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lundi 17 septembre 2018

Complémentarité des sources d'énergie / Complementarity of energy sources

Are the energy sources complementary? This could be considered to be the case in that a diversified energy mix is ​​a guarantee of resilience and a security against the particular risks of each energy source. However, for complementarity to play out, energy sources must be flexible. This is the case for fossil fuels, hydroelectricity and ex-biomass energy. This is not the case for solar energy and wind energy that are produced according to the weather conditions. Nuclear power, for its part, can be qualified as semi-modular, because on the one hand the operating flexibility of nuclear power plants is limited, but on the other hand and especially the variable cost of production is low (not exceeding 10% the cost per kWh produced) a temporary reduction in consumption leads to very little reduction in consumption costs. Thus, when solar or wind-generated kWh are substituted for nuclear generation, the cost of renewable energy power generation is added without significant savings on the production of electricity from nuclear sources. In contrast to fossil fuels, wind and solar power cannot be allocated to variable consumption and necessarily also concern baseload consumption. In addition, as the share of nuclear power increases, the share of demand remaining to be filled becomes variable. Thus, in France, the power demand in 2015 varied between 29 and 91 GW. In this case, if the share of wind and solar energy increases significantly, there will be only two solutions. The first is to provide fossil fuel back-up by using natural gas in preference, given the limited availability of hydraulics and biomass, but necessarily increasing CO2 emissions. The second is to massively increase energy storage capacity. This storage should be able to accommodate very variable durations ranging from a few hours to a few months. As gravity storage capacity in France remains limited, it remains the option of hydrogen storage, but it has many disadvantages (overall low efficiency of the order of 35%, high fixed costs especially if the durations of use remain limited, storage enclosure issues). However in the French context with a significant share of nuclear energy (77% in 2015), such a development of the storage is essential so that the investments in wind and solar are not engaged in pure loss.

Les sources d'énergie sont-elles complémentaires? On pourrait considérer que c'est le cas dans la mesure où un mix énergétique diversifié est un gage de résilience et une sécurité vis-à-vis des risques particuliers que comporte chaque source d'énergie. Toutefois, pour que la complémentarité puisse jouer, il faut que les sources d'énergie soient modulables. C'est le cas des énergies fossiles, de l'hydroélectricité et de l'énergie ex-biomasse. Ce n'est pas le cas de l'énergie solaire et de l'énergie éolienne qui sont produites en fonction des conditions météorologiques. Le nucléaire pour sa part peut-être qualifié de semi-modulable, car d'une part la souplesse de fonctionnement des centrales nucléaires est limitée, mais d'autre part et surtout le coût variable de la production étant faible (ne dépassant pas 10% du coût du kWh produit) une réduction temporaire de consommation n'entraîne que très peu de réduction sur les coûts de consommation. Ainsi lorsque des kWh d'origine solaire ou éolienne viennent se substituer à une production nucléaire, le coût lié aux renouvelables vient s'ajouter sans économie appréciable sur la production d'électricité d'origine nucléaire. Contrairement à ce qui se passe avec les énergies fossiles, l'électricité d'origine éolienne et solaire ne peut pas en effet être affectée à la consommation variable et concerne nécessairement également la consommation de base. En outre, plus la part de nucléaire augmente, plus la part de la demande restant à combler devint variable. Ainsi, en France, la puissance appelée en 2015 a varié entre 29 et 91 GW. Dans ce cas, si la part d'énergie éolienne et d'énergie solaire augmentent sensiblement, il n'y aura que deux solutions. La première est d'assurer un back-up par de l'énergie fossile, en utilisant de préférance du gaz naturel, étant donné les disponibilités limitées en hydraulique et en biomasse mais en augmentant nécessairement dans ce cas les émissions de CO2. La deuxième est d'augmenter massivement les capacités de stockage d'énergie. Ce stockage devrait pouvoir accommoder des durées très variables allant de quelques heures à quelques mois. Les capacités de stockage gravitaire en France restant limitées, il reste l'option du stockage d'hydrogène, mais celui-ci présente de nombreux inconvénients (faible rendement global de l'ordre de 35%, coûts fixes élevés surtout si les durées d'utilisation restent limitées, problèmes de l'enceinte de stockage). Toutefois dans le contexte français avec une part du nucléaire importante (de 77% en 2015), un tel développement du stockage est indispensable pour que les investissements en matière d'éolien et de solaire ne soient pas engagés en pure perte.

mardi 1 mai 2018

Géopolitique des énergies renouvelables/ Renewable energy geopolitics


The geopolitics of renewable energies differs considerably from the geopolitics of hydrocarbons. Oil is easily transportable and the whole problem of energy production is to exploit oil where it is widely available, i.e. mainly in the Middle East. Technology, however, can change the geopolitical situation, making it possible to produce oil in places where it is difficult to access. Thus, thanks to technology, it has been possible to produce oil in the North Sea or source rock hydrocarbons in the United States through hydraulic fracturing, thus considerably altering the previous equilibrium. In any case, however, because oil is inexpensive to transport, the important thing is to be able to dispose of the deposits, irrespective of where the oil is later used. This is the reason why military actions have frequently been taken to control a place of production and sometimes also to ensure freedom of transit. In the case of renewable energy sources, the situation is very different since in general the energy produced must be used in a region close to the production site, because of the high cost of electrical energy transportation, especially if the power transported varies. considerably throughout the year. This situation is generally considered an advantage since it is not necessary to import energy from regions that may pose security of supply problems. However, by reasoning this way, it is overlooked that in most cases the available resources vary considerably from one region to another. Thus, geothermal energy is only really advantageous in regions benefiting, like Iceland, from a high geothermal gradient (in Iceland 100% of electricity is produced from renewable energy, of which 30% by geothermal energy and 70% by hydraulics in 2016). Water resources vary considerably from one country to another. In Europe, for example, Norway (where 96% of the electricity was hydro-electric in 2016) or Switzerland are abundantly supplied with hydraulic power, while the situation is quite different for the countries of the South. The same is true for biomass. Significant wood resources are available in Sweden or Finland (where biomass accounted for 26% of the energy consumed in 2016), but not in Greece and given the fact that wood is solid and its energy density is relatively low, it is also expensive to carry. In the case of solar energy, the situation also varies considerably depending on the latitude (the mean irradiation energy varies between 700 and 2700 kWh / m2). At low latitude, the solar irradiation is much more important and the radiation much more regular during the year, whereas in the northern latitudes the duration of sunshine can vary between 0% in winter and 100% in summer. As a result, the exploitation of solar energy in a country like Norway, where it is almost constantly dark in winter, is obviously problematic, while the countries close to the equator have a strong advantage over the production of solar energy. There remains the case of wind energy. In this case too, the differences are significant between coastal regions and those located further inland (the average available power varies between 50 and 400 W / m2 depending on the point of the globe. Wind energy, because of its extreme intermittency, the quantity of materials it requires and the small margin of progress that can be envisaged, poses other problems that require a more detailed analysis. From this brief reminder, two consequences can be drawn. The first is that there must be significant differences in the availability of renewable energy and it would be illusory to consider all regions as equivalent. Northern countries, such as Norway, Sweden, Canada, have a clear advantage in terms of energy ex-biomass and hydro, the countries of the South, in terms of solar energy. The second is that technology plays a vital role. Mastering a technological sector (or the materials it requires, such as rare earths) provides a considerable geopolitical advantage. This is what China is aiming at in the case of photovoltaics or Germany in the case of wind power.

La géopolitique des énergies renouvelables diffère considérablement de la géopolitique des hydrocarbures.  Le pétrole est facilement transportable et toute la problématique de la production d'énergie revient à exploiter le pétrole là où il est largement disponible, c'est à dire majoritairement au Moyen-Orient. La technologie permet toutefois de modifier la situation géopolitique, en rendant possible la production de pétrole dans des lieux où il est difficilement accessible. C'est ainsi que grâce à la technologie, il a été possible de produire du pétrole en mer du Nord ou des hydrocarbures de roche-mère aux Etats-Unis grâce à la fracturation hydraulique, modifiant ainsi considérablement l'équilibre antérieur. Dans tous les cas néanmoins, du fait que le pétrole est peu coûteux à transporter, ce qui compte est de pouvoir disposer des gisements, quel que soit le lieu d'utilisation ultérieure du pétrole. C'est la raison pour laquelle, des actions militaires ont été fréquemment engagées pour contrôler un lieu de production et parfois aussi pour assurer une liberté de transit.
   Dans le cas des énergies renouvelables, la situation est très différente puisqu'en général l'énergie produite doit être utilisée dans une région rapprochée du lieu de production, en raison du coût élevé du transport d'énergie électrique, surtout si la puissance transportée varie considérablement tout au long de l'année. Cette situation est généralement considérée comme un avantage, étant donné qu'il n'est pas nécessaire d'importer l'énergie de régions qui peuvent poser des problèmes de sécurité d'approvisionnement. Toutefois, en raisonnant ainsi, on omet de prendre en compte le fait que dans la plupart des cas, les ressources disponibles varient considérablement d'une région à une autre. Ainsi, la géothermie n'est vraiment avantageuse que dans des régions bénéficiant, comme l'Islande d'un gradient géothermique élevé (en Islande 100% de l'électricité est produite à partir d'énergie renouvelable dont 30% par géothermie et 70% par hydraulique en 2016). Les ressources hydrauliques varient considérablement d'un  pays à un autre. Ainsi en Europe, la Norvège (où 96% de l'électricité a été d'origine hydraulique en 2016) ou la Suisse en sont abondamment pourvues, alors que ce n'est pas du tout le cas des pays du Sud. Il en est de même pour la biomasse. Des ressources en bois importantes sont disponibles en Suède ou en Finlande (où la biomasse a représenté 26% de l'énergie consommée en 2016), mais pas en Grèce et compte-tenu du fait que le bois est solide et que sa densité énergétique est relativement faible, il est également coûteux à transporter. Dans le cas du solaire, la situation varie également considérablement en fonction de la latitude (entre 700 et 2700 kWh/m2). A faible latitude, l'irradiation solaire est beaucoup plus importante et le rayonnement beaucoup plus régulier durant l'année, alors qu'aux latitudes septentrionales la durée d'ensoleillement peut varier entre 0% en hiver et 100% en été. De ce fait, l'exploitation de l'énergie solaire dans un pays comme la Norvège où il fait nuit presque constamment en hiver, est évidemment problématique, tandis que les pays proches de l'équateur sont fortement avantagés vis à vis de la production d'énergie solaire. Reste le cas de l'énergie éolienne. Dans ce cas également, les différences sont importantes entre les régions côtières et celles qui sont situées plus à l'intérieur des terres (la puissance moyenne disponible étant comprise entre 50 et 400 W/msuivant le point du globe considéré. En outre, l'énergie éolienne, en raison de son intermittence extrême, de la quantité de matériaux qu'elle requiert et de la faible marge de progrès envisageable, pose d'autres problèmes, qui nécessitent une analyse plus détaillée.
   De ce bref rappel, on peut tirer deux conséquences. La première est qu'il faut admettre des différences importantes dans les disponibilités en énergie renouvelable et qu'il serait illusoire de considérer toutes les régions comme équivalentes. Les pays du Nord, tels que Norvège, Suède, Canada, disposent d'un clair avantage en termes d'énergie ex-biomasse et hydraulique, les pays du Sud, en termes d'énergie solaire. La deuxième, c'est que la technologie joue un rôle essentiel. Maîtriser une filière technologique (ou les matériaux qu'elle nécessite, tels que les terres rares) permet d'acquérir un avantage géopolitique  considérable. C'est ce que la Chine vise dans le cas du photovoltaïque ou l'Allemagne dans le cas de l'éolien. 

dimanche 11 février 2018

L'avenir du biogaz / The future of biogas


Biogas is often referred to as the gas source of the future. To check such an idea, it is necessary first to wonder about the nature and origin of this biogas. Biogas production worldwide has increased significantly, but with a production of around 30 Mtoe / year (in 2013), it still accounts for less than 1% of global natural gas production. Biogas can be produced first by anaerobic fermentation from organic matter. This production method is the simplest and most economical. The production conditions, however, depend on the source of organic matter. This can be obtained from agricultural or municipal waste. Such an option seems particularly attractive. However, the more diverse the nature of the waste, the more difficult is the production and purification of biogas. In addition, from the amount of recoverable waste it is only possible to produce a limited amount of biogas, much lower than the current energy needs. In France, where biogas is produced from waste, production is only 0.6 Mtoe (2015) whereas the total primary energy consumption is 240 Mtoe. The potential production is greater, but remains limited. It is also possible to produce biogas from farming crops, as is the case in Germany, where biogas is produced mainly from silage corn, which allows production to be around 8 Mtoe (2015). Such an option has the obvious disadvantage of consuming agricultural land and being in competition with the production of biomass for food use. The energy of food-use biomass is about 5% of the total amount of energy consumed. This shows that producing energy from biomass is impacting very quickly the supply of food resources. The energy available from waste is also limited. A human being produces around 1 kg per day of all kinds of waste which is equivalent to less than 0.1 toe per year. It is also possible to produce synthetic biogas by gasifying solid biomass and converting the synthesis gas thus produced into synthetic methane. Technologies exist, but the process is expensive and yields are limited. In addition, the massive use of lignocellulosic biomass poses problems of availability and could even induce deforestation if the demand rises too much. In addition the direct use of biomass in a fireplace is much simpler than such a conversion to synthetic methane. Synthetic methane can also be produced from hydrogen and CO2. This option is expensive and requires available CO2. If captured from flue gas, CO2 is further released into the atmosphere  and the benefits in terms of carbon footprint are debatable. Producing biogas by fermentation is certainly a good idea when organic waste is available. However, there is no quick fix to multiply by 10 or 100 a biogas production that is limited by the availability of biomass.

Il est souvent question du biogaz comme de la source de gaz du futur. Pour savoir ce qu'il en est, il faut d'abord s'interroger sur la nature et l'origine de ce biogaz. La production de biogaz dans le monde a sensiblement progressé mais avec une production d'environ 30 M tep/an (en 2013), elle représente moins de 1% de la production mondiale de gaz naturel.
Le biogaz peut être produit tout d'abord par fermentation anaérobie à partir de matière organique.  Cette méthode de production est la plus simple et la plus économique. Les conditions de production dépendent toutefois de la source de matière organique. Celle-ci peut être obtenue à partir de déchets agricoles ou encore de déchets municipaux. Cette perspective est particulièrement séduisante. Toutefois, plus la nature des déchets est diverse, plus la production de biogaz se heurte à des difficultés de production et d'épuration. En outre, la quantité de déchets récupérables ne permet de produire qu'une quantité limitée de biogaz, beaucoup plus faible que les besoins en énergie actuels.  En France, où le biogaz est produit à partir de déchets, la production n'est que de 0,6 M tep (2015), pour une consommation totale d'énergie primaire de 240 M tep. La production potentielle est plus importante, mais reste limitée. Il est également possible de partir de cultures agricoles, comme cela est pratiqué en Allemagne où le biogaz est produit principalement à partir de maïs ensilé, ce qui permet d'atteindre une production de l'ordre de 8 M tep (2015). Une telle option présente l'inconvénient manifeste d'entrer potentiellement en compétition avec la production de biomasse à usage alimentaire et de consommer de la surface agricole. L'énergie que représente la biomasse d'usage alimentaire correspond à environ 5% de la quantité totale d'énergie consommée. Cela montre que vouloir produire l'énergie à partir de biomasse peut conduire très rapidement à de graves difficultés concernant les approvisionnements en ressources alimentaires. L'énergie disponible à partir de déchets est aussi limitée. Un être humain dans le monde produit environ 1 kg par jour de déchets de toutes sortes qui représentent une énergie inférieure à 0,1 tep par an.
Il est également possible de produire du biogaz de synthèse, en gazéifiant une biomasse solide et en transformant le gaz de synthèse ainsi produit en méthane de synthèse. Les technologies existent, mais le procédé est coûteux et les rendements limités. En outre, l'utilisation massive de biomasse lignocellulosique pose des problèmes de disponibilité et pourrait même favoriser la déforestation si la demande devient trop importante. En outre l'utilisation directe de la biomasse dans un foyer est beaucoup plus simple qu'une telle conversion en méthane de synthèse.
Du méthane de synthèse peut être également produit à partir d'hydrogène et de CO2. Cette option est coûteuse, conduit à une perte de rendement et nécessite de disposer de CO2. Si celui-ci est capté sur des gaz de combustion, le CO2 ainsi capté est relâché dans l'atmosphère au moment de la combustion du méthane et les avantages en termes de bilan carbone sont discutables.
Produire du biogaz par fermentation est donc une bonne idée si l'on dispose de déchets organiques. Il n'existe pas toutefois de solution miracle pour multiplier par 10 ou 100 une production de biogaz qui reste limitée par la disponibilité de biomasse.

dimanche 30 octobre 2011

Pétrole contre nourriture? Oil against food?

Biomass is already ensuring roughly 10% of the primary energy supply in the world, i.e. 1 G toe from 11 Gtoe. Wood is the main contributor. A large proportion of this biomass is used nder poor conditions and contributes to deforestation. Human food represents the equivalent of 600 Mtoe, and clearly the energy demand might threaten a proper access to food if biomass is extensively used for energy production. Biomass used for firing boilers can be provided to a large extend by waste (waste from wood constructions, biogas from organic waste). This is not the case with biofuels, which are produced from sugar extracted from sugar plants or derived from starch crops. From 419 Millions tons of cereals produced in 2009 in United States, 119 Millions have been transformeinto ethanol for producing biofuels. This production of biofuels competes then directly with food needs.  For this reason, R&D work is aiming at the production from biomass fraction which cannot be used for food, such as lignocellulosic biomass. Attemps are made also fopr prodicing biofuels from microalgae in bioreactors. These different options are costly and it is still difficult to know if they might be developed at a large scale and when.  

C’est dans le domaine de l’énergie que la demande pourrait être potentiellement la plus importante. De toutes les énergies renouvelables, la biomasse est celle qui est la plus facilement substituable aux énergies fossiles. En effet l’énergie issue de la biomasse est utilisée sous forme de combustibles solides, liquides ou gazeux, qui peuvent remplacer dans certaines conditions des combustibles fossiles tels que le charbon, le pétrole ou le gaz naturel.

samedi 29 octobre 2011

Une chimie verte ? / A green chemistry?

Biomass is becoming more and more attractive as a raw material for the production of a wide array of materials and products. Some of these applications have been known for a long time, such as the production of cotton fibers for the textile industry or the transformation of lignin into paper pulp. New applications are now growing very fast, for materials (fibers for composite materials) and products. A growing share of the oil used for chemistry might be displaced by biomass in the years to come and biorefineries might replace, at least partly, oil refineries.

Les usages alimentaires de la biomasse ne sont pas les seuls. La biomasse est utilisée aussi pour la production de fibres, de produits chimiques et pour la production d’énergie.  Dans tous ces domaines, les applications tendent à se multiplier, notamment pour remplacer le pétrole comme matière première, entraînant des risques de conflit avec les usages alimentaires.