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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Table des matières

Alain Fuchs

Préface

Rémy Mosseri et Catherine Jeandel

Avant-propos

Première partie. Introduction

Patrick Criqui

1. Les dynamiques mondiales de l’énergie

Des « modèles énergétiques » différents d’une région du monde à l’autre
Le poids croissant des pays émergents
Des énergies fossiles toujours largement dominantes
Un futur à 2050 très problématique
Valérie Masson-Delmotte, Hervé Le Treut et Didier Paillard

2. Énergie, effet de serre et changement climatique

Impact des activités anthropiques
Modèles de prévisions climatiques
Impacts du changement climatique sur l’énergie
Claude Kergomard

3. Énergie et environnement : la nécessité des approches territoriales

Des systèmes énergétiques territorialisés…
… à toutes les échelles
Territoire, mobilités et urbanisme
Mathieu Arnoux

4. Quelle histoire pour l’énergie ?

Énergie, techniques et civilisations
Pour une histoire des systèmes énergétiques anciens
L’accès aux ressources énergétiques : un vieux problème
Jean-Charles Hourcade

5. Prospective énergétique : modèles contre futurologie

De la prévision à la prospective
Les effets d’équilibre général
Les nouveaux défis
Catherine Jeandel, Matthieu Tissier et Rémy Mosseri

6. Dans la jungle des grandeurs et des unités

Puissance et énergie
Indicateurs, se méfier des apparences…

Deuxième partie. Quelques aspects fondamentaux

Sandra Bouneau

2. L’énergie sous ses différentes formes

Énergie mécanique
Transformation et rendement
Matthieu Tissier

3. L’énergie : aspects thermodynamiques

Irréversibilité et thermodynamique
Le second principe
Entropie
Entropie et physique statistique
Olivier Méplan

4. Énergie et matière : radioactivité, fission, fusion

Radioactivité
Fission
Fusion
Jean-Michel Raimond et Serge Haroche

5. Énergie et lumière

Sous le Soleil, exactement…
Lasers, énergie et information
Lumière quantique
Jean-Paul Kleider

6. Effet photovoltaïque : principes physiques

Principe général
Dissymétrie et performances
Jean-Marc Chomaz

7. Énergie : aspect hydro-et aéro-dynamiques

Principes de la mécanique des fluides
Nombres de Reynolds et de Mach
Régimes d’écoulements
Terre, machine thermique
Fabrice Rappaport, Francis Haraux et Francis-André Wollman

8. L’énergie et le vivant

Des centrales énergétiques cellulaires
La photosynthèse
Sébastien Candel et Daniel Durox

9. La combustion

Qu’est-ce qu’une flamme ?
Approche scientifique
Bruno Chaudret

10. La catalyse

Principes et applications industrielles
Catalyse et énergie
Claude Delmas

11. Matériaux pour l’énergie

Batteries
Piles à combustible
Éléments thermoélectriques
Henri-Claude Nataf

12. Vue générale de l’intérieur de la Terre

L’inaccessible intérieur de la Terre
La Terre, machine thermique
La Terre, usine chimique
Bruno Goffé

13. Matière et énergie : stocks et cycles

Le non-renouvelable et les cycles longs
Le renouvelable et les cycles courts
Conclusion
Patrice Christmann

14. Les métaux rares pour l’énergie

Disponibilité des terres rares
Situation dans le monde
Pascal Brault et Annick Percheron-Guégan

15. Stockage de l’énergie, aspects fondamentaux

Les batteries électrochimiques
Le stockage par l’hydrogène
Les supercondensateurs
Le stockage mécanique
Le stockage magnétique
Le stockage thermique
Marie-Cécile Alvarez-Hérault et Bertrand Raison

16. Le transport de l’électricité

Les grands choix technologiques des réseaux électriques*
Hiérarchisation du réseau électrique
La gestion du réseau électrique
Daniel Krob

17. Éléments de modélisation systémique

Système formel
Système réel
Intégration

Troisième partie. Les énergies fossiles

Raymond Michels et Alain-Yves Huc

1. La formation des ressources fossiles

De la biomasse au kérogène
Formation des hydrocarbures
François Roure et Yves Lagabrielle

2. Exploration des bassins sédimentaires et production des hydrocarbures : outils et verrous

Tectonique des plaques et bassins sédimentaires
Fondamentaux de l’exploration pétrolière
Prospection et forages
Frontières et verrous
Roland Vially et François Kalaydjian

3. Les hydrocarbures non conventionnels

Une définition floue mais une ressource importante
Les hydrocarbures de roche-mère, une nouvelle donne
Un développement maîtrisé
Gilles Pijaudier-Cabot

4. Fracturation hydraulique et alternatives

Principes
Cas des gaz de schiste
Alternatives
Geneviève Bessereau et Alain-Yves Huc

5. Filière charbon : estimation des ressources et valorisation

Les différents types de charbon
Ressources et réserves
Roland Masson

6. Simulation numérique en exploration et production pétrolières

La sismique
La modélisation des systèmes et des réservoirs pétroliers
Nathalie Alazard-Toux

7. Pétrole et gaz : réserves et évolution du profil mondial de production

Notions de ressources et réserves
Réserves mondiales d’hydrocarbures
Évolution du profil de production mondial et notion de pic
Xavier Montagne

8. Pétrole : les différents carburants

Moteurs à allumage commandé
Moteurs diesel
Aéronautique
Michel Vrinat et Christophe Geantet

9. Pétroles lourds et fond du baril

Importance économique et géopolitique
Propriétés et composition des charges
La valorisation des charges lourdes

Quatrième partie. L'énergie nucléaire

Jacques Percebois

1. Du projet Manhattan au nucléaire civil

Les précurseurs et le projet Manhattan
Le début des applications civiles et le retour de la France dans le club atomique
Les interrogations pour le futur
Sylvain David et Bernard Bonin

2. Principe de fonctionnement d’un réacteur et cycle du combustible

La réaction en chaîne
Combustible au sein du réacteur et retraitement
Paul Reuss

3. Les réacteurs à eau sous pression de deuxième et troisième générations

La 2e génération
La 3e génération et l’EPR
Philippe Guiberteau

4. Le démantèlement

Des opérations complexes et longues
Christian Simon, Jean-François Dufrêche et Christophe Poinssot

6. Traitement du combustible nucléaire usé et déchets

Traitement actuel
À l’avenir…
Benjamin Rotenberg et Michel Cathelineau

7. Entreposage et stockage

Inventaire et gestion des déchets
Le stockage géologique
Choix technologiques et recherche fondamentale
Franck Carré et Maurice Leroy

8. Réacteurs régénérateurs de quatrième génération

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium
Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb ou au gaz
Les enjeux de la coopération internationale
Elsa Merle-Lucotte

9. La filière thorium

Cycles de l’uranium et du thorium
Le thorium comme combustible solide
Réacteurs à sels fondus en cycle thorium
Pascale Hennequin

11. Fusion par confinement magnétique, le projet ITER

Principe
Confinement magnétique
Problèmes à résoudre
Le projet ITER
Éric Sonnendrücker

12. Simulation numérique de la fusion magnétique

Modèle mathématique et approximation numérique
Diversité des échelles de temps et d’espace
Les différents types de modèles

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

Frédéric Ravel

1. Introduction

Ghislain de Marsily et Jacques Miquel

2. Eau et énergie

Énergie pour l’eau
Eau pour l’énergie
Hydroélectricité
Perspectives
Aurélien Babarit

3. Hydraulique : les énergies marines

Énergie marémotrice et des courants de marée
Énergie des vagues
Énergie thermique des mers
Gradients de salinité
Conclusion
Marc Rousset

4. Biomasse : de nombreuses filières pour des enjeux importants

Production de bioénergies
Enjeux économiques
Herman Höfte et Henri-Pierre Fierobe

6. Biomasse : filière ligno-cellulosique, filière bois

Conversion de la biomasse en carburants liquides
Prétraitement des substrats lignocellulosiques
Hydrolyse et fermentation
Jean-Paul Cadoret et Jack Legrand

7. Biomasse aquatique, micro-algues

Biomasse microalgale
Biocarburants de troisième génération
Antoine Sciandra et Gilles Peltier

8. Les promesses des micro-algues pour la production de biodiesel

Exploitation et domestication des micro-algues
Les défis de la recherche
Jean-Luc Duplan

9. Bioraffinerie

Bioraffinerie traditionnelle
Bioraffinerie de seconde génération
Jean-Louis Uribelarrea, Stéphane Guillouet et Carole Molina Jouve

10. Les lipides microbiens

Éric Latrille, Éric Trably, Franck Chauvat et al.

11. Biomasse : production de biohydrogène

Voie fermentaire
Micro-algues
Elisabeth Lojou, Alain Bergel et Serge Cosnier

12. Biomasse : biopiles à combustible

Christophe Léger et Sébastien Dementin

13. Structure et mécanisme des hydrogénases

Structure
Mécanisme
Vincent Artero, Frédéric Gloaguen, Marc Fontecave et al.

14. Biomasse : filière chimique bio-inspirée

Approche biomimétique
Approche bio-inspirée
Jean-François Cornet et Olivier Bernard

15. Modélisation et ingénierie de la photosynthèse

Couplages entre modèles physiques et biologiques
Difficultés du champ de recherche
Jean-Philippe Steyer, Éric Trably et Jérôme Hamelin

16. Biomasse et déchets pour la production de bioénergies

Philippe Blanc, Bella Espinar et Lucien Wald

17. La ressource solaire : importance et moyens de caractérisation

Connaître le rayonnement solaire
Caractériser la ressource solaire
Jean-Pierre Joly et Abdelilah Slaoui

18. Silicium cristallin : de la cellule au module

Le matériau purifié, les lingots et les wafers
Fabrication de cellules à partir de wafers
Cellules avancées
L’assemblage des modules*
Pere Roca i Cabarrocas et Negar Naghavi

19. Photovoltaïque : les filières couches minces

Filière CdTe
Filière CIGSe
Filière silicium et alliages
Cyril Brochon, Éric Cloutet, Guillaume Fleury et al.

20. Photovoltaïque : la filière organique

Fonctionnement d’une cellule solaire organique
Défis à venir
Jean-François Guillemoles

21. Photovoltaïque à très haut rendement de conversion

Enjeux du rendement de conversion
État de l’art et perspectives
Philippe Papillon

22. Le solaire thermique basse température

Le capteur solaire
Les différentes applications
Gilles Flamant et Alain Dollet

23. Solaire à concentration : chaleur, électricité et combustibles de synthèse

Principe et applications
Technologies et atouts
Développement industriel
Recherche
Philippe Dandin, Franck Baraer, Dominique Giard et al.

24. Études de sites, atlas des vents et potentiel éolien

La mesure du vent
Modélisation du potentiel
Modèles et observation
Climatologie et prévision
François Cauneau

25. Éolien : aspects scientifiques

Course aux performances et au gigantisme
Effets du vieillissement
Fermes éoliennes
Xavier Guillaud

26. Éolien : le couplage au réseau

Principe de fonctionnement d’une éolienne
Intégration des éoliennes dans les réseaux électriques
Daniel Averbuch

27. L’éolien offshore

Un large potentiel
Des technologies spécifiques
Bernard Sanjuan

28. Géothermie : estimation des ressources mondiales

Production de chaleur
Production d’électricité
Romain Vernier

29. Géothermie : différentes filières pour des utilisations très variées

La production d’électricité géothermique
L’usage direct de la chaleur géothermique
La géothermie assistée par pompe à chaleur
Bruno Goffé et François Guyot

30. L’hydrogène naturel

Paul Colonna et Benoît Gabrielle

31. Carbone renouvelable et durabilité

Les impacts environnementaux des bioénergies
Impacts économiques et sociaux
Alimentation, énergie et climat, un nœud gordien
Marie-Christine Zélem

32. Les conditions sociotechniques du développement des ENR

De leur acceptabilité sociale…
… à leur faisabilité sociotechnique

Sixième partie. Entre sources et usages : stockage et vecteurs d'énergie

Patrice Simon et Jean-Marie Tarascon

2. Apports de la chimie pour de meilleurs accumulateurs

Les différentes technologies
Stockage des ENR
Thierry Brousse et François Béguin

3. Les supercondensateurs

Caractéristiques
Applications
Développements
Gérald Pourcelly

4. Les piles à combustible

État de l’art
Principe de fonctionnement
Applications
François Le Naour

5. Le vecteur hydrogène

L’hydrogène pour quels usages ?
Le power to gas
Pierre-Louis Viollet

7. Le stockage par pompage

Pierre Odru

9. Le stockage mécanique

Stockage d’énergie par air comprimé
Les volants d’inertie
Xavier Py

10. Le stockage thermique et thermochimique

Stockage thermique
Le stockage thermochimique

Septième partie. Usages de l'énergie et efficacité énergétique

Mourad Abdelkrim Boukhalfa

2. Efficacité énergétique : la combustion

Les transports
Aéronautique
Georges Zissis

3. Efficacité énergétique : l’éclairage

Le constat
Les actions
Iskender Gökalp

4. La cogénération

Principes de la cogénération
La cogénération appliquée aux ENR
Hervé Arribart

5. Efficacité énergétique des bâtiments : l’isolation thermique, les nouveaux matériaux

L’isolation thermique des parois opaques
L’isolation thermique des parois vitrées
Daniel Quenard

6. Efficacité énergétique des bâtiments : performance et localisation

Vers le bâtiment économe
Un territoire durable est-il possible ?
Michel Diaz

7. Le projet ADREAM

Olivier Sentieys

8. Efficacité énergétique : les technologies de l’information

Consommation électrique des puces électroniques
Des data-centers aux réseaux de capteurs
Pistes d’amélioration
Gilles Hétreux et Raphaële Thery

9. Efficacité énergétique : l’intégration des systèmes industriels

Un gisement d’économies d’énergie
Principes
Méthodologies d’analyse
Vers une intégration multi-site de l’énergie
Un guide de bonnes pratiques
Bernard Lachal

10. La valorisation des chaleurs fatales : un potentiel important encore trop peu utilisé

Contraintes techniques
Contraintes économiques et organisationnelles
Des solutions innovantes

Huitième partie. Les impacts environnementaux et sanitaires

Normand Mousseau

2. Gaz de schiste : une source d’énergie qui fait débat

L’exploitation en flèche d’une ressource non-conventionnelle
Les premières inquiétudes
François Renard

3. Gaz de schiste : impacts environnementaux

Des feux follets aux gaz de schistes
Connaître les impacts environnementaux
Contrôler et limiter les impacts environnementaux
Camille Yver et Philippe Ciais

4. Gaz de schiste et gaz à effet de serre

Hervé Piégay

5. Les barrages ont-ils un impact environnemental négligeable ?

À quoi sert un barrage ?
Des impacts ? Quels impacts ?
Comment limiter ces impacts ?
Dominique Serça et Frédéric Guérin

6. Barrages et gaz à effet de serre

Bernd Grambow

7. Les impacts environnementaux de l’énergie nucléaire

Impacts des radionucléides dans l’environnement
Niveaux radiologiques
Impact environnemental
Projets de recherche
Florent de Vathaire

8. Les impacts sanitaires de l’énergie nucléaire

Action cancérogène de l’irradiation
Mines d’uranium
Centrales nucléaires en fonctionnement normal
Situation accidentelle
Émilie Perraudin et Éric Villenave

9. Les différents types de pollution en lien avec l’énergie

Émission de carbone et polluants
Propriétés et devenir des polluants
Production, transit et transfert vers l’environnement
Vers un compromis raisonnable
Thierry Dutoit

10. L’ingénierie écologique au service de la durabilité énergétique

Ingénierie écologique et énergies
Exemple d’ingénierie écologique
Daniel Broseta, Jean-Philippe Torré et Éric Favre

11. Captage et stockage géologique du CO2

Étapes du CSC
François Moisan

12. La valorisation du CO2

Valorisations par transformation chimique et biologique
Isabelle Blanc et Didier Beloin-Saint-Pierre

15. Analyse du cycle de vie et temps de retour énergétique

Analyse du cycle de vie
Temps de retour énergétique et climatique
Julie Gobert

16. Impacts territoriaux et compensations socio-environnementales

Prendre en compte les impacts d’une infrastructure
Compensations socio-environnementales

Neuvième partie. Le nouveau mis énergétique et ses conséquences

Pascal Brault et Alain Dollet

1. Introduction au mix énergétique

Jean-Jacques Bézian

2. Bouquet énergétique et énergies renouvelables

Le mix actuel
Part future des énergies renouvelables ?
Nouredine Hadjsaid et Jean-Claude Sabonnadière

3. Les smart-grids ou réseaux électriques intelligents

Déclencheurs du développement du réseau intelligent
Les différents verrous
Patrice Geoffron

4. L’économie des smart-grids

Nouvelles « chaînes de valeur »
Défis économiques et techniques
Michel De Lara

5. Les défis de la gestion optimisée des smart-grids

Une mutation des systèmes électriques
Qui induit un changement de paradigme
Et mobilise des méthodes d’optimisation variées
Et suscite la recherche
Olivier Labussière

6. Énergies renouvelables et territoire : nouveaux accès, nouveaux potentiels

Territoires de l’énergie : écueils et jalons problématiques
Organiser l’accès à de nouvelles énergies
Jonathan Rutherford

7. Transitions énergétiques urbaines

Différents types d’actions locales
Difficultés du passage du local au global
Dominique Finon

8. Transition énergétique et nouveaux modèles organisationnels

Adapter les politiques d’appui au régime de marché
Garantir des revenus sur 15 ans…
Francis Kovacs

9. Avenir du mix énergétique

Différentes politiques mondiales

Dixième partie. Questions ouvertes

Michel Colombier

1. L’énergie au xxie siècle : les nouveaux défis

Scénarios post Rio
Constats actuels
Bernard Bigot

2. Bien identifier les verrous technologiques pour accélérer la transition énergétique

Défis pour chaque filière
Enjeux et défis des usages
Cécile de Hosson et Luc Valentin

3. Enseigner l’énergie à la fois comme concept scientifique et comme bien public

Concilier les énergies
Incarner le concept d’énergie
Rémy Mosseri

4. Les scientifiques dans le débat public sur l’énergie

Expertise scientifique
Conflit d’intérêt
Daniel Lincot

5. Les utopies en énergie

Histoire des utopies
Vers de nouvelles utopies énergétiques ?
Nicole Belloubet

6. Débat sociétal, éthique et politique

Développer l’esprit critique pour forger le monde nouveau
Inventer de nouvelles formes de démocratie