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Sauf si vous habitez dans une grotte, vous savez certainement qu'un accord international sur le climat a été adopté à Paris samedi dernier. Il reste encore largement à préciser - ce sera le rôle des prochaines conférences - mais il déjà contient des indications claires de la direction que la communauté internationale souhaite donner aux émissions de gaz à effet de serre. Et donc des choix économiques et technologiques à venir. Décryptage...
(Version courte si vous êtes pressé : baisse des émissions d'au moins 4% par an pendant les 35 prochaines années puis zero émissions nettes)
> Cet article est tirée de mon analyse de l'Accord que vous pouvez télécharger intégralement ici.
Ce que dit l'Accord de Paris
L'Accord contient deux objectifs principaux en matière d'atténuation :
"Contenir l’élévation de la température moyenne de la planète nettement en dessous de 2 °C par rapport aux niveaux préindustriels en poursuivant l’action menée pour limiter l’élévation des températures à 1,5 °C." (article 2)
"Parvenir au plafonnement mondial des émissions de gaz à effet de serre dans les meilleurs délais [...] et parvenir à un équilibre entre les émissions anthropiques par les sources et les absorptions anthropiques par les puits de gaz à effet de serre au cours de la deuxième moitié du siècle." (article 4)
Tout cela est bel est bon, me direz-vous, mais ça ne nous dit pas combien de gaz à effet de serre nous pourront émettre en 2030 ou 2070. On y vient.
Interprétation des objectifs de Paris
Le 5e rapport du GIEC (p. 64) indique que pour avoir une probabilité de 66% de rester en dessous de 2°C, il faut que le total de nos émissions ne dépasse pas 2900 milliards de tonnes équivalent-CO2 (ou GTeqCO2). Compte-tenu de ce qui a déjà été émis nous disposons encore d’un « budget carbone » d’environ 800GTeqCO2. Le premier objectif de l'Accord de Paris peut donc s'interpréter comme une limitation de nos émissions de gaz à effet de serre à 800GTeqCO2 entre maintenant et le moment où nous atteignons les zéro émissions nettes. Il s'agit d'une limite maximale puisqu'elle revient à renoncer à l’objectif de 1.5°C et nous laisse encore une chance sur trois de dépasser 2°C. Elle correspond à peu près à 20 années d'émissions au rythme actuel.
La seconde partie du second objectif a donné lieu à quelques inquiétudes en fin de semaine dernière, principalement parce que la version anglaise est plus ambiguë que la version française. Mais, en clair, il s'agit de parvenir à zero émissions nettes pendant la seconde moitié du XXIe siècle. C'est-à-dire qu’à un moment au cours de la seconde moitié du XXIe siècle nos émissions devront devenir égales à la quantité de gaz à effet de serre que nous captons. Pour alléger un peu, notons Teq le moment où cet équilibre est atteint et Eeq le niveau d’émission correspondant. A l’heure actuelle, notre capacité à capturer et à stocker des gaz à effet de serre est très faible. Les projets d’afforestation et de reforestation nous permettent de retirer quelques fractions de pourcents de nos émissions annuelles de l’atmosphère et encore il ne s’agit que d’un stockage temporaire. Des solutions techniques sont proposées, par exemple l’utilisation de centrales à biomasse avec capture et séquestration du carbone, et d’autres pourraient apparaître dans le courant du siècle. Il est donc difficile d’estimer la quantité de gaz à effet de serre qui pourrait être retirée de l’atmosphère dans 50 ans. Pour donner une fourchette large, on peut estimer que Eeq se trouvera quelque part entre 0 (ce qui est très pessimiste) et 10GTeqCO2 par an (ce qui est sans doute beaucoup trop optimiste).
L'addition de ces deux contraintes nous donne un profil d'émissions de ce type :
Un pic dans les années qui viennent,
L'apparition de puits de carbone (ou "émissions négatives") dans le courant de siècle qui croissent jusqu'à Eeq,
Une décroissance rapide des émissions pour passer du pic à Eeq,
Un total des émissions nettes (c'est-à-dire la surface hachurée) inférieur à 800GTeqCO2.
Quelques observations
Ce modèle permet de comprendre trois points importants :
La phase critique de la mise en œuvre des objectifs de Paris se trouve entre le pic d’émission et le moment où les zéro émissions nettes sont atteintes. Pendant cette période, les émissions mondiales de gaz à effet de serre devront décroître à un rythme soutenu, ce qui implique une forte pression sur les entreprises et les consommateurs.
Beaucoup de profil d’émission sont envisageables mais le rythme de baisse moyen pendant cette phase ne dépend que de quatre variables : les émissions entre aujourd’hui et le pic, le niveau d’émission au moment où le pic se produit, Teq et Eeq.
Plus le pic d’émission sera tardif plus le rythme de baisse devra être rapide, il est en est de même pour le moment où les zéro émissions nettes sont atteintes. Eeq est le seul paramètre sur lequel nous pouvons réellement jouer pour adoucir la transition. Le cas le plus favorable est celui où le pic d’émissions a lieu immédiatement, les zéros émissions nettes sont atteintes le plus tôt possible (Teq = 2050) et Eeq est maximal (donc selon notre hypothèse Eeq = 10GTeqCO2). Il est à noter que, en dehors de ce cas le plus favorable, une baisse linéaire des émissions ne permet pas d’atteindre l’objectif de 2°C/800GTeqCO2, il faudrait donc un profil de décroissance des émissions plus rapide (par exemple exponentiel).
Dans le cas le plus favorable, les émissions mondiales de gaz à effet de serre devront baisser en moyenne de 3.9% par an entre 2015 et 2050. Ce qui revient quand même à retirer 860MTeqCO2 par an, soit à peu près aux émissions actuelles de l’Allemagne, chaque année pendant 35 ans.
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Si vous cherchez l'actualité du jour à la conférence de Marrakech, ne cherchez plus : ce sont les élections générales américaines. Quel que soit le résultat, le vote d'aujourd'hui aux États-Unis va donner le ton des deux semaines de négociation. D'un coté, Donald Trump a pris violemment position contre la politique climatique mené par le président Obama et en cas de victoire il a promis "d'annuler l'Accord de Paris". De l'autre, Hillary Clinton se placerait probablement dans la continuité des années précédentes mais une large victoire au Sénat voire à la Chambre des Représentants pourrait aider à lever les doutes sur les politiques engagées par Barack Obama, notamment sur la capacité de l’exécutif de réglementer les émissions et ratifier l'Accord de Paris sans passer par le Congrès.
Remember, remember the COP of November (2000)
Même si Halloween est déjà passé, jouons un instant à nous faire peur et imaginons que Donald Trump l'emporte ce soir. Quelles pourraient être les conséquences de cette victoire sur la COP22 ?
C'est la première fois que l'élection américaine tombe pendant une conférence sur le climat. Mais il existe quand même un précédent intéressant : la COP6 qui s'est tenue à la Haye du 13 au 24 novembre 2000. Cette année-là l'élection américaine oppose le démocrate Albert Gore au républicain George Bush. Le premier est un partisan de l'action climatique, le second est issu d'une famille de pétroliers et gouverneur du Texas, un des États américains qui possède à la fois des ressources en pétrole et en charbon.
L'élection américaine se déroule le 7 novembre, la semaine précédant l'ouverture de la Conférence mais le résultat reste incertain. Il est très serré en Floride, qui est comme cette année un État clé. Les votes doivent être recomptés. La victoire de Georges Bush ne sera confirmée par la Cour Suprême que le 12 décembre. La COP6 s'ouvre dans ce contexte avec notamment pour objectif de négocier la mise en œuvre du Protocole de Kyoto adopté en 1997. Les États-Unis, qui ont signé mais pas ratifié le Protocole, souhaitent pouvoir utiliser au maximum les mécanismes de flexibilités prévus par le texte. Ils sont soutenus par une petite mais puissante coalition : le Groupe parapluie. L'Union Européenne veut au contraire en limiter l'usage. Une négociation déjà tendue se déroule alors qu'il devient de plus en plus évident que Georges Bush va l'emporter. Georges Bush n'a pas de position précise sur la lutte contre le changement climatique, il a critiqué le protocole de Kyoto mais il s'est prononcé pour un marché du carbone et en tant que gouverneur il a soutenu des mécanismes de ce type pour d'autres polluants. Il faudra à la nouvelle administration des mois pour définir sa position et nommer ses nouveaux responsables. La seule certitude au moment où la victoire des Républicains se précise, c'est que le mandat confié aux négociateurs américains pour la COP6 n'a plus guère de valeur.
Trop d'incertitudes, la COP est suspendue
Face à cette impasse, le ministre de l'environnement néerlandais, qui préside la conférence, décide de suspendre la COP6. Le 20 janvier 2001 Georges Bush prête serment et le 29 mars il annonce que les États-Unis ne ratifieront pas le Protocole de Kyoto.
Une COP6bis a lieu en juillet 2001 à Bonn. A la surprise générale, elle permet de remettre le Protocole de Kyoto sur les rails. En réalité l'UE cède sur presque tout sans parvenir à ramener les États-Unis dans le processus, dont ils resteront à la marge pendant presque 15 ans.
La situation de la COP6 rappelle celle que nous connaissons en ce moment : un accord qui reste à préciser, une élection américaine qui s'annonce serrée et un candidat qui menace d'en retirer son pays. Il existe aussi des différences : l'Accord de Paris est déjà en vigueur, la situation entre les Etats-Unis et ses partenaires est moins tendue et le monde est devenu plus multipolaire. L'histoire ne repasse pas les plats…
Reste qu'en cas de victoire de Donald Trump, l'équation de la COP22 deviendrait un peu plus impossible et la tentation déjà forte d'en faire une COP pour rien pourrait l'emporter.
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Comme je parle pas mal de d'énergie nucléaire en ce moment, il me semble intéressant de faire un point sur les différentes technologies existantes. Si graphite-gaz, CANDU ou RNR ne vous évoquent rien de précis, cet article est pour vous...
Un problème, stabiliser la réaction en chaine, et trois variables principales
Comme vous le savez certainement, la production d'énergie atomique repose sur une réaction en chaine : un atome lourd est cassé en atomes plus légers et au passage émet des neutrons qui vont percuter d'autres atomes, qui à leurs tours peuvent se casser, émettant de nouveaux neutrons, qui etc.
Tout l'enjeu du nucléaire civil est de parvenir à stabiliser cette réaction de façon à ce que, après une phase de démarrage, les neutrons produits par chaque fission d'atome soient juste assez nombreux pour entrainer exactement une autre fission. En effet :
Si, en moyenne, une fission engendre trop peu de neutrons pour causer la fission suivante, la réaction en chaine va s'éteindre rapidement,
Si, au contraire, il y a trop de neutrons et que chaque fission entraine en moyenne plus d'une nouvelle fission, la réaction va accélérer exponentiellement (c'est le principe des armes atomiques).
Pour parvenir à cet équilibre, les concepteurs des réacteurs disposent de trois grandes variables : le modérateur, le combustible et le fluide caloporteur.
Le modérateur
Il s'agit d'une substance introduite dans le réacteur pour ralentir les neutrons. Un neutron ralenti (on dit parfois "neutron thermique") se déplace typiquement à quelques kilomètres par seconde au lieu de quelques milliers de kilomètres par secondes, ce qui lui donne plus de chance d'être capté par un atome et de causer une fission. L'utilisation d'un modérateur présente cependant deux inconvénients. D'abord certains atomes qui peuvent être cassés par des neutrons rapides ne peuvent pas l'être par des neutrons lents - c'est le cas notamment des isotopes pairs du plutonium, ce qui explique que le plutonium puisse être employé pour la production d'armes atomiques mais joue un rôle marginal dans le nucléaire civil. Ensuite le modérateur peut absorber des neutrons qui ne participent donc plus à la réaction en chaine.
Le combustible
Logiquement, plus il y a d'atomes fissibles, plus la probabilité de fission augmente. A l'état naturel l'uranium contient environ 99.3% d'uranium 238 et 0.7% d'uranium 235. Or seul le second est fissible. L'uranium 238, quant à lui, est fertile, c'est-à-dire que lorsqu'il capte un neutron il se transforme en un atome plus lourd au lieu de se casser. Pour faciliter la réaction en chaine, l'uranium peut-être enrichi en uranium 235 (généralement jusqu'à 2 ou 3%) mais c'est une opération complexe et très énergivore.
Le fluide caloporteur
Il peut s'agir d'un liquide ou d'un gaz dont le rôle est de transporter la chaleur du réacteur à la turbine, il permet ainsi de produire de l'électricité et de refroidir le réacteur. Il peut parfois aussi servir de modérateur.
Les réacteurs graphite-gaz
Commençons notre revue des grandes familles de réacteurs nucléaires par une technologie utilisée très tôt : le réacteur uranium naturel-graphite-gaz. Si vous avez suivi jusqu'à là vous devez avoir compris l'essentiel : ces réacteurs utilisent de l'uranium non-enrichi comme combustible, du graphite comme modérateur et du dioxyde de carbone comme fluide caloporteur. Le premier réacteur nucléaire artificiel de l'histoire, la pile de Fermi construite en 1942 à Chicago, était de ce type (même si elle n'avait pas de refroidissement donc pas de fluide caloporteur). Les réacteurs Magnox britanniques, les premiers à usage commercial, sont aussi de ce type, tout comme les AGR qui leur ont succédé. C'est aussi le cas des réacteurs français de première génération, les UNGG dont le nom est précisément l'acronyme d'Uranium Naturel Graphite Gaz. Le RMBK soviétique, le type de réacteur impliqué dans l'accident de Tchernobyl, utilise lui aussi de l'uranium naturel modéré au graphite mais c'est de l'eau qui sert de fluide caloporteur.
Le choix de l'uranium naturel comme combustible dans de nombreux réacteurs de première génération s'explique par deux considérations. D'abord il est inutile de l'enrichir, un processus complexe et mal maitrisé par la plupart des pays lors du lancement de leurs programmes nucléaires. Ensuite l'uranium naturel produit de grande quantité de plutonium, très utile pour les pays qui veulent développer des armes atomiques. Mais l'uranium naturel présente aussi un inconvénient : comme la concentration en atome fissibles y est faible, il faut pour que la réaction en chaine ait lieu que très peu de neutrons soient absorbés par le modérateur. D'où le choix du graphite qui offre de bonnes performances de ce point de vue.
Les réacteurs à eau lourde
L'eau lourde, c'est à dire de l'eau dans laquelle tous les atomes d'hydrogène comptent un neutron, un électron et un proton, est aussi un modérateur performant utilisable avec de l'uranium naturel. Le plus souvent, l'eau lourde sert aussi de fluide caloporteur. La plupart des réacteurs à eau lourde sont des CANDU de conception canadienne. Comme le graphite-gaz, cette filière est très proliférante : des réacteurs CANDU ont été impliqués dans le développement d'armes nucléaires par l'Inde et le Pakistan. La centrale de Dimona, pièce maitresse du programme nucléaire israélien, possède elle aussi un réacteur à eau lourde.
L'Advanced CANDU, un projet de réacteur de 3e génération, devrait utiliser de l'eau lourde comme modérateur mais de l'eau ordinaire comme fluide caloporteur.
Les réacteurs à eau bouillante
Ces réacteurs utilisent de l'eau ordinaire à la fois comme modérateur et comme fluide caloporteur. Comme l'eau a tendance à absorber des neutrons, il est indispensable que le combustible soit enrichi.
Les premiers réacteurs à eau bouillante (BWR en anglais) ont été conçus par General Electrics dans les années 50. Environ 17% des réacteurs nucléaires en service appartiennent à cette catégorie. Aujourd'hui GE, en partenariat avec Hitachi, continue à proposer des réacteurs à eau bouillante, c'est notamment le cas de l'ABWR (Advanced Boiling Water Reactor), qui devrait être construit en Grande Bretagne, et de l'ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor). Areva développe également un réacteur à eau bouillant : le KERENA.
Les réacteurs à eau pressurisée
Last but not least, les réacteurs à eau pressurisée utilisent la même formule que les réacteurs à eau bouillante (uranium enrichi avec de l'eau ordinaire comme modérateur et caloporteur) mais l'eau est maintenue sous très forte pression de façon à rester liquide malgré la température très élevée dans le coeur du réacteur. Le REP, PWR en anglais, a été inventé par Westinghouse dans les années 50. Le VVER est son équivalent russe. Les deux-tiers des réacteurs en service aujourd'hui s'appuient sur cette technologie. C'est notamment le cas de l'EPR (EPR signifie European Pressurized Reactor, réacteur à eau pressurisée européen) ou de l'ATMEA1, un réacteur de plus petite taille développé par Areva et Misubishi. Mais aussi de l'APR-1000 coréen ou de l'AP1000, réacteur de génération 3 proposé par Westinghouse (qui a depuis été rachété par le japonnais Toshiba).
Et demain, les réacteurs à neutrons rapides ?
L'avenir semble appartenir aux RNR, les réacteurs à neutron rapides (donc sans modérateur) entre autres parce qu'ils produisent moins de déchets et consomment moins d'uranium. Parmi les projets existants, on peut citer notamment ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) : un RNR de 600MW refroidi au sodium qui doit voir le jour en France aux alentours de 2020 pour une exploitation commerciale vers 2030. Dans le passé, la France a déjà construit 3 réacteurs expérimentaux à neutrons rapides refroidis au sodium : Rapsodie, Phénix et Superphénix. Des projets de réacteurs à neutrons rapides refroidis au gaz (GFR,Gas-cooled Fast Reactor) ou au plomb (LFR, Lead-cooled Fast Reactor) existent également.
Publié le 9 septembre 2016 par Thibault Laconde
Illustration : By Ludovic Péron (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons
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