Les enjeux de la recherche pour la transition énergétique

26/10/2014
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Publication REE REE 2014-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-4:11534
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Les enjeux de la recherche pour la transition énergétique

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REE N°4/2014 23 Introduction L a transition énergétique est à l’ordre du jour, depuis le début du siècle, et des agences natio- nales ainsi que des organismes internationaux comme l’Agence Internationale de l’Energie (AIE) et le Conseil Mondial de l’Energie proposent des scénarios qui explorent les voies qu’elle pourrait emprunter. L’objectif central de cette transition est de diminuer la consommation mondiale d’énergies fossiles qui est la principale cause du réchauffement climatique1 et la plupart des scénarios énergétiques font l’hypo- thèse que l’intensité énergétique pourrait diminuer de façon continue tandis que la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique mondial serait en forte croissance. Toutefois, nombre de filières d’avenir ne peuvent être développées qu’au prix de ruptures (des sauts techniques) afin de faire sauter des verrous qui en bloquent le développement. Dans ces perspec- tives, le rôle de la recherche est capital et l’on doit s’interroger sur les orientations qu’il convient de lui donner en passant en revue les grands chantiers sur lesquels elle travaille. L’éclairage des scénarios : une stratégie en trois temps Les scénarios énergétiques volontaristes, compatibles avec une limitation à 2° C du réchauffement climatique de la pla- nète d’ici la fin du siècle, font l’hypothèse qu’il est possible de diminuer la part des énergies carbonées dans le mix éner- gétique mondial, de faire monter en puissance les énergies renouvelables et notamment dans la production d’électricité 1 Elles représentent environ les deux tiers de la consommation d’énergie finale en France. et de carburants2,3 . Les scénarios proposés pour la France, par l’Alliance Nationale de Coordination de la Recherche pour l’Energie (ANCRE) vont dans le même sens4 ; ils permettraient de diviser par un facteur 4 les émissions de gaz à effet de serre à l’horizon 2050. Observons aussi que, dans son rapport Energy Technology Perspectives 2014, l’AIE fait l’hypothèse d’une forte progression de la demande mondiale d’électricité à l’horizon 2050, dans une fourchette de 80 à 130 %5 . La plupart des scénarios permettent d’identifier les do- maines où des avancées, voire des « ruptures », sont indis- pensables pour « décarboner » l’énergie mais on doit obser- ver que les grandes thématiques de l’énergie (économies d’énergie, énergies renouvelables, nucléaire, etc.) appellent presque toutes des progrès scientifiques et techniques et donc une mobilisation de la recherche-développement (R&D). Sur quels chantiers faut-elle la mobiliser ? Il est impor- tant de tenter de répondre à cette question. Stimuler et orienter la recherche a toujours été une opé- ration difficile dans le domaine de l’énergie comme dans d’autres. Nombre de rapports sur la recherche en énergie déclinent des grandes thématiques sectorielles (la biomasse, la géothermie, le nucléaire, le solaire, etc.), il en va ainsi des 2 IEA, World Energy Outlook 2013, Paris, 2013, www.iea.org. 3 Conseil Mondial de l’Energie, Les scénarios mondiaux de l’énergie à l’hori- zon 2050, Paris, 2013, www.wec-france.org. 4 ANCRE, Scénarios de l’Ancre pour la transition énergétique, 2013, www.allianceenergie.fr. Cette « alliance » coordonne la stratégie de R&D en matière d’énergie des principaux organismes de recherche publics et des universités. 5 IEA, Energy Technology Perspectives 2014, Harnessing electricity potential, Paris, mai 2014, Les enjeux de la recherche pour la transition énergétique L'ARTICLE INVITÉ PIERRE PAPON Professeur émérite à l’ESPCI The energy transition has been on the political agenda for a good ten years now and its main objectives will be embedded in a law which will be passed, in 2014, by Parliament in France. Most energy issues (energy savings, the emergence of renewable energy, the future of nuclear power, etc.) call scientific and technical developments and R&D should certainly play a key role to overcome the major technical obstacles which block future breakthroughs. After recalling the conclusions of scenarios for energy demand in 2050, which take into account the necessity of curbing greenhouse gases emissions (the main cause of climate change), we review the main issues which R&D should address in the short and long term: developing new materials for solar energy, smart grids, batteries for electricity storage, new catalysts for fuel cells, processes for the production of biofuels, nuclear fuels for a new generation of reactors, metal recycling. R&D should be considered as a key player in a long-term energy strategy which calls for prospective views. ABSTRACT 24 REE N°4/2014 L'ARTICLE INVITÉ rapports sur les « Grands défis de la transition énergétique », publié fin 2013 par l’ANCRE6 , et de celui de l’Académie des sciences « La recherche scientifique face aux défis de l’éner- gie »7 , mais il reste, bien sûr, à mettre en oeuvre une stratégie. Le rôle de la R&D est de perfectionner les techniques exis- tantes afin d’améliorer leur efficacité mais aussi de préparer l’avenir par des innovations, elle travaille donc avec des hori- zons temporels différents et nous prendrons ici une approche en trois temps, ou en trois étapes étalées dans le temps. Le premier, un horizon de dix ans, concerne les théma- tiques où des avancées sont indispensables sans pour autant viser des « ruptures ». Sans en faire un inventaire à la Prévert, on trouve ainsi parmi celles-ci la question de l’amélioration des rendements des machines thermiques (des automobiles aux turbines à gaz) – ce qui suppose la mise au point de matériaux résistants à des hautes températures ou de nou- velles architectures – et la production des biocarburants de deuxième génération (de l’éthanol notamment) à partir de la biomasse. S’agissant des énergies renouvelables, si l’éolien terrestre peut être considéré comme « mature », il est néces- saire d’extrapoler la puissance des turbines actuelles dans la gamme des 10-20 MW en mettant au point des composants robustes et allégés mais aussi d’assurer les bonnes condi- tions de fonctionnement des éoliennes off-shore. L’améliora- tion des performances des actuelles cellules au silicium ou avec d’autres matériaux semi-conducteurs est une priorité pour le solaire photovoltaïque. Quant au solaire à concen- tration (ou thermodynamique) il n’a pas besoin de ruptures mais d’améliorations des miroirs et des dispositifs de stoc- kage de la chaleur. Le deuxième temps d’une stratégie prend en compte tous les chantiers qui s’intéressent aux « verrous » scienti- fiques et techniques qu’il faudrait faire sauter au prix d’un effort de plus longue haleine (15-20 ans). Une technologie clé sur laquelle nous reviendrons, le stockage de l’électricité avec les batteries, est un bon exemple. Dans le troisième temps de la R&D, une stratégie à un horizon de 30 ans et au- delà, doit s'attaquer aux questions clés où l’insuffisance des connaissances scientifiques et techniques bloquera d’éven- tuelles ruptures, c’est le cas par exemple pour le nucléaire du futur. Bien entendu, ces trois étapes d’une stratégie de recherche sont conduites en synchronie et ne sont pas indé- pendantes ; ainsi par exemple les travaux sur les batteries électriques prennent en compte à la fois la nécessité d’amé- liorer à moyen terme les actuelles batteries lithium-ion et de travailler sur de nouvelles filières. 6 Alliance ANCRE, La recherche scientifique face aux défis de l’énergie, 2013. 7 Académie des sciences, La recherche scientifique face aux défis de l’éner- gie, EDP sciences, Paris, 2013, www.academie-sciences.fr. Cf. aussi : R. Mosseri, C. Jeandel, L’énergie à découvert, Paris, CNRS Editions, 2013 et P. Papon, Energie : la science peut-elle changer la donne ? Paris, Le Pommier, 2012. Les thématiques du moyen terme : quelles énergies renouvelables ? Intéressons-nous plus particulièrement d’abord aux re- cherches les plus prospectives à un horizon de 20 ans (le deuxième temps de la stratégie). En schématisant on peut considérer qu’elles s’organisent autour de trois questions : La recherche sur les matériaux travaille sur deux fronts : – la relation entre les propriétés et les structures des maté- riaux (par exemple la conductivité électrique dans les élec- trodes de batteries) – la synthèse de matériaux permettant de trouver des propriétés nouvelles ou d’améliorer des per- formances (pour les cellules solaires par exemple). Mieux comprendre, par exemple, ce qui se passe à la surface et à l’interface de films ou de cristaux (des nanocristaux notam- ment) dans une cellule photovoltaïque ou à l’interface d’une électrode de batterie (ou de pile à combustible) avec un électrolyte est un point clé. S’agissant de l’énergie solaire, contentons-nous d’exami- ner des avancées potentielles pour la filière photovoltaïque. L’objectif est d’abaisser le coût des cellules et de trouver des nouveaux matériaux avec des rendements plus élevés que celui du silicium8 . Des semi-conducteurs comme l’arsé- niure de gallium (AsGa) ou le tellurure de cadmium (CdTe, le cadmium est interdit en France car il est toxique) sont une alternative au silicium auquel on peut les coupler car ils n’absorbent pas les mêmes photons, les rendements des cellules peuvent atteindre 45 % mais leur coût est plus élevé. On peut aussi les augmenter en jouant sur les nanostruc- tures des matériaux ou sur des phénomènes comme l’effet thermo-ionique ou l’amplification de l’absorption la lumière à la surface d’une cellule par des effets non linéaires (les plasmons). Par ailleurs, les cellules de Grätzel, constituées par des particules de semi-conducteurs, comme l’oxyde de titane, dopées avec un colorant atteignent un rendement de 15 %, elles ont l’avantage d’être peu coûteuses. La chimie du solide permet d’ouvrir des voies nouvelles par la synthèse de nouveaux matériaux semi-conducteurs pour des cellules. Ain- si, avec des pérovskites (en général ce sont des oxydes mé- talliques), où un organométallique composé d’un halogène (le chlore, l’iode ou le brome) et d’un métal comme le plomb ou l’étain est déposé en phase vapeur sur un support, on réalise des cellules dont le rendement est actuellement de 18 %, avec un voltage supérieur à celui du silicium9 ; il faut 8 Les cellules solaires commerciales au silicium cristallin ont un rendement de 20 % que l’on peut pousser à 25 % si l’on utilise des systèmes optiques pour concentrer la lumière. 9 M. Grätzel, The light and shade of perovskite solar cells, Nature Materials, 13, p. 838, 2014, www.nature.com/natmat. REE N°4/2014 25 L'ARTICLE INVITÉ s’assurer de leur stabilité. Les plastiques semi-conducteurs (comme le trans-polyacétylène) constituent une autre filière de cellules, si leurs rendements ne dépassent pas encore 10 %, en revanche leur coût de production est moins élevé que celui du silicium. L’objectif est d’augmenter la mobilité des électrons dans ces matériaux pour élever le rendement photovoltaïque, en évitant la présence de microcristaux dans le matériau, des polythiophènes (contenant du soufre) à longue chaîne rigide ouvrent des perspectives intéressantes. Le rendement des cellules au silicium va probablement pla- fonner, il faut donc parier sur d’autres matériaux et d’autres phénomènes pour faire une percée (figure 1). La structure des matériaux (électrodes et électrolyte) joue un rôle tout aussi essentiel dans les batteries et les piles à combustible destinées aux véhicules électriques ou au stoc- kage de l’électricité dans des installations stationnaires. Les batteries au lithium, lithium-ion notamment, ont représenté une véritable percée. Le lithium est en effet le plus léger des métaux et il permet de stocker plus d’énergie par kg avec un voltage plus élevé (3,6 volts pour la batterie lithium-ion). La R&D sur les batteries a plusieurs objectifs : Elle travaille sur plusieurs fronts : électrons et des ions ; Les cathodes des batteries actuelles sont constituées par des oxydes ou des phosphates (un oxyde de lithium et de cobalt), et les anodes par des matériaux lamellaires comme le graphite (le lithium s’insère entre des plans). L’utilisation de nanomaté- riaux dans les électrodes diminuerait les temps de transit des électrons et des ions lithium : des poudres de graphite à l’anode et des nanoparticules de phosphate de fer et de lithium à la cathode, voire des nanotubes ou du graphène. Le vieillissement des batteries résulte souvent de réactions chimiques à l’inter- face entre les électrodes et l’électrolyte que l’on peut éviter en enrobant des électrodes dans des structures nanométriques. Le progrès des batteries lithium-ion va sans doute plafon- ner vers 2020 (aujourd’hui la densité des batteries commer- véhicule pourrait stocker une énergie de 25 kWh dans une batterie de 80 kg). Si l’on veut atteindre une densité énergé- Figure 1 : Rendement des cellules solaires. L’évolution des rendements des cellules solaires depuis 1975 est portée sur cette figure. Celui des cellules au silicium cristallin (courbes bleues) tend à plafonner (il atteint 25 % aujourd’hui avec des dispositifs optiques à concentration). Les rendements les plus élevés (45 %) sont atteints avec des cellules constituées par plusieurs semi-conducteurs (courbes violettes) mais leur coût est aussi plus élevé. On observe la montée récente des cellules avec des pérovskites (courbe à l’extrême droite avec des points jaunes) dont le rendement est proche de 18 %. Elles auraient l’avantage d’être produites par des réactions à basse température (inférieure à 150° C). Le rendement des cellules organiques (courbes rouges) progresse lentement (il atteint 10 %) mais elles ont l’avantage d’être peu coûteuses – Source : NREL. 26 REE N°4/2014 L'ARTICLE INVITÉ - cules électriques) à des coûts réalistes, il faut alors envisager d’autres options : substituer le magnésium au lithium, utiliser les couples lithium-oxygène, sodium-oxygène, lithium-soufre et zinc-oxygène. On obtiendrait une densité théorique de - tuelles. Pour des systèmes stationnaires, importants pour la production d’électricité par des sources intermittentes (le solaire et l’éolien), l’option de la batterie lithium-soufre est intéressante car elle ouvrirait la voie à des batteries avec des 10 . 10 Le Japon a construit plusieurs installations avec ces batteries (34 MW avec une ferme éolienne) ; l’une d’elles a toutefois été affectée par un incendie, en 2011, les problèmes de sécurité ne sont donc pas complétement résolus. Enfin, une option radicalement différente est l’objet d’un regain d’intérêt : les batteries à « flux circulant » redox (redox car elles mettent en œuvre des réactions d’oxydoréduction) où l’on stocke les charges électriques dans des électrolytes liquides, constitués de matériaux différents, que l’on fait cir- culer à l’aide de pompes entre des réservoirs et une cellule. L’énergie stockée ne dépendra que du volume des électro- lytes et des réservoirs. La recherche a pour objectif de trou- ver des « bons » électrolytes, des composés du vanadium – semblent prometteurs. La densité énergétique de ces bat- teries est plus faible mais elles seraient bien adaptées à des installations stationnaires. Figure 2 : Principe d’une batterie lithium-ion. La cathode des batteries actuelles est en général constituée par des oxydes métalliques (du lithium avec du cobalt ou du nickel) ou des phosphates et l’anode par des structures lamellaires, du graphite par exemple (les ions lithium s’insèrent entre les plans). L’électrolyte (liquide, solide ou gel) permet le passage des ions mais pas des électrons qui vont débiter dans le circuit extérieur. On peut alléger les structures avec des nanomatériaux (avec du graphène comme sur la figure). REE N°4/2014 27 L'ARTICLE INVITÉ La vitesse des réactions chimiques est souvent un point clé dans le fonctionnement de systèmes énergétiques et elle est fortement conditionnée par l’intervention d’un catalyseur dont les propriétés de surface jouent un rôle important. C’est le cas en particulier pour les piles à combustible à hydro- gène, alimentant des moteurs électriques, qui fonctionnent à température ambiante et qui utilisent le platine comme catalyseur et l’objectif de la recherche est de trouver une alternative aux métaux platinoïdes qui sont coûteux (platine et palladium) ; des pistes organiques (des phtalocyanines de cobalt ou de fer) peuvent s’avérer intéressantes. La mise au point de procédés chimiques ou biologiques pour la production de biocarburants est un enjeu à moyen et long terme important pour la recherche. Les carburants déri- vés du pétrole demeurent encore indispensables pour les transports (ils contribuent à 32 % de la consommation finale d’énergie en France) mais, depuis plusieurs années déjà, la voie des biocarburants est considérée comme une alterna- tive possible, même partielle, à l’essence et au gazole. Tou- tefois, après quelques années d’euphorie, les biocarburants dits de première génération (produits à partir de blé, de maïs, de colza, de tournesol ou d’huiles végétales) et de plantes à sucre (betterave, canne) ont été critiqués car ils utilisent une biomasse à finalité alimentaire et leur bilan carbone net n’est pas toujours meilleur que celui des carburants pétroliers. On s’oriente vers la filière des biocarburants de « deuxième gé- nération » pour fabriquer de l’éthanol, voire d’autres alcools, à partir d’une biomasse non alimentaire (résidus agricoles et forestiers, paille, herbes), on utilise de fait la cellulose voire l’hémicellulose, des sucres constituant les parois des cellules végétales. La R&D a pour objectif d’augmenter les rendements des procédés thermochimiques (on gazéifie la biomasse) ou biochimiques (on dégrade la cellulose avec des enzymes). D’autres voies plus prospectives sont encore des chantiers de recherche. On peut ainsi sauter l’étape de la fermentation des sucres pour produire directement des hydrocarbures par des réactions catalytiques (en utilisant le platine comme catalyseur à 330° C). Si l’on en reste au domaine de la chimie, on doit prendre en compte les problèmes posés par l’utilisation de l’hydro- gène qui est un vecteur énergétique utilisable soit comme « combustible », dans des piles produisant de l’électricité dans un véhicule électrique, soit pour stocker l’électricité. Pour cette dernière option on produit l’hydrogène par électrolyse de l’eau avec l’électricité fournie par des filières renouvelables et il est alors stocké, puis, dans une troisième étape, on pro- duit de l’électricité avec une pile à combustible. L’électrolyse étant une technique classique (son rendement est au maxi- Figure 3 : Objectifs pour les batteries automobiles. La densité énergétique est en ordonnée (Wh/kg) et sur la ligne horizontale figurent des hypothèses sur les prix en dollars/Wh. Une automobile avec une autonomie de 160 km avec les batteries actuelles lithium-ion est prise comme référence. Le prix de vente des batteries lithium-ion actuelles est proche de 300 /kWh. La batterie lithium-air, encore au stade de la R&D, avec une densité énergétique théorique proche de 1 000 Wh/kg, donnerait une autonomie à un véhicule comparable à celle de l’essence. Source : Nature Materials, vol.11, p.19, January 2012, Société chimique de France colloque 5 mars 2014 et J-M. Tarascon. 28 REE N°4/2014 L'ARTICLE INVITÉ mum de 70 à 80 %), la recherche s’attaque à deux verrous : le stockage de l’hydrogène et la pile à combustible. Pour cette dernière, dont le rendement énergétique est au maximum de 60 %, la question critique est le remplacement du platine, trop coûteux, comme catalyseur dans les piles à température ambiante, des piles fonctionnant à haute température évitent d’utiliser un catalyseur. Reste la question du stockage, pour des installations stationnaires, on peut le réaliser sous forme « solide » : on transforme le gaz en hydrures métalliques. Le rendement global d’une technique de stockage avec l’hydro- gène restera probablement inférieur à 50 %11 . La voie de la photochimie est explorée pour produire de l’hydrogène par une voie « non carbonée » (sans partir du gaz naturel), elle consiste à décomposer la vapeur d’eau avec le rayonnement solaire – le phénomène de la photolyse utilisé par les plantes – là encore, il faut trouver de bons catalyseurs, des catalyseurs à base de sulfure de molybdène sont une piste possible. Une voie possible consisterait à utiliser la chaleur solaire, dans un four par exemple (à 1 000 -1 400° C), pour décomposer la vapeur d’eau avec un catalyseur, par exemple un oxyde de manganèse. Pour en terminer avec la chimie, ou presque, il faut rappeler qu’à long terme, le recyclage de certains métaux sera incontournable (il est effectif pour le platine). Ce sera le cas pour le lithium, si les batteries au lithium s’imposent pour les véhicules électriques, et de terres rares comme le néodyme ou le dysprosium, constituants des aimants de tur- bines d’éoliennes et de moteurs électriques de voitures hy- brides. Ce recyclage mobilisera nécessairement une expertise 11 Une autre voie chimique est envisagée: elle consiste à transformer l’hy- drogène en méthane en le combinant avec du CO2 par voie catalytique ou bactérienne. Celui-ci peut être alors être soit envoyé dans un gazoduc pour être utilisé comme combustible, et fournir de la chaleur, soit stocké pour alimenter une turbine à gaz qui produira de l’électricité (avec un ren- dement de 50-60 %). Le rendement global de cette technique est très probablement inférieur à 50 %. chimique. Rappelons, enfin, qu’un sérieux verrou bloque la production d’électricité par des centrales thermiques brûlant ce que l’on appelle du « charbon propre » : il s’agirait de capter et de stocker le CO2 qu’émet sa combustion, par des procé- dés de séparation physico-chimiques économiques12 . La plupart des sources et des vecteurs d’énergie sont des composantes de « systèmes » qui permettent le transport et l’utilisation d’une énergie, l’électricité par exemple. Une approche « système » est donc nécessaire pour l’énergétique, elle prend en compte toutes les techniques de l’informatique, de l’automatique et de la cybernétique essentielles pour le contrôle du fonctionnement des réseaux et leur sécurité13 . La construction des « réseaux intelligents » (smart grids), est un point de passage obligé pour le développement des filières d’énergies renouvelables, ils doivent assurer le transport et la distribution d’électricité produite à la fois par des grandes centrales fonctionnant en quasi-permanence et des instal- lations intermittentes (les centrales solaires et éoliennes) ; elle requiert des recherches techniques importantes, en par- ticulier pour le transport en courant continu. Quant à l’éolien off-shore et à certaines filières d’énergie marine, des filières soumises à des contraintes environnementales sérieuses en milieu marin, elles nécessiteront la mise en œuvre d’infras- tructures de connexion avec des installations à terre. Ce sera le cas en particulier de toutes les techniques utilisant l’énergie des vagues et des courants marins, les hydroliennes notamment. Si l’on excepte la filière marémotrice qui exploite l’énergie des marées, les énergies marines sont loin d’être 12 Ces procédés existent et doivent être perfectionnés. En fait le vrai pro- blème est économique, le charbon propre ne sera rentable que si l’on taxe les émissions de CO2 ; le coût de la tonne de CO2 « économisée », non émise dans l’atmosphère, est au minimum de 150 . 13 On lira à ce sujet le rapport du NIST : Strategic R&D opportunities for 21st century Cyber-physical systems, connecting computer and informa- tion systems with the physical world, janvier 2013 www.nist.gov/el/isd). Figure 4 : Four solaire d’Odeillo. Le four solaire du CNRS à Font-Romeu-Odeillo, d’une puissance de 1 000 kW, permet de faire des recherches sur les matériaux à haute température (le rayonnement solaire est concentré par un jeu de miroirs sur une cellule située en leur foyer). On étudie la possibilité d’utiliser ces fours pour décomposer la vapeur d’eau par photolyse à l’aide d’un catalyseur (un oxyde de cérium ou de manganèse par exemple) pour produire de l’hydrogène. Source : CNRS. REE N°4/2014 29 L'ARTICLE INVITÉ matures et la plupart des scénarios énergétiques n’envi- sagent pas qu’elles puissent contribuer substantiellement à la production d’électricité à l’horizon 205014 . Les filières du long terme : de nouveaux biocarburants et un nouveau nucléaire ? Le succès économique de la filière des biocarburants de deuxième génération est loin d’être acquis et la recherche travaille sur de nouvelles voies. L’une d’elles, prometteuse, est une stratégie génétique qui vise à trouver des souches de bactéries ou de levures qui augmenteraient les rendements de saccharification (la production des sucres) et de fermen- 14 La filière marémotrice peut être considérée comme mature, mais les sites avec une forte amplitude de marée comme celle dont bénéficie l’usine marémotrice de la Rance (une puissance de 240 MW) sont rares. Quant à l’éolien off-shore, ses coûts de production (environ 180 /MWh) sont encore environ trois fois plus élevés que pour l’éolien terrestre. tation, en transformant par le génie génétique les génomes de bactéries ou de levures, pour les faire produire de nou- velles enzymes. La voie de la biologie synthétique est plus futuriste15 , elle consiste à modifier, partiellement ou totale- ment, des génomes de bactéries en y remplaçant des gènes par des petites séquences d’ADN synthétiques afin qu’elles produisent directement des alcools, des corps gras, des en- zymes pour dégrader la cellulose, voire des hydrocarbures. Deux laboratoires coréens ont ainsi modifié deux gènes de la bactérie Eschericia coli qui peut produire des alcanes à chaîne courte16 . Ces techniques peuvent être appliquées à des algues, la filière de biocarburants dits de troisième géné- ration. Autrement dit, une alliance entre la chimie et la bio- logie ouvre probablement des perspectives nouvelles aux 15 Une voie ouverte récemment, aux Etats-Unis par le biologiste Craig Venter. 16 Y.J. Choi, S.Y. Lee, Microbial production of short-chain alkanes, Nature, vol. 502, p. 571, 2013. Figure 5 : Maquette du réacteur thermonucléaire Iter. Dans un réacteur Tokamak, la fusion est réalisée dans un plasma constitué de deutérium et de tritium porté à très haute température (150 millions de degrés) dans une chambre toroïdale où il est confiné par un champ magnétique très intense. La fusion des atomes expulse des neutrons énergétiques qui en rentrant en collision avec la paroi recouverte de lithium vont produire le tritium pour la réaction. Iter est un réacteur expérimental en construction à Cadarache (Bouches du Rhône) dans un cadre international, dont les premiers résultats ne sont pas attendus avant 2025 (son coût est estimé à 16 milliards d’euros). On ne passera, éventuellement, à un stade industriel qu’au-delà de 2050 - Source : Iter. 30 REE N°4/2014 L'ARTICLE INVITÉ recherches sur les biocarburants. Ces techniques de « bio- ingénierie » vont demander des efforts de longue haleine et ne perceront qu’au-delà de 2030. L’avenir de l’énergie nucléaire est un problème à moyen et long terme. La catastrophe de Fukushima a conduit les pays qui n’ont pas décidé de sortir du nucléaire, c’est le cas de la France, à un aggiornamento à relativement brève échéance de la sûreté de leurs réacteurs nucléaires. Les programmes de re- cherche dans ce domaine doivent être amplifiés, ils concernent la thermo-hydraulique des réacteurs avec la modélisation de scénarios accidentels, le comportement des combustibles nucléaires, des métaux de leurs gaines et des bétons sous irra- diation. A plus long terme, au-delà de 2030-2050, l’avenir du nucléaire reste ouvert dans la mesure où les filières actuelles « brûlent » mal l’uranium dont les réserves ne permettront pas l’exploitation de l’énergie nucléaire au-delà du siècle. L’enjeu de la génération IV du nucléaire, est précisément d’étendre la durée de vie du nucléaire avec des nouvelles filières, celle des réacteurs surgénérateurs, utilisant le plutonium, et éventuelle- ment le thorium, comme combustible17 . Les recherches pour mettre au point ces filières et s’assurer de leur fiabilité et de leur sûreté sont importantes : elles portent à la fois sur la chimie des cycles de combustibles – elle reste à mettre au point pour le thorium – sur les systèmes caloporteurs nécessaires à l’extrac- tion de la chaleur des cœurs de réacteurs (des métaux liquides comme le sodium fondu, la voie choisie par la France, voire des sels fondus de thorium ou un gaz comme l’hélium). Leur enjeu est important car c’est de leurs résultats que dépendra, notamment, l’avenir du nucléaire au-delà de l’horizon 205018 . Le traitement et le stockage des déchets nucléaires restent un talon d’Achille du nucléaire et l’on conçoit qu’ils soient l’objet de recherche dans le but de mettre au point des techniques physiques ou chimiques pour se débarrasser des déchets à vie longue. L’utilisation d’accélérateurs pour bombarder des déchets est l’une des voies qui est explorée. Au-delà de l’horizon 2050, une vision très prospective de l’énergie conduit à être vigilant sur les possibles ruptures dans le champ de la physique des particules et plus généra- lement des concepts d’énergie et de matière et qui pourraient déboucher sur un nouveau nucléaire. La fusion thermonu- cléaire est, quant à elle, une filière qui est explorée depuis près de soixante ans et dont la percée demeure encore très hypothétique mais qui mérite d’être suivie avec atten- tion. Le projet international Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), qui a été lancé à Cadarache en France, 17 La génération III du nucléaire, dont le réacteur EPR en construction à Flamanville en est un prototype, est une filière de réacteurs à l’uranium enrichi plus puissants (1600 MW) fonctionnant avec une meilleure sûreté. 18 Six filières sont envisagées dans le monde. Elles sont décrites dans le rap- port de l’Agence de l’OCDE sur l’énergie nucléaire : OECD Nuclear Energy Agency, Technology roadmap update for Generation IV nuclear energy systems, janvier 2014, www.gen-4.org. explore la voie de la fusion d’un plasma de deutérium et de tritium, confiné dans une enceinte torique par un champ ma- gnétique ; les premiers résultats ne sont pas attendus avant 2025. L’extraction de l’énergie de fusion (transportée par des neutrons) restera un sérieux problème technique. La voie de la fusion par confinement inertiel est également explorée, elle est déclenchée par le tir d’un laser très puissant19 , les perspec- tives de cette technique sont, elles aussi, aléatoires. La fusion thermonucléaire reste un grand pari scientifique et technique et il n’est pas certain qu’il puisse être gagné, un succès des expériences en cours pourrait changer la donne énergétique. La nécessité d’une stratégie La transition énergétique est une entreprise qui prendra très probablement plusieurs décennies20 . Le projet de loi relatif à la « Transition énergétique pour la croissance verte » qui a été adopté par le Conseil des ministres, le 30 juillet, se veut « un nouveau modèle énergétique français ». Ses ob- jectifs sont importants (en particulier diviser par deux notre consommation d’énergie finale en 2050, faire passer de 17 % à 40 % en 2030 la part des filières renouvelables dans le mix électrique) mais l’on peut s’interroger sur le réalisme de certains d’entre eux. On peut, en effet, constater que si la recherche a certes une place dans la loi (un seul article !), aucune référence n’est faite à la nécessité de faire sauter par un effort de R&D les verrous techniques qui bloqueront la transition énergétique21 . Réaliser une transition énergétique n’est pas une entre- prise impossible, mais elle demandera du temps et du prag- matisme. Celle-ci suppose que l’on imagine des filières nou- velles, des modes innovants de gestion de l’énergie et une stratégie européenne sur laquelle le projet de loi est muet, mais aussi d’investir dans la recherche, notamment dans les sciences sociales pour comprendre l’évolution des sociétés, les motivations des citoyens. Elle requiert de mener en per- manence une réflexion prospective qui permet d’identifier à la fois les verrous qu’il faut faire sauter et les ruptures qui sont en cours. Un certain nombre de chantiers sont des prio- rités pour une stratégie de la R&D sur l’énergie : le stockage de l’électricité par les batteries, les réseaux électriques, les nouveaux matériaux pour le photovoltaïque, la production de biocarburants. A long terme, si l’on veut envisager un avenir pour le nucléaire (la fission en priorité) et préserver l’acquis de la France dans ce domaine, le maintien d’une recherche 19 La finalité de cette technique est d’abord militaire, il s’agit de simuler le comportement d’une bombe à hydrogène. Deux installations de lasers de grande puissance sont en cours de construction ou de test dans le monde, l’une aux USA à Livemore, l’autre en France à Bordeaux. 20 Cf. les analyses de J.-P. Hauet, Comprendre l’énergie, pour une transition énergétique responsable, Paris, l’Harmattan, 2014. 21 Les dépenses publiques et privées de la France dans le domaine de la R&D sur l’énergie s’élèvent à environ 2,5 milliards d’euros. REE N°4/2014 31 L'ARTICLE INVITÉ active sur les nouvelles filières nucléaires s’impose. Rappe- lons aussi qu’une énergie à prix bas est un facteur de com- pétitivité pour l’économie, l’exemple des Etats-Unis auxquels le gaz de schiste confère un net avantage, le montre bien. Aussi, serait-il prudent pour la France d’explorer les possibili- tés d’exploiter sur son territoire des ressources de gaz et de pétrole de schiste. Si l’exploration et l’exploitation de ces ressources par fracturation hydraulique sont interdites par la loi, en revanche la recherche sur les techniques ne l’est pas22 . *** L’Histoire montre que les modes de production et d’utili- sation de l’énergie ont changé, à plusieurs reprises au cours du temps, notamment depuis le début de la révolution in- dustrielle, mais aussi que les transitions énergétiques se sont étalées le plus souvent sur plusieurs décennies. Autrement 22 P. Papon, Le gaz de schiste : mythes et réalités, Futuribles, No 399, p. 81, mars-avril 2014. A plus long terme, l’exploitation des hydrates de méthane (du méthane piégé dans une matrice de glace) nécessitera des techniques de forage spécifiques et sûres. Les Japonais ont réalisé une première ten- tative avec succès en 2013. dit, la transition énergétique dont on débat aujourd’hui, sera une entreprise de longue haleine et ne sera pas un long fleuve tranquille. La recherche n’est pas la clé de tous les problèmes mais elle permet de préparer l’avenir en levant bien des incertitudes. Pierre Papon est physicien, professeur émérite de physique à l’Ecole supérieure de physique et chimie industrielles de Paris (ESPCI), Pierre Papon a travaillé sur la physique des change- ments de phase. Il a été Directeur général du CNRS et PDG de l’Ifremer. Il est président d’honneur de l’OST (Observatoire des sciences et des techniques) ; il préside le Conseil d’adminis- tration de la fondation Maison des sciences de l’homme. Il a publié aux éditions du Pommier, en 2012, un livre consacré aux enjeux de l’énergie « Energie : la science peut-elle changer la donne ? » ainsi qu’un ouvrage de prospective, « A la recherche du futur, prospective 2050 science et société » (publié en sep- tembre 2012 chez Albin Michel).