Électrons, fluides, molécules

L’énergie, c’est pas sorcier si on la découpe en groupes de 3.

Il y a d’abord les 3 phases : production, vecteurs et consommation. Et chaque phase se découpe en 3 groupes :

On a l’habitude de penser à la production – les sources de l’énergie – en termes des 3 groupes : fossiles, renouvelables et nucléaire. Et les 3 groupes de consommation sont connus : électricité, chaleur et mobilité.

Mais on a moins l’habitude de réfléchir à comment l’énergie est transportée d’un endroit à l’autre : ces véhicules ou méthodes qui s’appellent des vecteurs énergétiques. Eux aussi tombent dans 3 groupes : électrons, fluides et molécules.

Fondamentalement, les humains n’ont fait que 3 découvertes qui ont transformé notre espèce : le feu, l’agriculture et la machine à vapeur. Mais il y a une 4ème découverte avec un potentiel que nous avons à peine commencé à exploiter – l’énergie de la fission nucléaire.

Dans l’état actuel de la technologie, l’énergie nucléaire souffre de 3 problèmes : le coût, la sûreté et les déchets. Et nous sommes contraints à transporter cette énergie presque exclusivement par un seul vecteur – les électrons. Or, seulement 19% de la consommation d’énergie dans le monde est sous la forme d’électricité. Les 81% restants sont consommés sous la forme de chaleur et de mobilité, où les combustibles fossiles dominent le marché.

Une question fondamentale se pose pour l’avenir de l’énergie nucléaire : faut-il changer la technologie de l’offre ou la demande de consommation? Depuis longtemps (et notamment en France), les partisans de cette énergie ont promu une consommation « tout électrique » – pour citer 3 exemples : le chauffage électrique, la voiture électrique et les processus industriels électriques. Mais le vecteur électrons, malgré tous ses avantages, souffre de 3 inconvénients majeurs : le coût et la nature inflexible de sa distribution, l’impossibilité de stocker l’électricité à grande échelle, et les difficultés d’intégration dans les systèmes de mobilité pour les humains et les marchandises.

Si tout le chauffage résidentiel n’est pas électrique, c’est parce que le coût des solutions à énergie fossile reste attractif. Si toute la chaleur industrielle n’est pas électrique c’est aussi parce qu’il est moins cher de brûler des molécules fossiles. Si toutes les voitures ne sont pas électriques, c’est parce que les batteries sont lourdes, chères et encombrantes.

Pour réaliser tout son potentiel, l’énergie nucléaire doit suivre la 3ème voie – changer la consommation ET la technologie. Oui, nous pouvons décarboner certains secteurs en les électrifiant davantage – surtout avec une électricité française décarbonée à 90% par un mélange de renouvelables et de nucléaire. Mais le vrai défi est d’être capable de livrer l’énergie nucléaire à travers les deux autres vecteurs : les fluides (chauds et froids), et les molécules.

Pour décarboner massivement l’énergie au niveau planétaire, la technologie nucléaire doit évoluer fondamentalement, sur 3 axes. Elle doit produire une énergie qui est plus chaude, plus proche et moins chère.

La centrale nucléaire de Leningrad. Son réseau de chaleur alimente une ville et un parc industriel.

La cogénération nucléaire n’a rien de nouveau. En 2019, 79 réacteurs nucléaires étaient utilisés pour le dessalement, le chauffage urbain ou la chaleur industrielle, avec 750 années d’expérience dans ces réacteurs, principalement en Russie et en Ukraine. En évitant de transformer une partie de la chaleur produite par la réaction nucléaire en électricité, le rendement global de la centrale est amélioré. Mais même en Russie, l’énergie nucléaire ne représente que 0,3% de l’énergie fournie à travers les réseaux de chaleur.

En France, une étude de 2015 a souligné l’importance du potentiel des réseaux de chaleur pour décarboner la consommation de chaleur, à condition d’alimenter ces réseaux par de l’énergie renouvelable ou nucléaire. Elle a proposé (et chiffré à plus d’un milliard d’Euros) un raccordement entre la centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine et le réseau de chaleur de la Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain, une distance de 90km. Mais aucun projet de ce type a démarré, et le plus grand contributeur aux 25,6TWh de chaleur fournis à travers les 798 réseaux de chaleur de France en 2019 était la méthane fossile.

Sources pour la production d’énergie des réseaux de chaleur en France en 2019

Les autorités de sûreté nucléaires à travers le monde exigent que les centrales nucléaires soient situées à une distance minimum des zones urbaines densément peuplées, parce qu’ils ont peur qu’un accident puisse provoquer un nuage radioactif, avec des retombées sur les populations des villes. Et en effet ce risque, même s’il est extrêmement faible, n’est pas nul avec la technologie actuelle des réacteurs à eau pressurisée. L’éloignement entre centrales et villes est en conflit direct avec l’utilisation du vecteur fluides à cause du coût élevé de leur transport, sur des distances au delà de quelques dizaines de kilomètres. Mais avec un réacteur à sels fondus les produits de la réaction nucléaire les plus nocifs pour les humains restent enfermés dans les sels liquides chimiquement stables. C’est par l’élimination du danger de contamination radioactive que la porte est ouverte pour un dialogue avec l’ASN sur l’emplacement de petits réacteurs modulaires à sels fondus proche des villes.

Le vecteur des fluides offre une deuxième possibilité. La France compte déjà 24 réseaux de froid, fournissant 0,96TWh à 1339 bâtiments en 2019. L’alimentation de ces réseaux en énergie nucléaire représente une opportunité d’assurer le confort thermique des bâtiments, avec une énergie décarbonée.

Vous avez deviné, il y a forcément une troisième possibilité. Les sels fondus non-radioactifs sortant de la boucle tertiaire d’un îlot nucléaire à 650~700°C sont eux même un excellent vecteur fluide pour le transport de la chaleur. Sur les quelques kilomètres autour d’un tel îlot on trouverait typiquement un dispositif de stockage d’énergie thermique (des réservoirs de sels fondus) permettant d’assurer le suivi de charge des énergies renouvelables intermittentes, un îlot de production d’électricité à partir de la chaleur des sels, et un parc industriel avec des clients énergivores tels que la sidérurgie, la pétrochimie ou la production de verre. Soit un nouveau réacteur peut être situé à proximité d’un site industriel existant, soit ces industries peuvent déplacer leur production proche d’un réacteur. Par comparaison, la température nominale de l’eau sortant d’une cuve EPR est de 330°C, ce qui intéresse beaucoup moins les clients industriels.

Le troisième vecteur est celui des molécules, qui transportent leur énergie sous une forme chimique. Le plus souvent par combustion, une réaction chimique chez le consommateur permet de libérer leur énergie pour effectuer un travail utile.

Le molécule le plus à la mode en ce moment est l’hydrogène (H2). C’est un vecteur énergétique dont la combustion ou l’utilisation dans une pile à combustible ne rejette que de l’eau, ce qui permet d’éliminer la pollution pour le consommateur. Un plan financé à hauteur de 7 milliards d’Euros a été lancé par le gouvernement français en septembre, qui estime que « Compte tenu de son mix électrique faiblement émetteur de CO2, la France dispose d’atouts pour fabriquer l’hydrogène décarboné. »

95% de l’hydrogène produit dans le monde utilise une source d’énergie fossile, le procédé le plus commun étant le vaporeformage du méthane fossile. C’est ce procédé qui est utilisé pour alimenter la première ligne française de bus à hydrogène (sachant que la plupart du CO2 produit est capté utilisant la technologie Cryocap).

Décarboner entièrement la production d’hydrogène nécessite de trouver la combinaison d’une source d’énergie décarbonée et d’un procédé de fabrication de la molécule qui, ensemble, produisent du H2 moins cher que les processus existants à base d’énergies fossiles. 3 exemples de sources seraient l’énergie renouvelable, l’énergie nucléaire des réacteurs actuels ou l’énergie nucléaire de 4ème génération. 3 exemples de procédés seraient l’électrolyse de l’eau, l’électrolyse à haute température ou un des cycles thermochimiques.

La simplicité des concepts de réacteurs à sels fondus, et l’élagage des dangers dans leurs arbres de défaillances, permet d’envisager que les 3 facteurs mentionnés ci-dessus (plus chaud, plus proche, moins cher) puissent être réunis pour une production d’hydrogène décarbonée et compétitive. C’est une très très grosse affaire car avec cette molécule disponible il est possible de fabriquer une multitude d’autres molécules qui seraient les clés pour décarboner des secteurs difficiles comme la mobilité lourde, l’agriculture ou la pétrochimie.

En particulier, la combinaison d’un hydrogène décarboné avec du CO2 capté directement depuis l’atmosphère permettrait de fabriquer des molécules pour lesquelles le vecteur de distribution est déjà disponible, telles que le méthanol, ou les carburants synthétiques. En parallèle avec le développement des technologies nucléaires avancées, les technologies de capture direct progressent avec par exemple l’installation de 1pointFive dans le Texas qui, une fois opérationnelle, sera la plus grande du monde, capturant jusqu’à un million de tonnes de CO2 atmosphérique par an. La construction doit démarrer en 2022.

L’installation 1pointFive utilisera la technologie développée par Carbon Engineering

Dans un rapport publié en décembre, l’entreprise Tractebel – filiale ingénierie d’Engie – donne sa vision de la montée des technologies nucléaires 2.0. Le rapport identifie des sites industriels comme l’aciérie intégrée de Dunkerque qui serait « parfaitement adaptée pour accueillir un démonstrateur de petit réacteur modulaire polyvalent », et conclut qu’à l’avenir les petits réacteurs modulaires (dont ceux fonctionnant avec un combustible liquide aux sels fondus) seront « au cœur d’écosystèmes intégrés, aux vecteurs énergétiques multiples ». Un chapitre dans le rapport 2020 « Engie Recherche » sur les technologies durables émergentes reprend ce travail sur les petits réacteurs modulaires.

L’infographique dans le rapport de Tractebel illustre leur vision, et identifie les 3 vecteurs énergétiques.

Au siècle dernier, les énergies fossiles ont dominé le marché pour trois raisons :

  1. Ils sont présents sur les 3 secteurs de consommation : électricité, chaleur et mobilité.
  2. Ils sont bon marché. Et (jamais 2 sans 3) :
  3. Ils sont présents sur les 3 vecteurs énergétiques : électrons, fluides et molécules

Le début du troisième millénaire est dominé par le problème du changement climatique. Pour résoudre ce problème, les humains ont besoin de nouvelles technologies nucléaires fondamentalement différentes, pour réaliser tout le potentiel de cette énergie.

Une version anglaise de cet article est disponible ici.

Combien coûteront les centrales nucléaires avancées ?

L’Energy Innovation Reform Project (EIRP), une organisation américaine à but non lucrative, a publié le 25 juillet 2017 un rapport préparé par l’Energy Options Network (EON) qui donne une première réponse à cette question épineuse.Rapport EON

Vous trouverez ici une traduction française de la synthèse de ce rapport.

Un modèle économique dérivé de celui développé par le Forum International Génération IV a été utilisé pour comparer les technologies de 8 entreprises :

EON participants

 

…en termes de leurs coûts de capital, coûts d’exploitation et coûts moyens actualisés de production d’électricité :

Tableau 2.jpg

Figure 1. Coûts de capital pour toutes les entreprises participantes

Figure 1

Figure 2. Coûts d’exploitation pour toutes les entreprises participantes

Figure 2

Figure 3. Coût moyen actualisé d’électricité pour toutes les entreprises participantes

Figure 3

Voici quelques phrases particulièrement intéressantes, extraites du rapport :

« les estimations de coûts de certaines entreprises de réacteurs avancées – si elles sont précises – suggèrent que ces technologies pourraient révolutionner la façon dont nous pensons au coût, à la disponibilité et aux conséquences environnementales de la production d’énergie »

« les entreprises de nucléaire avancé projettent des cibles de coûts qui, si elles sont atteintes, seraient près de la moitié du coût des centrales nucléaires conventionnelles »

« Ce constat a d’importantes implications stratégiques pour l’industrie et le pays. »

« Aux États-Unis, ces technologies pourraient être la solution définitive pour les problèmes économiques de l’énergie nucléaire sur les marchés de libre concurrence. À ces niveaux de coûts, le nucléaire serait effectivement compétitif avec toute autre option pour la production d’électricité. Au même temps, cela pourrait permettre une expansion significative de l’empreinte nucléaire dans les régions du monde qui ont le plus besoin d’énergie propre, et dont les moyens manquent pour la payer aux prix élevés. »

« Les stratégies communes de réduction des coûts comprennent les éléments suivants :

  • Des conceptions de centrales simplifiées et standardisées
  • Intégration de fabrication à l’usine et au chantier naval
  • Modularisation
  • Réduction de besoins en matériaux
  • Réduction de périmètre pour les entreprises d’ingénierie, d’approvisionnement et de construction
  • Temps de construction plus court
  • Densité de puissance augmentée
  • Efficacité augmentée »

« Naturellement, il y a des limites intrinsèques à un exercice de calcul des coûts pour de tels concepts à des stades précoces, et il existe plusieurs raisons pour lesquelles les coûts finaux pourraient s’écarter de ces estimations rapportées. Ces estimations ne devraient pas être considérées comme définitives; Plutôt, ils reflètent au mieux les estimations actuelles. « 

« La compréhension du potentiel économique de cette industrie sera importante tant pour les investisseurs que pour les décideurs. »

« il est important de réfuter les idées fausses sur les coûts »

Sortir du nucléaire? A quel prix ?

Le samedi 13 octobre, des milliers de personnes ont manifesté à travers la France contre le nucléaire, selon un article paru dans Le Monde.Manifestation SDN

Manifestation Sortir du nucléaire Lyon

Sortir du nucléaire est certainement possible, sauf que 78% des français refusent de payer un prix plus élevé pour leur électricité :

13sept3(Source : sondage Tilder-LCI-OpinionWay, publié le 13 septembre)

Ce chiffre est en hausse de 6% depuis un sondage similaire en mars 2011.

La solution est de sortir du nucléaire des générations deux et trois, pour aller vers le nucléaire de génération quatre, et en particulier la solution la plus prometteuse de cette génération qui est le réacteur à sels fondus, associé au combustible thorium.

Nous pourrions alors bénéficier des avantages du nucléaire d’aujourd’hui :

  • coût d’électricité bon marché
  • zéro émission de CO2

sans les désavantages :

  • manque de sécurité des réacteurs à eau légère (Tchernobyl, Fukushima)
  • prix des réacteurs en hausse pour la génération trois
  • déchets radio-toxiques pendant environ 10,000 ans

Dans un réacteur à sels fondus, une fusion du coeur est impossible – le combustible est déjà liquide. Le fonctionnement à pression atmosphérique permet d’éviter les énormes enceintes de confinement qui coûtent si cher dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) des générations deux et trois. Le retraitement régulier du sel permet d’extraire uniquement les produits de fission, qui ont une radio-toxicité d’environ 300 ans seulement – un problème largement gérable. Les transuraniens (qui restent captifs dans le combustible solide d’un REP) retournent dans le réacteur pour fissioner et produire de l’électricité.

L’Allemagne est en train de sortir du nucléaire, avec des prix d’électricité en hausse et la construction de nouvelles centrales à charbon et à gaz – mais à quel prix pour l’environnement ?

Nous ne devons pas laisser la France et le monde sortir du nucléaire à n’importe quel prix.

« Changeons d’ère, CHANGEONS le nucléaire ! »

Thorium Remix 2011

Cette vidéo présente le Réacteur Thorium à Fluorure Liquide (LFTR).

Elle a été produite par Gordon McDowell, avec sous-titres et doublage en français par John Laurie et Mathieu Rouvinez.

Les 5 premières minutes sont une synthèse. Pour la suite, comme c’est extrèmement dense, la consommation en plusieurs séances est recommandée !