 619 Mt brut
Par type de raffinerie Simple : 0,10 t CO2/t brut
FCC : 0,19
HCU : 0,30
FCC+HCU : 0,33
Moyenne UE 15 : 0,22 t CO2/t brut
Moyenne France : 0,20 t CO2/t brut (presque tout le parc en FCC)
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.29
Les carburants liquides
Pour le transport Aéronautique
Automobile
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.31
Conversion vers un carburant liquide
GTL = Gaz To Liquid
CTL = Coal To Liquid
BTL = Biomass To Liquid
(XTL = X To Liquid)
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.32
Carburants Fischer-Tropsch
Etapes de production
Syn. H.C.F.T
OXY.
GazNaturel Syngas
Produitsfinis
Produitsliquides
Production gaz de synthèse(En partant du charbon :procédé SASOL degazéification du charbon)
Etape de synthèse F.T.
(catalytique Fe, Co ou Ni,200°C, 250 b)
Etape definition
C=O + 2 H2
heat
nnHC 2 22 nnHC
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.33
Unités GTL dans le monde
Unités existantesProjets prévusProjets envisagés [1]
NOTE : Commercial CTL today1. Sasol in South Africa, (30% of liquid fuels). 2. China Shenhua projet 2008 - 1 Mtep/an .
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.34
Guerre au CO2
1 tep (~CH2) génère 3 tonnes de CO2
Rejets anthropiques annuels 2005 ~ 25 Gt/an Masse atmosphère ~ 500 M.km2*1kg/cm2 = 5.106 Gt
Rejets anthropiques 2005 ~ 5 ppmw/an
Concentration en masse XIX° siècle : 400 ppmw 2008 : 582 ppmw Augmentation moyenne 1960-2010 : 2 ppmw/an (tampons …)
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.35
Guerre au CO2
Coût du rejet de CO2 : coût CEE ~ 20 E/tCO2 ~ 60 $/tep
Cours
Intérêt du CO2 : Energie basse
C est complètement oxydé
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.36
RATIO HYDROGENE/CARBONEDE LA CONSOMMATION D’ENERGIE PRIMAIRE
sources d’énergie sans CO2
1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 21500,01
0,1
1
2
4
10
100
Methane H/C = 4
Pétrole H/C = 2
Charbon H/C =1
Bois H/C= 0,1rati
o H
yd
rog
en
e/
carb
on
e Décarbonisation de l'énergie
Années
Source : GATE 2020 by ENI/IFP (From Marchetti 85 & Ausubel 88 )
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.38
[1]
Réglementation européenne en préparation / discussion :Centrale à charbon construite après 2015 : < 500 kg/MWh
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.47
Expérience du stockage : TOTAL à Lacq
Site de Rousse, à 27 km de Lacq 4500 m de profondeur, puissance 1000 m, surface 2 km2
Prévu de stocker 120 000 t CO2 Etat liquide sous 80 bars
Usine thermique 30 MWth, à oxycombustion : rejette CO2 sans N2
Coût du stockage : 75 €/t CO2 Energie : stocker 1 t CO2 coute 200 kg CO2 = 60 kg HC = 0,37 bbl ~ 25 €
Autres coûts : 50 €
Sans oxycombustion, coût du captage (séparation de N2) ~ 140 €/t CO2
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.50
Coût de l’énergie fossile
1 MWhe se remplace par 1 baril de brut + 1/2 t CO2
42 €(source : ARENH)
80 €(Brent, 2011-08-04)
~ 40 €(20 à 140 €/t )
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.52
L’énergie nucléaire
Fission Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) ou bouillante (REB)
Fission Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR)
Fusion Tokamak
Fusion par confinement inertiel
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.53
Quelques chiffres sur le nucléaire
Préparation du combustible Unat (0.7% U5 + 99.3% U8)
Consommation ~ 40 000 t/an
Production en équivalent thermique : 0.6 Gtep/an = 7% énergie mondiale
350 GWe installés (REP+REB = 85%, 450 réacteurs)
Ressource Mondiale Classique ~ 3 Mt U ~ 30 Gtep en REP En cycle REP UO2 = 4 ans de demande mondiale (8.7 Gtep/an)
En cycle REP MOX + RNR + Cycle Th (~ 10 Mt) = quelques siècles RNR Cycle Uranium-Plutonium (efficacité x 60 -> 2000 Gtep ??) RNR Cycle Thorium-Uranium (6000 Gtep ???)
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.54
Cycle régénérateur 238U-Pu
Combustion simple Uranium 235 dans les REP : 130 t Unat/GWe.an
Cycle Uranium-Plutonium : ressource x 1/0.0072 ~ x 140 --- En fait x60
MeVK
nFPnU 1600 Thermique
23592 3.07.2..
ralentissement par H2Ofissile
fertile
ePuNp
eNpUUn
nxFPnPu
MeV
MeV
23994
23993
23993
23992
238921
1
23994 ..
fissile
ky24vie -Demie 23994 Pu
My704vie -Demie 23592 U
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.55
Cycle régénérateur Th-233U
Cycle Thorium-Uranium
fertile
eUPa
ePaThThn
nxFPnU
MeV
MeV
23392
23391
23391
23390
232901
1
23392 ..
fissile
ky159vie -Demie 23392 U
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.56
Les ENR
Hydraulique (pour mémoire)
Biomasse
Eolien
Stockage de l’énergie électrique
Hydraulien
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.57
Biomasse
Biomasse méthanisée + électricité
-> CO + H2
-> Carburants (Fischer-Tropsch)
Potentiel en France : ~ 10 Mtep/an
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.58
De l'énergie éolienneParc mondial : 15 GWe
Description d’une grosse éolienne puissance installée : 5 MWe
distance nacelle-sol : 100 m
longueur pales : 35 m
coût offshore : 10 M€
Talons d’Achille Energie intermittente : Production ~ 20% Puissance installée
si vent trop faible si vent trop fort
Le stockage
L’acceptation
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.59
Station de stockage hydrauliqueSTEP
Dans le monde ~ 100 GW
En France tous les sites sont déjà exploités : 6,3 GW
Grosses installation ~ 0.5 GW pointe
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.61
Stockage sous air comprimé en caverne
P ~ 100 barsV ~ 300 000 m3
W ~ 3.1012 J ~ 1000 MWh
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.62
Usine de Huntorf (D, 1978)
La ressource essentielle :Caverne étancheNombre de sites ?
140 000 m3 170 000 m3
Evolution de la cavité !
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.63
Stockage électricité sous forme de
chaleur(projet THESE –
Saipem)Capacité ~ 12 000 MWe.h ~ 1 GWe sur 12hPuissance ~ 120 MWeTemps de charge ~ 100 hVolume ~ 20 000 m3
50 000 t de granulats(Prod. France ~ 500 Mt@9E/t)
Rendement ~ 0,7
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.65
Diagramme de Ragone
100h 10h 1h 6 mn 36s
1s
100ms
10ms
1ms
Fly Wheel = Volant d’inertie – SMES = Induction supraconductrice
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.67
Batterie de condensateurs pour canon électromagnétique (ISL)
W ~ 600 kJ – décharge en 10 ms – P ~ 60 MW
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.70
Stockage électricité : quelques pistesAjuster la demande : commander le délestage du chauffage domestique (ou des téléviseurs, ou …)
Stocker dans les batteries des véhicules électriques : Flotte électrique ~ 1% flotte actuelle ~ 200 000 véhicules
Capacité totale : 200 000 véhicules * 100 kWh ~ 2 GWe x 12 h
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.71
L'énergie hydraulienneEnergie des marées
Usine marémotrice : gare à l’ensablement
Energie des vagues : Irlande ouest : 70 MW/km de côte
Récupérable ?
GWe 300 à 100 : mondialGisement
GW2400~m 35.0~et m10500.3/2~ : mondiale Echelle
17~
4
1
s 360012
1~
212
22
PhS
ShSghP
Gilles PERRIN - Automne 2012 - p.72
Les défis de l’énergie
Défi d’ingénieur : des Matériaux qui résistent « à tout » Température (rendement de Carnot) Efforts Corrosion Neutrons Vieillissement thermique
Défi de client : Stockage de l’énergie Electricité (embarqué) Chaleur (lisser production & consommation)
Défi écologique : Bilan déchets – bilan CO2 2007 : en UE, 1MWhe produit émet 456 kg CO2
Défi humain : Transfert de technologie