Soutenance mémoire
Contexte énergétique, environnemental et économique
Paysage énergétique mondial
L’ère de l’énergie abondante, abordable et sans conséquence visible sur l’environnement touche à sa fin comme l’ont acté les 195 parties signataires de l’accord de Paris sur le Climat (Nations Unies, 2015). Reste à savoir quand et dans quelle mesure cela impactera les modes de vie des pays développés et en voie de développement au XXIe siècle. S’agira-t-il d’ajustements à la marge ou de modifications structurelles de nos logiques de consommation, de déplacement et d’alimentation reposant sur un usage de l’énergie jusqu’ici peu modéré ?
Puisqu’elle mesure la capacité d’un système à modifier un état, l’énergie structure les sociétés de consommation actuelles, véritables machines à extraire, transformer, transporter et brûler la matière pour satisfaire les besoins humains. L’approvisionnement contraint en énergie (moins par le stock disponible que par la capacité de l’environnement à en absorber les effets secondaires) n’est pas aujourd’hui une réalité à l’échelle du monde mais le devient pour les pays développés .
Les politiques énergétiques et environnementales menées par les pays de l’OCDE (dont la France) suite aux chocs pétroliers (1974, 1979) et au protocole de Kyoto (Nations Unies, 1997) ont conduit à une stagnation de l’énergie finale consommée, tous vecteurs confondus, depuis les années 2000 (bien que certains dont (Jancovici, 2015) contestent l’effet réel du protocole de Kyoto sur la consommation des pays signataires par rapport aux autres).
Parmi les formes d’énergie finale consommées, on constate une nette hausse de l’électricité, c’est particulièrement vrai dans le cas des pays de l’OCDE pour lesquels l’énergie finale consommée hors électricité n’augmente pas entre 1971 et 2014 .
Paysage énergétique européen
Le paysage énergétique européen est proche de celui de l’OCDE puisqu’il regroupe des pays développés, il se caractérise malgré tout par une forte hétérogénéité des mix de production particulièrement électrique – presque 100 % renouvelable dans certains pays de l’Europe du Nord, encore essentiellement charbon en Pologne – et des prix de l’énergie – 0,06 à 0,3 €/kWh électrique et 0,03 à 0,12 €/kWh gaz.
On assiste à une structuration du marché européen, notamment électrique, sous l’impulsion de l’Union Européenne avec le gestionnaire de réseau de transport européen ENTSO-E , la création par la France, l’Allemagne, la Grande-Bretagne, le Bénélux, la Suisse et l’Autriche de la bourse d’échange d’électricité EPEX SPOT , tout ceci permis par l’émergence de ce que l’on appelle aujourd’hui la « plaque de cuivre européenne ». Le renforcement des interconnexions électriques entre pays est né de la volonté d’accroître la stabilité des réseaux électriques nationaux par la solidarité entre pays. Cela permet de subvenir aux besoins des pays en dépit d’évènements perturbants pour le réseau : pointe de consommation hivernale, baisse ou hausse de production d’origine renouvelable, perte d’une centrale …
L’Union Européenne s’est de plus dotée de compétences en matière d’énergie pour influencer les décisions des pays membres à travers des directives et réglementations.
Quelle évolution du parc de production électrique français ?
En revanche, se pose aujourd’hui la question du renouvellement ou du démantèlement d’un certain nombre de centrales nucléaires à horizon des 20 prochaines années en raison de leur durée de vie (initialement prévue pour 40 ans) et des difficultés économiques de la filière. Ces questions se sont renforcées suite notamment à l’accident grave de Fukushima-Daiichi (2011) et au renforcement des règles de sureté qui s’en sont suivies. De plus, la France a inscrit en 2015 dans la loi LTECV la réduction de la part du nucléaire à 50 % de la production d’électricité en 2025, ojectif qui de l’aveu même du nouveau gouvernement ne pourra pas être tenu dans les temps. Cet objectif conduirait, à production constante, à la fermeture d’environ 17 réacteurs en 8 ans. Dans le même temps, la loi prévoit de :
• réduire la consommation énergétique primaire d’énergies fossiles de 30 % en 2030 par rapport à la référence 2012,
• réduire les émissions de gaz à effet de serre de 40 % entre 1990 et 2030.
Pour concilier ces objectifs, le scénario tracé correspond donc à une politique volontariste de développement des énergies renouvelables en particulier électriques. En l’absence d’importantes capacités hydrauliques supplémentaires disponibles sur le territoire (Jancovici, 2006), il s’agira donc vraisemblablement d’éolien et de solaire photovoltaïque (PV), dont la capacité d’absorption par les réseaux de distribution et de transport d’électricité constitue un sujet de débat scientifique. Il a été illustré par la publication du rapport de l’ADEME sur l’évaluation d’un mix électrique 100 % renouvelable en 2050 (ADEME, et al., 2016).
Le rôle du bâtiment dans la consommation d’énergie en France
Deux phénomènes ont été mis en évidence dans les paragraphes précédents :
• Croissance de la demande électrique et de la part de l’électricité dans la demande en énergie finale
• Intensification de la thermosensibilité de la demande électrique
Le secteur du bâtiment (résidentiel et tertiaire) est le principal facteur explicatif de ces deux phénomènes en raison de son poids dans l’ensemble de la consommation d’énergie finale française à hauteur de 45 %, (ADEME, 2015) et de l’augmentation de la part de l’électricité dans ses sources d’énergie (exemple du logement, Figure 1.8).
Aspects législatifs et réglementaires
Ayant pris conscience des enjeux climatiques et d’un nécessaire changement de politique énergétique, les institutions nationales et supranationales se sont emparées de ces problématiques et ont adopté des législations permettant l’émergence d’un nouveau modèle énergétique.
L’Union Européenne a engagé en 2007 le paquet changement climatique 3×20 visant la réduction des émissions de gaz à effet, l’amélioration de l’efficacité énergétique et une part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique européen de 20 % chacun à horizon 2020. Ce paquet prévoit des éléments tels que la directive pour l’efficacité énergétique (2012/27/EU) (Union Européenne, 2012) qui « incite » les Etats membres à se doter de mesures permettant d’atteindre les objectifs fixés au niveau européen. Cette directive porte dans certains cas l’attention sur certaines technologies en particulier et impose par exemple aux pays européens de réaliser une évaluation du potentiel de la cogénération qu’elle considère adaptée pour répondre aux objectifs fixés.
Avec la LTECV, la France s’est engagée en faveur d’objectifs ambitieux (1.3.3). À cet effet, la stratégie nationale bas carbone (Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, 2015) fixe des orientations stratégiques dans de nombreux secteurs de l’économie tels que les transports, le résidentiel-tertiaire, l’agriculture, l’industrie, la production d’énergie ou encore la gestion des déchets. Cette stratégie se concrétise en France pour les secteurs de la production d’énergie et du bâtiment par l’adoption de mesures incitatives en faveur des énergies renouvelables (appels d’offre publics, aide à l’investissement pour les particuliers, tarif de rachat) et de l’efficacité énergétique (crédit impôt transition énergétique, CEE, diagnostics de performance énergétiques obligatoires dans certains types de bâtiments, …) .
Parmi les mesures phares de l’arsenal français, la réglementation thermique 2012, qui s’applique aux bâtiments neufs (ainsi qu’à l’existant dans certains cas), prévoit notamment un niveau d’efficacité élevé de l’enveloppe. Elle prévoit, pour les maisons idividuelles, la production obligatoire d’une part d’énergie renouvelable ou de cogénération (5 kWh.m-2 .an-1 d’énergie primaire).
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Table des matières
Résumé
Table des matières
Table des figures
Table des tableaux
Introduction
1 Contexte énergétique, environnemental et économique
1.1 Paysage énergétique mondial
1.2 Paysage énergétique européen
1.3 Paysage énergétique français
1.3.1 Electrification et stagnation de la demande
1.3.2 Mix de production électrique français et ses conséquences
1.3.3 Quelle évolution du parc de production électrique français ?
1.3.4 Le rôle du bâtiment dans la consommation d’énergie en France
1.4 Enjeux de la transition énergétique
1.4.1 Conséquences climatiques
1.4.2 Nécessaires adaptations de la chaîne de l’énergie
1.4.3 Aspects législatifs et réglementaires
1.4.4 La fin de l’ère d’abondance ?
1.5 Motivations de la thèse
2 Cogénération et micro-cogénération
2.1 Généralités
2.2 Technologies
2.2.1 Cycle de Rankine
2.2.2 Micro-turbine
2.2.3 Moteur à combustion interne
2.2.4 Moteur Stirling
2.2.5 Piles à combustible
2.2.6 Marchés français et mondiaux
2.3 Potentiel de la micro/mini-cogénération dans les bâtiments
2.3.1 Types de bâtiments
2.3.2 Freins au développement
2.3.3 Technologies concurrentes
2.4 Bénéfices pour le système énergétique national ou européen
2.4.1 Généralités
2.4.2 Echelle nationale : exemple du cas français
2.4.3 Etudes de la flexibilité offerte par la micro-cogénération
2.4.4 Synthèse
3 Etat de l’art de la modélisation et simulation pour évaluer la micro/mini-cogénération
3.1 Les outils de modélisation-simulation
3.1.1 Moteurs de calcul de simulation énergétique des bâtiments
3.1.2 Possibilités et limites
3.2 Modélisation des micro-cogénérateurs
3.2.1 Modèles détaillés
3.2.2 Modèles simplifiés d’optimisation
3.2.3 Synthèse
3.3 Modélisation des micro-cogénérations couplées aux bâtiments
4 Objectifs de la thèse
4.1 Problématique, objectif et verrous scientifiques
4.2 Démarche
5 Bibliographie
Conclusion
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