PIE - Programme Interdisciplinaire Energie 2010-2013

Face aux défis posés, et résumés par les trois grands axes du Programme, la richesse du CNRS réside certes dans la multiplicité de ses disciplines, mais aussi dans la possibilité de les croiser au sein d’actions transverses telles la socio-économie, l’impact environnemental et le développement durable, impliquant également les apports indispensables de la physique, de la chimie et des matériaux.

1. L’efficacité énergétique et les économies d’énergies
   Économiser l’énergie revient en bonne partie à améliorer l’efficacité des composants énergétiques, qu’ils fassent appel aux ressources classiques ou renouvelables. Un autre enjeu fondamental est de bien identifier le ou les points bloquants des systèmes énergétiques. Cette bonne identification passe par une approche globale décrivant les principaux couplages : multiphysique, coût énergétique, durée de vie. Par ailleurs, cette action d’amélioration de l’efficacité au plan technologique doit s’accompagner de travaux complémentaires qui visent les aspects sociétaux et environnementaux, en particulier d’une réflexion sur les choix énergétiques en fonction des usages et du contexte local. Il apparaît en effet que le modèle de distribution centralisée des vecteurs énergétiques est amené à évoluer vers une complémentarité avec des sources locales d’énergie souvent générée dans le cadre de systèmes intégrés énergétiques.
   

   
   

   Optimisation des composants et systèmes énergétiques

   L’amélioration de l’efficacité des systèmes de production, transport, stockage et conversion d’énergie passe par l’optimisation des composants, leur intégration dans les systèmes et le développement de cascades énergétiques : la modélisation, l’évaluation des performances et l’optimisation des composants et systèmes, le contrôle et la gestion des flux d’énergie joueront ici un rôle essentiel. Les échangeurs de chaleur (intensification des échanges, compacité, multifonctionnalité, encrassement…), les machines frigorifiques (opérant en régime transitoire), les thermo-transformateurs (récupération d’énergie à bas niveau thermique), les convertisseurs électroniques ou électromécaniques de puissance, feront l’objet d’améliorations de leur conception, ainsi que de leur conduite optimale lors de leur intégration dans les systèmes. On visera la définition et l’optimisation d’entités fonctionnelles (unité de production et de stockage d’énergie raccordée au réseau, centrale virtuelle d’énergie, unités autonomes ou semi-autonomes), et le développement de réseaux intelligents intégrant la production décentralisée à large échelle et la gestion des charges, auto cicatrisants et robustes aux interdépendances. Ce thème pourra faire l’objet de travaux communs aux différents vecteurs.

    

   Bâtiment

   Dans le secteur du bâtiment, limiter la consommation d’énergies fossiles et les émissions de CO2 peut être atteint par deux voies complémentaires  : la réduction des besoins et l’utilisation de chaleur obtenue sans émissions de CO2 supplémentaires, à base de biomasse ou venant de cogénération (centrales électriques, autres rejets de chaleur fatale, micro cogénération : voir aussi les rubriques vecteur électricité et vecteur chaleur). La réduction des besoins passe par l’optimisation de l’efficacité énergétique (nouveaux matériaux isolants, vitrages actifs, dispositifs électriques d’éclairage, d’actionnement, …, plus économes, gestion automatique innovante) et par l’intégration de sources nouvelles, pour aller à terme vers un bâtiment à consommation d’énergie nulle, voire producteur d’énergie. A l’échelle de l’intégration dans le bâtiment, le déploiement de ces travaux visera plus particulièrement la maîtrise des ambiances, de l’efficacité énergétique des enveloppes, de l’environnement du bâtiment, des systèmes et réseaux multi échelles adaptés aux bâtiments Haute Qualité Environnementale (HQE). Ces recherches devront conduire à des réalisations concrètes, en relation forte avec l’INES (maquette virtuelle, bâtiment intelligent, démonstrateurs…), impliquant les indispensables analyses portant sur les coûts, les comportements, l’acceptabilité culturelle.

    

   Aspects sociétaux et environnementaux

   Le dernier rapport du GIEC confirme la responsabilité des activités humaines dans l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES) et donc dans le changement climatique. L’utilisation des énergies fossiles participe à cette augmentation des GES et les choix énergétiques qui sont et seront faits doivent en tenir compte. Face aux défis liés à ce changement climatique, les pouvoirs publics, à différentes échelles du territoire, doivent avoir une réflexion sur la place des ENR (biomasse, éolienne…), du nucléaire, dans leurs choix énergétiques et d’une façon générale doivent connaître les impacts environnementaux des différentes filières énergétiques (mise en place d’ACV). Ces aspects entrent également dans le nouveau périmètre du programme. Il importe en particulier de favoriser l’émergence de méthodes de diagnostic énergétique et de formulation de projets énergétiques intégrés au niveau des collectivités territoriales. Ces méthodes devront prendre en compte des aspects prospectifs socio-économiques portant sur les modifications de la demande d’énergie résultant aussi bien du renchérissement des coûts de l’énergie que de modifications du comportement et de l’adoption de nouvelles technologies. Les grands opérateurs énergétiques dont le statut est passé de celui de distributeurs d’énergie à celui de pourvoyeurs de services énergétiques sont très fortement demandeurs de telles méthodes au niveau des collectivités territoriales.
   

   
   

   Dans cet esprit, l’accent sera mis sur la prise en compte des aspects économiques et sociologiques : changements de comportement qui nécessitent éducation et communication, trajectoires des technologies, scénarios prospectifs, évaluation prospective des coûts. Plus encore, l’organisation de la ville et l’aménagement des territoires en général (corrélation entre aménagement des villes et des transports), la production, le transport et la distribution de l’énergie (réseaux et îlotage, exploitation énergétique de la biomasse, collecte, transport et stockage du CO2), doivent être envisagés de façon à prolonger l’efficacité des technologies dans leur dimension sociétale et à aller vers une aide à la prise de décisions adaptées aux disponibilités et contraintes locales.
   
   
2. Vers la production d’énergie avec émission réduite de CO2
   Le programme considère la gestion du carbone sur la totalité de la chaîne énergétique, de l’exploration de la ressource fossile à son usage, avec réduction des émissions (procédés de combustion) et maîtrise de la capture et du stockage de CO2. La contribution de la biomasse se situe également dans ce contexte. Un second mode d’action sur la réduction de ces émissions passe par le développement de nouveaux procédés de production d’électricité, à partir d’énergies renouvelables, ou par la récupération de rejets de chaleur et leur valorisation en améliorant les performances des matériaux et systèmes thermoélectriques. Sont enfin abordées les recherches susceptibles de contribuer aux développements de nouvelles filières nucléaires de fission et de fusion.
   
   

   Gestion du carbone

   La ressource biomasse
   Le programme porte sur des recherches fondamentales nécessaires pour optimiser les procédés de transformation de la biomasse en considérant une approche système intégrant la ressource (la plante), sa transformation thermochimique ou biologique (innovation en matière de réacteurs spécifiques) en coordination avec l’application visée (production de gaz de synthèse, huiles, goudrons, charbon de bois…, biocarburants, combustion). Par ailleurs, des analyses socio-économiques et d’impact environnemental sont à mener rapidement sur cette filière.

   Les ressources fossiles
   L’objectif est ici de renouveler les réserves en rendant accessibles, dans des conditions de coût raisonnable, les pétroles à « haut contenu technologique » : identification de nouvelles découvertes (pétrole et gaz naturel), amélioration des taux de récupération (actuellement de l’ordre de 35% en moyenne au niveau mondial), mise en exploitation de ressources non conventionnelles (offshore ultra profond, bruts extra lourds, sables asphaltiques, …). Des travaux sont envisagés sur les gisements et conditions extrêmes de recherche et d’exploitation (prévisions, imagerie, outils, risques induits comme les glissements de pente sous marins), ainsi que sur les produits lourds (charbons, bitumes, résidus), l’amélioration des procédés d’extraction, de raffinage, de traitements thermochimiques (gazéification, liquéfaction…).

   Combustion et réduction des émissions de CO2
   

   La combustion demeure le procédé principal pour produire de l’énergie par conversion chimique. Le défi réside dans la mise au point de procédés permettant une augmentation de l’efficacité du processus global, donc une diminution des rejets de CO2, ainsi qu’une réduction des polluants (oxydes d’azote, COV, particules). La maîtrise de nouveaux régimes de combustion (combustion diluée, combustion sans flamme) et d’oxydation (chemical looping), la flexibilité des installations aux changements de combustibles (hydrocarbure, charbon, gaz de synthèse, hydrogène…) nécessitent à ce jour une meilleure connaissance des phénomènes de base (dynamique et stabilisation de flammes, phénomènes thermo-acoustiques, cinétique chimique…).

   Capture, stockage et piégeage du CO2
   Les équipes qui opèrent sur les programmes ANR contribuent à couvrir en partie ce domaine. Le programme Energie qui prend en compte les travaux amont portant sur combustion, biomasse, fossiles…, encouragera ici des recherches fondamentales sur les procédés, la chimie, la géologie, les matériaux…. Les résultats attendus seront susceptibles d’entraîner une rupture à l’égard des options technologiques actuelles concernant la capture, le stockage et le piégeage du CO2.
   

   Production d’électricité propre

   Les recherches fondamentales sur la production d’électricité à partir des énergies renouvelables (nouveaux matériaux du photovoltaïque, solaire concentré…) constituent certes une voie à encourager (rendement, coût…) en elle-même, pour réduire les émissions de CO2. Cependant, le caractère fréquemment intermittent des ressources pose alors les problèmes de l’impact sur les réseaux auxquels sont connectés les producteurs, les problèmes de l’utilisation possible de ces modes de production en îlotage et, d’une façon plus générale, le problème de l’adéquation production-consommation de l’électricité issue du stockage. Le domaine prometteur de la thermoélectricité sera exploré et visera en particulier la récupération de chaleur fatale (transports, bâtiments…). La géothermie à haute température qui combine énergie propre et production continue fait encore face à des verrous qui limitent son exploitation à grande échelle. Ces verrous (rendement, pérennité et risques sismiques induits) se concentrent essentiellement sur la connaissance des comportements hydro-chimio-mécaniques du sous-sol profond (3-6 km).

   
   

   Nucléaire

   Le développement des nouvelles filières, fission ou fusion, fait appel à des recherches très amont, relevant des défis scientifiques spécifiques (simulation des réacteurs, physique des plasmas, chimie des sels fondus). Le programme Energie du CNRS opère sur des problèmes communs aux filières fusion/fission, qui couvrent le comportement des matériaux sous irradiation, la modélisation, les problèmes de physico-chimie liés à l’emploi de couvertures métalliques liquides ou de sels fondus, la thermique et les écoulements. Le programme aidera à développer et structurer la communauté académique fusion magnétique, autour d’ITER. On peut également mentionner ici, pour mémoire, l’articulation avec les travaux du programme PACE sur l’aval du cycle.
   
   

3. La promotion des vecteurs énergétiques

   Vecteur hydrogène

   En termes de production, le CNRS travaille sur des verrous de deux types  :

   • à court terme, innover à partir de technologies existantes (reformage d’hydrocarbures), pour répondre à la demande d’applications décentralisées et embarquées, de reformeurs de petit débit, compacts, à cinétique performante et à bas coûts,
   • à moyen et long terme, développer de nouvelles solutions de production propre d’hydrogène en grandes quantités, peu polluantes vis-à-vis des gaz à effet de serre (exemple des cycles thermochimiques reposant sur le solaire concentré).

   Les recherches dans le domaine du stockage de l’hydrogène visent à augmenter la densité énergétique (compacité du réservoir) ainsi que l’énergie spécifique (diminution du poids du réservoir par rapport à la masse d’hydrogène stockée). Les travaux sur le stockage solide sous forme d’hydrures sous faible pression et température modérée sont activement poursuivis (hydrures complexes réversibles tels que les alanates ou les hydrures métalliques, matrices nanoporeuses, composés intermétalliques…).

   
   Pile à combustible

   Le domaine de la pile à combustible est très largement couvert par les forces du CNRS, regroupées en particulier au sein du nouveau GdR PACTE. Les sujets amont couvrent deux grandes séries de technologies, les piles à membranes protoniques et les piles à oxydes (optimisation des cœurs de pile). Les compétences du CNRS seront également mobilisées en vue de contributions spécifiques innovantes relatives aux DFC (Direct Fuel Cells) et aux SAMFC (Solid Alkaline Membrane Fuel Cells). De plus, un consensus s’est récemment dégagé en faveur du développement de nouveaux concepts concernant les PCFC (Proton Ceramic Fuel Cells).

   
   Vecteur électricité

   Le domaine est structuré par le GdR SEEDS qui regroupe toutes les forces, CNRS ou non, travaillant sur ce vecteur et couvre les problématiques des matériaux, des composants et constituants électriques et électroniques de puissance, des systèmes de production et des réseaux électriques, stationnaires ou embarqués. Les recherches relatives au vecteur électricité concourent à rendre performante et accessible la production distribuée d’électricité à partir de sources d’énergie primaire renouvelable, à substituer l’électricité à d’autres vecteurs énergétiques partout où le gain énergétique ou environnemental le justifie, et à permettre de consommer globalement moins d’énergie. Parmi les grands problèmes à approfondir, citons par exemple les interfaces de conversion, l’optimisation des architectures, le contrôle et la gestion optimale d’énergie, la maintenance prédictive (capteurs intelligents, aspects sécurité…), l’analyse des cycles de vie, la sûreté de fonctionnement et la maîtrise des nuisances (bruits…).

   
   

   Vecteurs chaleur et froid

   En termes de production, une attention particulière sera portée à l’exploitation de l’énergie solaire en vue de la production de froid (rafraîchissement pour le bâtiment, congélation…). Le transport de chaleur et de froid fera l’objet de recherches en vue de permettre leur transport à longue distance, le programme précédent ayant situé aux environs de 10 km le seuil au-delà duquel les nouveaux procédés reposant sur des systèmes à sorption/désorption s’avèrent rentables. L’utilisation de chaleur fatale ou de chaleur issue de cogénération pour le chauffage (habitat, tertiaire) pourrait dès lors s’envisager si l’on sait transporter de grandes quantités de chaleur (à 130°C par exemple) sur des distances de 50 à 100 km. Une étude comparative des solutions possibles serait intéressante.

   
   Le stockage

   Ces recherches s’imposent comme indispensables en particulier à l’égard des sources intermittentes d’électricité ou de l’énergie embarquée pour les transports. Se posent les problèmes généraux des choix technico-économiques, du dimensionnement, de l’optimisation des emplacements et du cyclage.
   Sont attendus en particulier des développements sur les supercapacités ainsi que sur l’augmentation de la densité massique / volumique des capacités.
   Pour le stockage électrochimique, les enjeux consistent :

   • à optimiser les matériaux existants, voire à trouver de nouveaux matériaux (anodes, cathodes, électrolytes, connecteurs…), autorisant des densités et des flux énergétiques accrus,
   • à développer des modèles d’état de charge incluant le vieillissement du système ; aujourd’hui l’imprécision des modèles disponibles conduit à de graves erreurs de conception (coût et durée de vie) des systèmes utilisant ce mode de stockage,
   • à développer une métrologie avancée adaptée et des stratégies d’équilibrage et de gestion de l’énergie.

   Le stockage de la chaleur ou du froid passe par l’obtention de nouveaux matériaux (chaleur latente, changements structuraux, réactions chimiques), à divers niveaux de température, par l’amélioration des puissances stockées et déstockées, et par le développement de capteurs intelligents permettant de renseigner sur l’état du stock. Le stockage de chaleur en profondeur, en liaison avec des installations géothermiques, peut également être abordé : il demande, outre la résolution de problèmes intrinsèques à la géothermie, une meilleure connaissance de la structure thermique profonde et de ses capacités à restituer efficacement la chaleur injectée.
   
   

4. Thématiques transverses
   Elles concernent en particulier la socio-économie et les sciences humaines, l’impact environnemental et le développement durable, la physique, la chimie et les matériaux, et la modélisation.

   
   Socio-économie

   Ces dernières années l’accent sur la prospective énergétique a été largement mis sur des scénarios présentant des alternatives moins carbonées à l’évolution dite « de référence » (BAU). Paradoxalement les scénarios « business as usual » ont été étudiés pour être rapidement disqualifiés au regard des sentiers d’émissions explosifs. En particulier, des scénarios à plus proche horizon, impliquant une action limitée dans le domaine de l’énergie, de type « crise pétrolière » n’ont pas fait l’objet d’une étude systématique sur le plan macro-économique. De tels scénarios sont rendus nécessaires par les incertitudes sur l’horizon du « peak oil » et sur les technologies alternatives (de type Coal to Liquid, transformation des pétroles lourds....). Or un renchérissement brutal des prix de l’énergie lié au Peak oil ou à des retards d’investissement pourrait avoir des conséquences très graves dans le nouveau contexte caractérisé par la croissance rapide des nouveaux pays émergents. Des dangers de guerre commerciale mondiale pour équilibrer les balances commerciales des pays énergétiquement dépendants existent. Il apparaît donc nécessaire de disposer de simulations macro-économiques mondiales sur ces contextes de crise.
   

   S’il demeure par ailleurs des sujets de recherche connus (scénarios prospectifs, acceptabilité sociale, etc, ...), de nouveaux thèmes émergent et doivent être consolidés, tels l’étude des obstacles institutionnels, organisationnels et sociaux vers une économie à profil énergétique limité, les innovations technologiques, institutionnelles, réglementaires et comportementales, et leur diffusion ou encore l’énergie dans le développement humain et social. Le CNRS possède les atouts pour aborder cette dimension socio-économique incontournable. En particulier une ouverture sur les problèmes énergétiques auxquels font face les grands pays émergents (Chine, Inde, Brésil....) est nécessaire pour évaluer les rythmes de croissance de la demande énergétique de ces pays. Par ailleurs pour la partie sous développée de ces pays, de même que pour les régions dont le développement reste limité (Sud du Maghreb, Afrique...), on mettra l’accent sur les perspectives socio-économiques de systèmes énergétiques décentralisés et hors réseaux avec des utilisations de l’électricité pour les applications des NTIC et de services réclamant de faibles puissances (télécommunications, éclairage, froid). Plus généralement la question de la desserte en énergie, par des systèmes décentralisés, de régions Françaises à faible densité de population ou insulaires (Guyane – Amazone – Réunion - Antilles...) pourra être abordée.

   
   Développement durable

   Le concept de développement durable implique l’évaluation des impacts environnementaux des choix énergétiques, à différentes échelles de temps et d’espace. Le programme considèrera, parmi les énergies alternatives, la production de biomasse, qui implique le maintien de pratiques agricoles intensives et appelle des recherches indispensables sur la pollution de l’air et de l’eau, l’homogénéisation du paysage et des couvertures végétales, la baisse de la fertilité des sols, l’érosion de la biodiversité. Cet impact des productions agricoles à but énergétique se manifeste dans un contexte de changement climatique et de bouleversement des communautés biologiques qui nécessite un travail de prospective et d’évaluation des différents scenarii de compétition des terres agricoles pour la production alimentaire ou de biocarburants.

   
   Sciences fondamentales pour l’énergie

   Parmi les sciences fondamentales, la physique et la chimie pourraient contribuer à dégager de nouvelles pistes de gains énergétiques potentiels, en particulier par l’étude des phénomènes liés à la physico-chimie des interfaces ou encore de ceux relevant de la science de la catalyse. On peut également évoquer les exemples des phénomènes aux micro/nano échelles dans les secteurs du transfert de chaleur, de la thermoélectricité, du photovoltaïque, ou encore ceux relevant des supraconducteurs.
   Les matériaux pour l’énergie se distinguent essentiellement par leurs propriétés fonctionnelles basées sur des phénomènes physiques indépendants ou couplés : optiques, électrostatiques et magnétiques, thermiques, et ont souvent en commun de nécessiter des propriétés de résistance à l’environnement et aux sollicitations thermiques et mécaniques suffisantes. Les problèmes mettant en jeu des propriétés de tenue en condition de service, sous sollicitations instantanées ou dans la durée devront donner lieu à des actions transversales.

   
   

   Analyse système et modélisation pour l’énergie

   L’ensemble des systèmes énergétiques, et cela quelle que soit leur taille, possède en commun de poser des problèmes de gestion et de conception qui réclament des procédures d’optimisation pour le dimensionnement respectif des fonctions de captation d’énergies (éoliennes, photopiles...), de stockages centralisés ou répartis (piles, accumulateurs de chaleur....) et de transformations finales (moteurs, lampes....). Ces systèmes doivent être dimensionnés à partir de flux naturels d’une part et de demandes variables dans le temps et dans l’espace d’autre part. Des appoints doivent aussi être dimensionnés pour faire face aux aléas climatiques (météo) et aux aléas de la demande (courbes de charge liées en partie au climat). La conjonction du dimensionnement par optimisation du système énergétique et d’un test statistique de sa résilience à des conditions climatiques simulées pose des problèmes d’analyse système qui ne paraissent pas être entièrement résolus et sur lesquels des développements théoriques restent à faire.