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.

La voiture nucléaire

Nos voitures seront-elles bientôt propulsées par l’énergie nucléaire, comme celles-ci ?

Voitures nucléaires

Euuuh, non.

Mais la voiture nucléaire est déjà une réalité. Avec environ 75% d’électricité française produite par des réacteurs nucléaires, 3 voitures électriques françaises sur 4 sont des voitures nucléaires !

renault_zoe

En France, 3 Zoe sur 4 sont propulsées au nucléaire

Evidemment, tous les pays ne sont pas équipés en réacteurs nucléaires comme la France. Et les voitures électriques restent pour l’instant limitées en autonomie par rapport à leurs cousines thermiques. De plus, comment faire pour éliminer les émissions CO2 des autres modes de transport – camion, bus, bateau, avion… ?

Eh bien, un réacteur nucléaire à sels fondus peut apporter la solution. Ce type de réacteur fonctionne avec un combustible liquide, permettant un fonctionnement à pression atmosphérique et haute température. Cette haute température permettrait de produire des carburants de synthèse à partir de la chaleur du réacteur.

Carburants de synthèse

L’hydrogène peut faire fonctionner une pile à combustible, mais il faut le stocker à pression très élevée. L’azote et le charbon peuvent transporter l’énergie potentielle chimique de l’hydrogène. L’éther méthylique peut remplacer le gazole. Si on prend le cas du méthanol, qui peut remplacer l’essence dans un moteur à combustion interne, à quoi ressemblerait notre voiture nucléaire ?

Voiture au thorium

L’énergie du thorium est convertie en chaleur par le réacteur à sels fondus. Les produits de fission sont séparés du sel de combustible : après une isolation géologique de 300 ans ils n’ont plus de radioactivité significative. La haute température du sel sortant des échangeurs de chaleur du réacteur permet de produire d’abord de l’hydrogène puis du méthanol, qui est brulé par le moteur de la voiture. Notez que les échanges entre ces processus et l’environnement sont neutres : pour le CO2 par exemple, on absorbe autant dans la fabrication du méthanol que ce qui est rejeté par la combustion du moteur de la voiture.

L’hydrogène est produit par le cycle soufre-iode :

Production hydrogène

Les hautes températures demandées par ce processus sont impossible à atteindre pour un réacteur à eau pressurisée classique. Pour produire efficacement des carburants liquides de synthèse à partir de l’énergie nucléaire, il est nécessaire – et urgent, de changer de technologie.

La Chine croit fort à cette solution. Lors de la conférence ThEC12 début novembre à Shanghai, Xu Hongjie, directeur du Centre pour le Réacteur à Sels Fondus au Thorium de l’académie des sciences de la Chine, a annoncé qu’un prototype pour la production du méthanol à 1 kilogramme / heure sera produit pour 2015.

Chine-prototype-méthanol-2015

Photo : Mark Halper

 

Article inspiré par ceux de Mark Halper et Robert Hargraves