Energieenvironnement et technologies de loffre: prospective 2050 avec le modle POLES

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Energie-environnementet technologies de
loffreprospective 2050 avec le modèle POLES
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La problématique développement énergétique /
contrainte environnementale, horizon 2030La
problématique à 2050prise en compte des
innovations radicalesBase de Données Techs-DB
pour la modélisation et laide à la décision
(Projet EMAD du Prog Ener)Résultats
préliminaires 2050 H2 et CSCFacteur 4 et Peak
Oil, quelques indications préliminaires
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La problématique développement énergétique /
contrainte environnementale, horizon 2030La
problématique à 2050prise en compte des
innovations radicalesBase de Données Techs-DB
pour la modélisation et laide à la décision
(Projet EMAD du Prog Ener)Résultats
préliminaires 2050 H2 et CSCFacteur 4 et Peak
Oil, quelques indications préliminaires
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POLES Large scale power technologies
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POLES New and Renewable technologies
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La  courbe d apprentissage à deux facteurs 
(TFLC) dans POLES

• Dans POLES la courbe d apprentissage
  conventionnelle COST A CUMCAP-b
• est remplacée par une courbe deux facteurs ...
  Intégrant aussi la recherche cumulée (publique et
  privée)
• COST A CUMCAP-b (CGERDCBERD)-c
• avec variable éxogène
• variable endogène

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Analyse des budgets de RD Energie selon lAIE
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Four key technology portfolios
(From J. Pershing,
IFRI-RFF seminar, March 2003)
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La problématique développement énergétique /
contrainte environnementale, horizon 2030La
problématique à 2050prise en compte des
innovations radicalesBase de Données Techs-DB
pour la modélisation et laide à la décision
(Projet EMAD du Prog Ener)Résultats
préliminaires 2050 H2 et CSCFacteur 4 et Peak
Oil, quelques indications préliminaires
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Des innov ations incrémentales aux innovations
radicales et changemts. struct.
Scénarios Référence Stabilisation
Modèle POLES 2030-2050
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Léconomie de lhydrogène dans le modèle POLES
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11 Hydrogen technologies

• 2 x 2 End-use technologies
• Hydrogen Fuel-Cells for stationary uses (Natural
  Gas FC) HFC, GFC
• Hydrogen Fuel-Cell Vehicles (Methanol FCV),
  FCVH, FCVM
• 10 H2 Production technologies
• Hydrogen from Gas Steam Reforming GSR
• Gas Steam Reforming with CO2 Sequestration GSS
  
• Coal Partial Oxidation CPO
• Coal Partial Oxidation with CO2 Sequestration
  CPS
• Biomass Pyrolysis BPY
  
  
  
• Solar High-temp. Thermochemical cycles SHT
• Nuclear High-temp. Thermochemical cycles NHT
• Water Electrolysis, dedicated Nuclear power
  plant WEN
  
  
  
• Water Electrolysis, dedicated Wind power plant
  WEW
• Water Electrolysis, baseload electricity from
  Grid WEG

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5 Carbon Capture Sequestration options

• Electricity technologies
• PFC CCS gt PSS Pulverized fuel Supercritical
  with CCS
• ICG CCS gt CGS Integrated Coal Gasification
  with CCS
• GGC CCS gt GGS Gas powered Gas turbine in
  combined cycle with CCS
• Hydrogen technologies
• GSRCCS gt GSS Gas Steam reforming with CCS
• CPOCCS gt CPS Coal Partial oxidation with CCS

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Les véhicules TBE (Très Basse Energie)
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Parts de marché des différentes technologies TBE
dans le Transport - France
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Les batiments TBE (Très Basse Energie)

• Secteur résidentiel-tertiaire, création de 3
  types de bâtiments
• Standard moyenne des consommations du
  pays/région avec progrès technique
• Basse Consommation (neuf et réhabilitation
  thermique), 50 de la consommation standard
• Très Basse Consommation (neuf), 1/3 de la
  consommation standard dans les régions en
  développement, 1/4 dans les pays industrialisés
• Diffusion en fonction du retour sur
  investissement de léconomie réalisée
• Sous contrainte de renouvellement des parcs

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Parts de marché des bâtiments TBE dans le
résidentiel - France
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La problématique développement énergétique /
contrainte environnementale, horizon 2030La
problématique à 2050prise en compte des
innovations radicalesBase de Données Techs-DB
pour la modélisation et laide à la décision
(Projet EMAD du Prog Ener)Résultats
préliminaires 2050 H2 et CSCFacteur 4 et Peak
Oil, quelques indications préliminaires
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Techs-DB vers une harmonisation des évaluations
de coût des technologies
Observé ?
Des écarts importants
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Techs-DB, coûts de référence de lélectricité
du bi- au tri-dimensionnel invest. / combust.
/ valeur du C
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Techs-DB, la quatrième dimension
fondamentaux de la production dhydrogène
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Techs-DB POLES H2 production costs (fuel
prices from Reference, no CO2 penalty)
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Lobservatoire des technologies énergétiques

• Dans le cadre du programme Energie du CNRS et du
  projet de maison de lénergie de lINPG
• LObservatoire des technologies énergétiques
  abritera la base Techs-DB du LEPII-EPE
• Visant à rassembler les informations de coût et
  de performance sur une cinquantaine de
  technologies génériques

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La problématique développement énergétique /
contrainte environnementale, horizon 2030La
problématique à 2050prise en compte des
innovations radicalesBase de Données Techs-DB
pour la modélisation et laide à la décision
(Projet EMAD du Prog Ener)Résultats
préliminaires 2050 H2 et CSCFacteur 4 et Peak
Oil, quelques indications préliminaires
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La production dHydrogène

• La contrainte carbone (en /tCO2) sera
  déterminante pour la compétitivité des
  différentes options de production, la production
  à partir des fossiles implique la séquestration
• Loption Gaz ne devrait être que transitoire
  (prix du gaz)
• Resteraient en compétition les options Charbon
  CSC, Biomasse, Eolien et Nucléaire dédié
  (de 600 /toe à 400 en 2050 ? NB 50 /bl
  350 /toe)
• Aux USA les  roadmaps  ne font apparaître que
  les deux premières options, mais annonces /
  Electrolyse à Haute Température avec Nucléaire

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Le transport

• Ramené à la tep, le coût de transport pourrait
  représenter de 25 à 50 du coût de production
  (en 2050)
• La difficulté est denclencher le cercle vertueux
  des  rendements croissants  (les réseaux
  élec. et gaz ont été développés dans un
  environnement dit de  monopole naturel )
• Le problème est donc celui du financement dune
  nouvelle infrastructure de réseau dans un
  environnement institutionnel libéralisé, avec
  coûts initiaux élevés mais décroissants

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Les marchés

• Sur le marché du stationnaire lhydrogène devra
  affronter la concurrence de lélectricité
• LHydrogène peut alimenter des systèmes de
  production distribuée en cogénération
• Soit en combustion directe (micro-turbines,
  mélange HyNat), soit en PACO (dans ce cas, un
  coût dinvestissement de 500 /kWe ne représente
  que 1/10ème du coût actuel)
• Mais les bâtiments basse-énergie (ou Facteur 4)
  seront peu favorables à des solutions à fort
  investissement
• Lefficacité technique et économique de la chaîne
   électricité gt H2 gt électricité  reste à
  démontrer

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Les marchés

• Sur le marché des transports
• LHydrogène peut remplacer le pétrole pour les
  véhicules particuliers et utilitaires et
  constituer une alternative de long terme au
  pétrole
• Soit en combustion directe (solution BMW), soit
  en PACO (quel à quel horizon de temps ?)
• Mais dans ce cas un coût dinvestissement de
  50 /kWe représente 1/100ème du coût actuel
  (moteur thermique 3000 pour 60 kWe)
• Le véhicule H2 devra aussi affronter la
  concurrence des hybrides rechargeables et des
  véhicules électriques 100 batterie

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Scénarios pour lhydrogène (WETO-H2)

• Lhydrogène devra relever deux défis
• celui de lapport dune véritable valeur ajoutée
  / élec
• celui de la construction dune infrastructure
  lourde (10s G) en univers incertain et
  libéralisé
• Pour la production deux scénarios sont possibles
• Le scénario américain (et chinois) de la
  production par centrale charbon avec CSC
  (électricité chère, avantage de cogen distribuée
  sans CO2)
• Le scénario européen  RENUC  électricité bon
  marché mais H2 stockage dans le complexe
  électrique (décentralisé ? centralisé saisonnier
  ?)
• LHydrogène se développera-t-il ? Peut-on
  imaginer une cohabitation des différentes voies
• C aux US, Chine, Inde
• NUC en F, EurEst, Chine REN dans reste Europe
• Ou au contraire un seul modèle dominant ???

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La problématique développement énergétique /
contrainte environnementale, horizon 2030La
problématique à 2050prise en compte des
innovations radicalesBase de Données Techs-DB
pour la modélisation et laide à la décision
(Projet EMAD du Prog Ener)Résultats
préliminaires 2050 H2 et CSCFacteur 4 et Peak
Oil, quelques indications préliminaires
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POLES Processus de découverte Pétrole et Gaz

• Ressources Récup. ULtimes Pétrole en place X
  Taux de Récup.
• Les découvertes, fonction à rendement décroissant
  de l effort de forage
• Réserves Découvertes - Production Cumulée
• Prix du pétrole f(Réserves/Production)
• Pétroles non conventionnels f(prix petr)

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Référence 2050 retour du charbon, pics pétrolier
et gazier

• Dans le scénario de référence, la tension
  croissante sur les hydrocarbures se traduit par
  un prix de 60 /bl en 2050

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Les profils S550 et S650 tous gaz
(S450-S550 CO2) dans létude GRP
pour la DG ENV
IMAGE 2.2

• En 2050, les réductions démission atteignent
  respectivement 35 et 60 par rapport à la
  référence

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Les dotations internationales de droits
démission à 2050

• Pour les profils globaux de létude GRP et des
  dotations  Multi-Stage , on peut retenir les
  ordres de grandeur suivants

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550e-F4 Impacts sur la consommation mondiale
dénergie

• La consommation primaire mondiale passe de 24
  (Ref) à 12 Gtep
• Près des deux tiers de lapprov. sont assurés
  par les renouvelables et le nucléaire

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La séquestration se généralise dans la production
délectricité entre 2020 et 2030
37
Fundamentals of electricity costs from Techs-DB
38
Consommation mondiale de liquides
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F4-2 Prix internationaux

• Dans le scénario prix endogène, la sortie des
  énergies fossiles se traduit par une
  stabilisation des prix internat.
• Le prix du pétrole plafonne à 23 en 2020, et
  baisse ensuite

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Les transitions énergétiques propos détape

• Au-delà de 2020-2030, la poursuite du
  développement énergétique imposera des
  innovations radicales
• Il est certain que les solutions feront appel à
  quatre clusters
• 1/ technologies TBE, Très Basse Energie
• 2/ Energies Renouvelables
• 3/ Nucléaire III et IV
• 4/ H2 et/ou Elec avec séquestration
• A lintérieur des clusters il est impossible
  aujourdhui de sélectionner les gagnants (pick
  the winners)
• Trois transitions se superposeront, en
  interdépendance dynamique
• 1/ Peak Oil
• 2/ Stabilisation GES
• 3/ Matériaux fissiles
• Lenjeu pour la recherche et de tenter
  dappréhender les dynamiques relatives de progrès
  technique et de contrainte de ressource/émission