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Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables
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3. LES NOUVELLES TECHNOLOGIES DE L'ENEGIE
Patrick-Paul DUVALDirection de la Stratégie
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2
FILMS
ERP
NTE
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Croissance de la demande mondiale d'énergie primaire
Sources : IEA/BP stat review
3.7 billion hab 5
billion toe
1970 2000 2030
6 billion hab 9.2 billion toe
8.2 billion hab 17.0 billion toe
1.35 toe/hab 1.5 toe/hab 2.0 toe/hab+11% +27%
Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation
RAPPEL
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97% of the projected increase in emissions between now & 2030 comes fromnon‐OECD countries – three‐quarters from China, India & the Middle East alone
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5
10
15
20
25
30
35
40
45
1980 1990 2000 2010 2020 2030
Gigaton
nes International
marine bunkersand aviation
Non‐OECD ‐
gas
Non‐OECD ‐
oil
Non‐OECD ‐
coal
OECD ‐
gas
OECD ‐
oil
OECD ‐
coal
Emissions de CO2 par les différents pays émetteursRAPPEL
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Baseline Emissions 62 Gt
BLUE Map Emissions 14 Gt
Source AIE
Une
nouvelle révolution
énergétique
: réduire
les émissions
de CO2 liées
à
l'énergie
RAPPEL
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RAPPELMai 2007
«Quelles actions possibles pour limiter le changement climatique ?» => la limitation de la concentration de GES à 500 ppm en 2050 (+2°c à +2,8 °c) coûterait de l’ordre de 0.12%/an du PIB mondial en moyenne. Des actions doivent être entreprise avant 2020.
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Contexte
Mercredi 10 Novembre 2010
La hausse des émissions de CO2 viendra intégralement des pays émergents. Pour limiter le réchauffement à +2°C, il
faudra maintenant dépenser 1,9 % de PIB mondial (18 000G$).
Les émissions de CO2 vont augmenter de 21 % d'ici à 2035 (par rapport au niveau de 2008).
"C'est un véritable cri d'alarme que pousse l'Agence internationale de l'énergie (AIE) : si rien n'est fait, même en appliquant à la lettre
l'accord de Copenhague, la température mondiale augmentera de 3,5 degrés à long terme. « De nombreux scientifiques avertissent que c'est un niveau qui n'est ni durable, ni acceptable », lance Nobuo
Tanaku, son directeur général.
Mais...
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EQUATION DE Yoichi
KAYA RAPPEL
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LES NOUVELLES TECHNOLOGIES DE L'ENEGIE
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Maîtrise de l'énergie et des émissions
Réduction de la consommation énergétique
réseaux
habitat
transports
industrie
agriculture
Gestion de la ressource et développement du renouvelable
fossile
solaire
solaire direct
eau
biomasse
vent
énergies marines
géothermie
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Le Facteur Coût
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Intensité
énergétique
L’intensité énergétique est une mesure de l'efficacité énergétique d'une économie.Elle est calculée comme le rapport de la consommation d'énergie et de la production
(mesurée par le produit intérieur brut).
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RESEAUX
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Les Smart Grids
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HABITAT
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Habitat
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Maison de 100m2, 4 habitants
Habitat
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TRANSPORTS
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3,7% 1,1%
1,5%
37,7%
58,6%
1,1%
EssenceGazoleBiocarb.GPLGNV
Énergie dans les transport : quasi-exclusivement sur base pétrole
Consommation mondiale d'énergie dans le transport routier en 20061,7 GTEP
49,5 MTEPAu niveau mondial, le secteur transport : • dépend du pétrole à 96%• représente plus de 50 % de la consommation de pétrole• augmentation tendancielle de 50% de la demande de carburants à l'horizon 2030: gazole +45 %, essence +45 %, kérosène +60 %
Production mondiale d'éthanol carburant en 2006 : 31,3 Mt (90% Etats-Unis et Brésil)
Production mondiale d'EMHV en 2006 : 6 Mt (85% Europe)
Transports
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23 Powertrain Engineering Business Unit – IFP school ESDD October 2009 23
Environmental IssuesEnvironmental Issues :
pollution, GHG
Energy Supply ChallengesEnergy Supply Challenges :
fossil fuels reserves,
increase of production
Security of SupplySecurity of Supply :
cost,
geopolitical issues
Energy EfficiencyEnergy Efficiency
production
use in engines
1.1. TechnologyTechnology
2.2. Transport organizationTransport organization
3.3. Individual Individual behavioursbehaviours
Les défis du transport durable
Energy diversification
biofuels
electricity
hydrogen
GHG emissions reduction, with a specific target on CO2
Reduction of other emissions or other types of nuisance
HC, CO, NOx, particulates
non reglemented
pollutants
noise
traffic congestion
Transports
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24 Powertrain Engineering Business Unit – IFP school ESDD October 2009 24
Diversifier les sources d'énergie
: les carburants
alternatifsTransports
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Synthetic Fuels
naphtha, gasoline,
gas-oil, kerosene, H2 ...
Natural Gas
FT GTL Process
Coal
e -
Direct or indirect
liquefactionBiomass
e -e -
e - : electricity co-generation
Ethanol-ETBE
VOE
Gaseification
processes
Transports
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Les émissions
Emissions de CO2, PM, CO, NOx
et vitesse (source : Barrett, 2007)
Transports
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Réduire la consommation et les émissions
Develop
alternative solutions to combustion engine
Dedicated engine
• NGV, DME
• Hydrogen
Electric vehicle
• Batteries• Fuel cells
Hybrid vehiclethermal/electric
• System modeling• Control strategies
Electric engine
Thermal engine
Generator
Batteries
epicyclic train
Transports
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Placer les moteurs conventionnels dans une perspective
de développement durable
Réduction des consommations
• Injection directe essence et diesel• « downsizing »:
- Turbosuralimentation- Distribution variable
en synergie avec l’améliorationdes qualités des carburants
Maîtrise des pollutions locales(NOx, CO, HC et particules)
• Nouveaux procédés de combustion homogène
- HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)
pour moteurs diesel- CAI (Controled Auto Ignition)
pour moteurs essence• Contrôle moteur• Post-traitements
Transports
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Système d’injectionCommon rail
Rail
Piège à NOx(70% à 90 % d ’efficacité)
Filtre à particules(90% à 99% d ’efficacité)
Les technologies clés pour la maîtrise des émissions des moteurs diesel
Turbocompresseur à géométrie
variable
Transports
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→
Le développement des transports ferrés électriques
est une alternative toujours intéressante aux autres modes de transport pour réduire les émissions de CO2. Ils sont donc à
privilégier.
→
À
l’horizon 2020, l’intégration d’un million de véhicules électriques
dans le parc ne poserait pas de problèmes majeurs si une gestion intelligente de la charge est assurée et si le niveau de consommation est faible. Ce développement doit se faire dans des conditions permettant des émissions inférieures aux véhicules thermiques à
cet horizon.
→
À
un horizon plus lointain, plus de 4 millions de véhicules électriques
sont positionnables, sous réserve du respect des engagements du Grenelle, au vu des capacités moyennes non carbonées envisagées pour l’instant à
cet horizon (8 GW en puissance instantanée et 60 GWh
en énergie quotidienne), avec cependant la difficulté
de gérer certains jours de pointe. Les progrès envisagés sur les véhicules à
cet horizon peuvent permettre d’augmenter ce nombre.
→
Pour les particuliers, la "charge intelligente"
(lente et en période creuse) devra être privilégiée, et la charge rapide exceptionnelle. La tarification de ces deux types de charge devra être fixée en conséquence.
TransportsVéhicules électriques
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CONSOMMATION FINALE D’ÉLECTRICITÉ EN TWHEN 2020 PAR SCÉNARIO : TENDANCIEL, GRENELLE ET GRENELLE DIFFÉRÉ
TransportsVéhicules électriques
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Six niveaux d’électrification
1. Stop & Start
: le dispositif le moins cher et déjà
le plus répandu. Il permet d’interrompre le fonctionnement du moteur thermique lors de l’arrêt de la voiture au feu rouge ou dans le trafic.
2. Stop & Start avec récupération d’énergie au freinage
: capable, pour des voitures petites et moyennes, de récupérer une partie de l’énergie cinétique et de la restituer à
l’accélération grâce, par exemple, à
un alterno-démarreur relié
au moteur thermique par une courroie (projet Valeo).
3. Mild
hybrid
: solution élaborée, à
moindre coût, pour réduire la consommation de 15 % à
20 %. Un moteur-générateur assiste le moteur thermique, mais ne permet pas de traction électrique pure. La fonction Stop & Start fait également partie du dispositif.
4. Full hybrid
: solution plus coûteuse et plus performante que le mild
hybrid, permettant égalementd’effectuer quelques kilomètres en mode électrique pur. L’aide au moteur thermique et le Stop & Start sont également assurés.
5. Véhicule hybride rechargeable
: véhicule fonctionnant à
l’électricité
pour les usages à
courtedistance et relayé
de façon directe (génération d’électricité, ce sont les range extender) ou indirecte (chaîne de traction thermique) par un moteur thermique pour le fonctionnement sur route.
6. Véhicule tout électrique
: la motorisation électrique offre une autonomie de l’ordre de 150 km. Il faut notamment repenser le fonctionnement des systèmes auxiliaires (éclairage, ventilation, sonorisation…) afin de limiter leur consommation d’électricité
et inventer de nouveaux dispositifs dans le domaine de la climatisation (réfrigération et chauffage). Par -
20°
C, l’utilisation du chauffage fait chuter l’autonomie de 60 %.
Véhicule électriqueTransports
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TransportsVéhicule électrique
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PPD : Cours MasterPro2 Études internationales Gestion environnementale IHEAL novembre 20113434
Logiciel d'optimisation de la gestion énergétique à
bord
Time (sec)Time (sec)
BatteryBattery Charge Charge (%)(%)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
HybridHybrid mode mode selectionselection
OnOn--boardboardoptimizeroptimizer
mission profilemission profilebatterybattery charge charge requestedrequested ouputouput
batterybattery managementmanagement•• chargecharge•• safetysafetyminimizingminimizing fuel fuel consumptionconsumptionminimizingminimizing pollutionpollutiondriveabilitydriveability
Transports
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FILMHybrid-Electrification des véhicules
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Stockage d'énergie -
Batteries
Nouvelles Batteries Ni-Li ?
Transports
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Des démonstrateurs IFP pour valider les technologies dans le cadre de divers partenariats industrielsVELSATIS - Downsizing essence PRIUS II – Hybride Gaz Naturel
VELSATIS – Diesel HCCI SMART – Hybride Gaz Nat
cyl : 1,8l à comparer à 3,0l-20 % CO2
cyl : 1,5l <80 g CO2/km
cyl : 2.2l diesel-50 % NOx par rapport à ref
Projet VDH
cyl : 0,66l <80 g CO2/km
Projet VEHGAN"mild hybrid"
cyl :0,21 l 60 g CO2/km
CLEVER – Gaz NaturelProgramme Européen
"Full hybrid"
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FILMProjet CLEVER
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3939
Réalisations IFP Energies nouvelles
Diesel hybrid
HDI PSA
IFP involvement: engine
optimization
and calibration
Project duration: 2006-2007
Full Hybrid Natural gas passenger car
Vehicle base: Toyota Prius
Partners : GDF Suez
76 g CO2/km
Project duration: 2006
Micro Hybrid Natural Gas Urban vehicle
Vehicle base: Smart for two
Partners : GDF Suez, Valeo, ADEME
Valeo Star + X system
Project duration: 2006-2008
Transports
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4040
VEL ROUE project
Hybrid, dual-mode LDV
ADEME funding (Grenelle de l'Environnement)
Pilot : Renault
Partners : Michelin and IFP
Project duration: 2009-2011
TransportsRéalisations IFP Energies nouvelles
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4141
ElLiSUP
project
Electrical bus, hybrid bus with fast charging (lithium batteries)
ADEME funding(Grenelle de l'Environnement)
Pilot : IRISBUS
Partners : CEA, IFP, INRETS, EDF, MICHELIN, ERCTEEL, RATP, RECUPYL
Project duration: 2009-2012
TransportsRéalisations IFP Energies nouvelles
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Autres concepts moteurs
La propulsion alternative des véhicules (voitures, camions) consiste en deux catégories :
Des systèmes nouveaux utilisent fréquemment la propulsion hybride pour mieux servir les exigences de la vie réelle.
Les turbines à gaz sont une propulsion alternative pour les voitures mais pas pour les avions.
Enfin on ne peut pas exclure d'autres tentatives, très controversées, comme le moteur Pantone et le serpent de mer du moteur à eau.
Twike de www.greenfleet.info
véhicule électrique Micro-Vett
Taxi au gaz naturel
Taxi au diester
Transports
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La "roadmap" des carburants alternatifs
2000 2010 2020 2030 Année
Risque
R & D, validation en usage réel
GNCBiofuel 1st generation:
biodiesel ethanolbiogas
hydrotreated bio oil(NexBTL)
GTLBiofuel 2nd generation:
Ethanol ex-straw,biogas
CTL with CO2 C&S
Biofuel 2nd generation:BTL
hydrogen
Transports
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INDUSTRIE
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Industrie –
Exemple du raffinage
Better thermal and hydraulic performanceLower operating costIn some cases the heater can be actually shut down during normal
operations Lower capital costSafer operationEasier maintenance
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FILMClean Refining
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AGRICULTURE
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Agriculture
Relations agriculture-énergie ; Sources d'amélioration de l'intensité
énergétique et de l'impact sur l'effet de serre
Surfaces cultures dédiées aux biocarburants/alimentaires
Déforestation pour cultures énergétiques
Elevage, transport, réfrigération (70% des terres cultivées, déforestation)
Dégradation de la biodiversité
Consommation d'eau, compétition avec l'énergie
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ENERGIES NON RENOUVELABLES
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Les énergies non renouvelables
Domaines du préventif, du curatif et de l'efficacité
énergétique
Les énergies fossiles
L'électro-nucléaire
PAC –
Piles à
Combustibles
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ENERGIES FOSSILES
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Réserves mondiales de pétrole et de gaz (Gtep)
.
020406080
100120140160180
1970
1973
1976
1979
1982
1985
1988
1991
1994
1997
2000
2003
Oil
Natural Gas
= Gas/Oil ratio of proven reserves
50 %
80 %113,8 %
Source CEDIGAZX %
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FILMExtended reserves
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CharbonCharbon - Extraction
Préparation
Combustion Pyrolyse - Carbonisation
Liquéfaction Directe
Gazéification
Electricité
Chaleur
Liquéfaction Indirecte
Carburants liquide
gaz de synthèse
Coke
GoudronsDérives
chimiques
LiquéfiatsRésidus
Procédés de raffinage "sévères"
H2 chimique
Procédés de raffinage
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CLEAN COAL TECHNOLOGIESRessources fossiles
Film
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Caractérisées par un meilleur rendement, les centrales dites supercritiques ou ultra supercritiques produisent plus d'électricité pour une même quantité de charbon brûlé. Elles réduisent
proportionnellement les émissions de CO2, grâce à une meilleure combustion. Leurs équipements de désulfuration et de dénitrification prévus dès la conception permettent de réduire encore les
concentrations en oxydes de soufre, oxydes d'azote et poussières.Elles diffèrent des centrales actuelles par une température et une pression plus élevées, qui
nécessitent encore des recherches pour développer des matériaux résistants à des températures supérieures à 600/700°
C.
Charbon
Principe de fonctionnement d'une centrale thermique
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Ressources fossilesPromote
the development
of natural
gas
Reduce
the costs
of transport
• Long haul gas pipelines
• Liquefaction processes and transport of LNG
• Transportation of compressed NG by ship
Acid gas treatment
• Treatment processes for highly acid gas
(H2 S/CO2 ) + reinjection
New outlet
: chemical
conversion GTL
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http://webtv.edf.com/index.php/video/centrale-thermique-au-gaz---comment-fonctionne-un-cycle-combine--/137.html
Centrales thermiques à
cycle combiné
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Le CSCCaptage et Stockage du CO2
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DDéécarbonisationcarbonisation
BiocarburantsBiocarburants
H2H2
Efficacité énergétique
Consommation énergétique
CO2CO2
CaptageCaptage,,
TransportTransport
&&
StockageStockage
Reduction des émissions
de CO2 les différentes voies...
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Les problèmes
à
résoudre
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Limitation des émissions
de CO2, cibles
majeures
: Charbon et électricité
Power sector responsible for ~ 40%
of global emissions
Coal represent ~ 70%
of emissions from power sector
2/3 of the increase in global coal use will come from China & India
This would increase by 20%
the global CO2 emissions by in 2025
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Moyens techniques de réduction de CO2
http://www.zeroemissionsplatform.eu/Film : NETL An Introduction to Carbon Capture and Sequestration
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Moyens techniques de réduction de CO2
Gestion du cycle du carbone
Evolution du mixte énergétiqueCharbon, pétrole Gaz naturel Energies renouvelables
Maîtrise de l’énergieRendement énergétique Utilisation rationnelle de l’énergie
Stocks naturels de carbone Techniques industrielles de capture et de stockage de CO2
Veinesde charbon
ECBM
Formations salines
Aquifères
Gisements déplétésde gaz et de pétrole
Opérations à valeur ajoutéeEOR, EGR
Ocean
Concepts avancés
Sources:Derived FromNETL & IEA Illustrations
Stockage dans l’océan ?Captage & séparation
du CO 2
ECBMECBM
Stockage Stockage physiquephysique
Stockage géologique
Film
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FILMSDOE et NETL
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Cas de la France : les émetteurs
Source : rapport ANR/NTE/800
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Cas de la France : les émissions
Source : rapport ANR/NTE/800
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Cas de la France : la capacité
disponible
Source : rapport ANR/NTE/800
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CAS DE LA FRANCECCS
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CCS
Actuellement, 60 –
80$US/t de CO2 évité
Reducing CO2
emissions for mitigating global warming
CO2
capture and geological storage
Storing CO2 in the underground
the options
a driver for revitalizing mature oil fields
From CO2 avoidance to CO2 EOR
properties, issues
From CO2 EOR to CO2 storage
challenges
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CO2 Capture Facilities
Mitsubishi Plant, Nagasaki
Sumitomo Chemicals
Indo Gulf Fertilizer Co.
Luzhou Natural Gas
Vattenfall
CASTOR
Snohvit
Sleipner
In Salah
Shady Point
Bellingham Cogen
Dakota Gasification PlantBoundary Dam
IMC Global Inc.
Key
Warrior Run
Gasification synfuels plant
Major Pilot Plants
CO2 Separation from Natural Gas for CCS
Food-grade CO2 /carbonation of brine/Urea (Post Combustion)
Kedah
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Abu DhabiAonla
Phulpur
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CO2
Injection and Storage Activities
Nagaoka
HokkaidoQinshui Basin
Snohvit
Sleipner
In Salah
Key
ECBM projects
EOR projects
Gas production Fields
Saline aquifier
SibillaRECOPOL
CO2 SINKK-12B
Cerro Fortunoso
Frio
West Pearl QueenMountaineer
WeyburnPenn West
Alberta ECBM
Teapot DomeRangely
Burlington
4 New CO2 -EOR Pilots in Canada
50 Acid Gas injection sites in North America
70 CO2 -EOR projects in U.S.A.
GorgonDepleted Oil Field
Otway Basin
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Zama
Carson
Kwinana
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Futur possible du CCS
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Challenges: CO2 abatement cost
StorageStorage
TransportTransport InjectionInjectionCompressionCompressionCaptureCapture
CO2
Fuel
N2
H2 O
Energy
Capture / compression30- 60 €/t
Transport3.5 €/t for 100 km
Injection / storage20 €/t for 1 Mt/yr7 €/t for 10 Mt/yr
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FuelCombustion
process
CO2
CO2Extraction
Flue gases
Air
N2 /H2 O
Post-combustion capture
CO2
capture -
Main options
Air
H2N2 /H2 O
CO2
Steam reformingATRPOx
ShiftConversion
CO2Extraction Combustion
Fuel
Pre-combustionH2 O / O2
CombustionCryogenic
distillation /Chemicallooping
AirO2
H2 O
H2 OCondensation
CO2 /H2 O
Oxy-combustion
Fuel CO2
recycling
solvent scrubbing
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• Capacité: 1 t CO2 / h• 5000 Nm3/h fumées de charbon• En opération depuis début
2006, inauguré le 15 mars auDanemark
CCS-Le projet CASTOR : captage dans une centrale thermique
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FILMSProjet Castor
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CCS
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CCS -
Storing CO2
in the underground
Coal seamsCoal seams40 40 GtGt COCO22
< 2% of < 2% of emissions to emissions to
20502050
COCO22 EOR / EGREOR / EGR(IEA) 920 (IEA) 920 GtGt COCO22
45% of emissions45% of emissionsto 2050to 2050
Deep saline aquifersDeep saline aquifers400 400 -- 10,000 10,000 GtGt COCO22
20 20 -- 500% of 500% of emissions to 2050emissions to 2050
source: IEA GHGComparative potentials at storage cost of up to US$ 20/tCO2
the challenge: 20% of CO2 abatement - 6.5 GtCO2 - in 2050
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CCS -
EOR
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FILMProjet Lacq
42 milliards de dollars pour capter et stocker le CO2 : c’est la somme nécessaire pour développer les technologies de captage et stockage d’ici à 2020, selon l’Agence internationale de l’énergie. Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de moitié d'ici à 2050, l'AIE estime que 3.000 projets de capture de CO2 doivent être mis en place d'ici cette date, dont 100 dès 2020. L'essentiel des investissements doit venir des pays développés, qui devront investir entre 3,5 et 4 milliards de dollars par an entre 2010 et 2020, selon l’AIE, qui estime que les investissements actuels sont trop faibles.
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CCS -
Storage options: advantages / drawbacks
Depleted hydrocarbon fields
Trapping and confined structures
Well described and secure
Added value through CO2
EOR/EGR
Easier to implement (near term opportunities)
well accepted
Not evenly distributed worldwide
Unminable
coal seams
Enhanced production of CBM
Limited accessible pore volume and low injectivity
Saline aquifers
Huge storage capacity
More evenly distributed
shorter 'source-to-storage' distance
Poorly described
Check confinement
Absence of regulation
Economics
Public acceptance
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Les signaux d'alarme
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potentiel de stockage de CO2 aux USA
Les signaux d'alarme
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CCS -
Sleipner Tax regime : US$ 40/tCO2
Capture
amine gas treatment
Compression & Reinjection
Utsira
formation (saline aquifer): 50-100km wide; 50-
250m thick; 1000m below the sea floor
Storage
1MMtCO2 / yr
25 MMtCO2 over 25 years
started in 1996
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CCS -
Casablanca oilfield Repsol, pure storage
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CCS -
Lindach
Gas Field (Rohoel, Austria)
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CCS -
Snohvit
Aquifer (Statoil, Norway)
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ELECTRO-NUCLEAIRE
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Electro-nucléaire
Quelques faits concernant l'Europe doivent rester en mémoire: c'est le continent qui a plus grand nombre de réacteurs en fonctionnement (en 2005, 204 sur 441 dans le monde) et la plus importante production d'électricité
de centrales nucléaires: 28 % de l'électricité
produite en Europe est d'origine nucléaire.
S'agissant de la production d'électricité
en Europe , France, Russie, Allemagne, Suède, Royaume uni et Ukraine représentent 80 % de la capacité
européenne.
Question des coûts:
actuellement, la plupart des centrales nucléaires de l'UE sont complètement amorties. Leur coût de fonctionnement est dû
à
ce qu'elles intègrent comme extrants (matières premières). A l'heure actuelle, 60% des centrales d'Europe ont entre 15 et 25 ans.
Le coût du courant reste à
3,5-4 euros par mégawatt. Le coût total est tout à
fait compétitif même en intégrant la gestion et le stockage des déchets nucléaires et les taxes. Le coût de l'électricité
d'origine nucléaire reste bien inférieur à
celui d'une électricité
originaire d'une centrale thermique, sans compter le coût pour cette dernière du CO2.
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Classification des déchets radioactifs par filière de gestion (d’après le décret PNGMDR1 du 16 avril 2008)
TRES COURTE DUREE DE VIE : Demi-vie < 100 jours
COURTE DUREE DE VIE : Demi-vie ≤
31 ans (1)
LONGUE DUREE DE VIE : Demi-vie > 31 ans (1) (jusqu'à
quelques 10aines de milliers d'années...)
Très faible activité
: Gestion par décroissance radioactive sur le site de production puis élimination dans les filières conventionnelles.
Stockage de surface (Centre de stockage des déchets de très faible activité
de l’Aube)
Filières de recyclage
Faible activité
: Stockage de surface (Centre de stockage des déchets de faible et moyenne activité
de l’Aube)
Stockage a faible profondeur (2) : a l’étude dans le cadre de l’article 4 de la loi de programme du 28 juin 2006 relative a la gestion durable des matières et des déchets radioactifs
Moyenne activité
: Stockage profond (3) a l’étude dans le cadre de l’article 3 de la loi de programme du 28 juin 2006 relative a la gestion durable des matières et des déchets radioactifs
Haute activité
: Stockage géologique profond (3) a l’étude dans le cadre de l’article 3 de la loi de programme du 28 juin 2006 relative a la gestion durable des matières et des déchets radioactifs
(1) : la limite entre vie courte et vie longue est la demi-vie du césium 137, soit environ 31 ans. Le tableau mentionne la valeur entière immédiatement supérieure, par simplification.
(2) : stockage a faible profondeur signifie entre la surface et 200 m de profondeur.
(3) : profond signifie ≪ a plus de 200 m de profondeur ≫. Un projet de stockage profond est développe par l’Andra
dans la zone de transposition de 250 km2 définie en 2005 autour du Laboratoire souterrain de Meuse Haute-Marne, en vue de stocker les déchets de haute activité
et de moyenne activité
a vie longue (un seul stockage dans une couche argileuse (Callovo-Oxfordien) a 500 m de profondeur).
Electro-nucléaire
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Electro-nucléaire
Les déchets de moyenne et haute activité
à
vie longue
: ce sont les déchets liés au combustible nucléaire. Ils représentent 10% des déchets nucléaires. L’uranium utilisé
dans les centrales nucléaires en est retiré
au bout de trois à
quatre ans, pour être remplacé
par du combustible neuf.
Le combustible irradié
constitue un déchet hautement radioactif, et qui le restera pendant une période très longue. Il peut être stocké
en l’état, c’est à
dire qu’il faut stocker la totalité
des assemblages combustibles. Ces éléments combustibles peuvent être retraités, de façon à
recycler la matière énergétique. Cette opération de retraitement-recyclage est effectuée par exemple en France. Au terme des opérations de séparation, on récupère
:
-
la gaine du combustible
: les crayons entourant le combustible
;
-
la matière énergétique (U238 et plutonium), soit 97% du combustible usé
;
-
les déchets générés par la fission
: produits de fission et actinides mineurs (éléments formés par l’absorption de neutrons par les noyaux d’uranium).
Le retraitement permet, en récupérant la matière encore énergétique, de diviser par trois le volume des déchets à
stocker
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Electro-nucléaire
Selon les différents produits de fission, la période de radioactivité
varie de quelques secondes à
plusieurs milliards d'années.
La période radioactive est le temps que met un corps radioactif pour perdre la moitié
de son activité, c’est-à-
dire l’intervalle pendant lequel le nombre initial de noyaux radioactifs a diminué
de moitié
par suite de désintégrations.
Période radioactive de quelques radionucléides présents dans la nature :
Radium 226 : 1600 ans
Carbone 14 : 5730 ans
Potassium 40 : 1,3 milliards d’années
Uranium 238 : 4,5 milliards d’années
Période radioactive de qq
radionucléides au sein du combustible des centrales nucléaires :
Iode 131 : 8 jours
Césium 137 : 30 ans
Iode 125 : 60 jour
Plutonium 239 : 24000 ans
Les rayonnements endommagent les cellules de l’organisme. Celles-ci ont des capacités de réparation, mais qui sont limitées : au-delà
d’une certaine quantité
de rayonnements reçus, les cellules peuvent subir des mutations entraînant l’apparition, plusieurs années après l’exposition, de leucémies ou de cancers, ou être détruites, ce qui entraîne des lésions immédiates et aiguës des tissus.
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Electro-nucléaire
Chaque année, l’industrie nucléaire produit 1150 tonnes de combustible usé
qui sont envoyées à
l’usine de La Hague. 850 tonnes sont traitées annuellement pour en extraire le plutonium (1 %) et l’uranium (95 %) et pour conditionner le résidu (4 %). Le plutonium est réutilisé
dans la fabrication de combustibles neufs,qui
sont composés d’un mélange de plutonium et d’uranium.
Selon le rapport 2003 de l’ONDRAF, 2.400 tonnes d’uranium et de plutonium sont actuellement stockées sur notre territoire. Les réacteurs à
neutrons rapides posent certains problèmes.
Le principal est le traitement massif du plutonium avec lequel on peut fabriquer des armes nucléaires. Le plutonium issu des réacteurs à
neutrons rapides est de “super-qualité”, meilleure que le plutonium des armes nucléaires américaines et russes. En outre, les réacteurs à
neutrons rapides sont encore plus onéreux que les centrales nucléaires actuelles et doivent faire face à
de nombreux problèmes techniques.
Les cinq pays leaders :
Etats-Unis 100 582 mégawatts de puissance installée, 104 réacteurs.
France 63 260 Mw, 59 réacteurs.
Japon 47 587 Mw, 55 réacteurs.
Russie 21 743 Mw, 31 réacteurs.
Allemagne 20 470 Mw, 17 réacteurs.
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Electro-nucléaire
: la fusion thermo-nuclaireLa fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un
noyau plus lourd. La fusion de noyaux légers dégage d'énormes quantités d'énergie provenant de l'attraction entre les nucléons due à l'interaction forte (cf. énergie de liaison).
Cette réaction est à l'œuvre dans le soleil et certaines étoiles de notre univers.L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle pourrait potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse de combustible égale, que la fission. De plus, les océans contiennent
naturellement suffisamment de deuterium naturel de l'hydrogène (Il possède 1 proton et 1 neutron) pour permettre d'alimenter en énergie la planète pendant des millénaires, et les produits de la
réaction de fusion (principalement de l'He4) ne sont pas radioactifs. En dépit des nombreux travaux de recherche réalisés dans le monde entier depuis 50 ans, aucune application effective de la fusion
à la production d'énergie n'a encore vu le jour, en dehors du domaine militaire avec la bombe H.
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ITER (en anglais : International Thermonuclear Experimental Reactor, en français : « réacteur expérimental thermonucléaire international ») est un prototype de réacteur nucléaire à fusion
actuellement en construction à Cadarache (France). Ce prototype est destiné à vérifier la « faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire comme nouvelle source d’énergie1 ».
Un tokamak est une chambre de confinement magnétique
destinée à contrôler un plasma pour étudier la
possibilité de la production d'énergie par fusion
nucléaire.
Electro-nucléaire
: la fusion thermo-nuclaire
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PILES A COMBUSTIBLES
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Piles à
combustibles
Une pile à
combustible est une pile
où
la fabrication de l'électricité
se fait grâce à
l'oxydation
sur une
électrode
d'un combustible réducteur
(par exemple
l'hydrogène) couplée à
la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant,
tel que l'oxygène
de l'air
PAC au Méthanol
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Piles à
combustibles
La pile à
combustible fonctionne à
l'inverse de l'électrolyse
de l'eau pure. Elle transforme l'énergie chimique
en énergie électrique
directement. C'est un générateur.
Elle est semblable à
une pile ordinaire. Elle possède une cathode
et une anode
séparées par un électrolyte
qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges.
Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici le dioxygène O2) et son réducteur (ici le dihydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en dihydrogène et dioxygène. Le réducteur peut être aussi du méthanol
ou du gaz naturel.
À
l'anode, a lieu la réaction d'oxydation suivante
: H2
→
2H+
+
2e–
Il y a donc production de deux électrons par molécule
de dihydrogène.
L'ion H+ passe de l'anode à
la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.
À
la cathode, les ions H+ sont consommés suivant la réaction de réduction: O2
+
4H+
+
4e–
→
2H2O
La force électromotrice (la tension à
courant nul) théorique produite est de 1,23
V pour une pile fonctionnant à
25
°C
avec de l'oxygène et de l'hydrogène purs à
1
bar.
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Piles à
combustiblesPile à combustible à l'hydrogène
Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène
est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau
et consomme uniquement des gaz.
Mais la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à
cause de la quantité
non négligeable de platine
nécessaire.Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et
l'approvisionnement en dihydrogène. Sur Terre, l'hydrogène n'existe en grande quantité
que combiné
à
l'oxygène
(H2O, c'est à
dire l'eau), au soufre
(H2S) et au carbone
(combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de
consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à
faible coût, pour l'obtenir à
partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique.
Ensuite, le dihydrogène peut être comprimé
dans des bouteilles à
gaz (pression en général de 350 à
700 bars), ou liquéfié
ou combiné
chimiquement sous forme de méthanol
ou de méthane
qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène.
Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement assez faibles. Le dihydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire, c'est un
simple vecteur d'énergie difficile à
produire et à
stocker.
Pile à combustible au méthanol
Il existe deux types de piles à
combustible au méthanol
:
Les piles RMFC (Reformed
Methanol
Fuel Cell)
: dans ces piles, le méthanol est reformé
pour produire l'hydrogène qui alimentera la pile.
Les piles DMFC (Direct Methanol
Fuel Cell)
: dans ces piles, le méthanol est directement
oxydé
dans le cœur de la pile et ne nécessite pas d'être reformé.
Contrairement aux piles utilisant l'hydrogène, celles-ci ne sont pas "propres" car elles
rejettent du CO2 et même du monoxyde de carbone
(CO).
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Piles à
combustiblesThe Antares DLR-H2 during
its
technical
flight trial in June
2009 at
Zweibrücken. The fuel cell
is
slung
under
the left
wing
and the hydrogen
tank under
the right wing
–
with
a capacity
of either
2 or 4.9 kilograms. The fuel cell
system used
to power the Antares delivers
up to 25 kilowatts of electrical
power, and when
flying
in a straight line, the aircraft
only
requires
about ten
kilowatts of power. In this
situation, the fuel cell
is
operating at
an efficiency
level
of approximately
52 percent.
Honda FCX Clarity voiture à Moteur électrique
sur pile à
combustible
de la série "Honda Accord Hybrid" avec une pile à
combustible de type V Flow 1. C'est un véhicule à
5 places, 5 portes, en production limité
à
partir du 19 juin
2008
au Japon et aux États-Unis.
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Hydrogène
l’hydrogène est un vecteur d’énergie, et non une source d’énergie, si bien que l’impact environnemental de l’économie de l’hydrogène dépend de la source d’énergie primaire dont elle provient (charbon, nucléaire, renouvelables, gaz naturel)
;
un système de transport reposant sur l’hydrogène nécessite une infrastructure de ravitaillement très coûteuse
;
les PAC sont actuellement peu efficaces, chères et leur capacité de stockage est limitée.
Pour que la filière parvienne réellement à
se développer, de nombreux travaux de R&D et de démonstration, nécessitant des investissements publics et privés importants, s’avèrent donc indispensables.
Génération d'eau : PAC
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Hydrogène
Sous certaines conditions de stress (manque de soufre ou d’oxygène), les microalgues
peuvent produire de l’hydrogène.
Actuellement, moins de 3 % de l’énergie lumineuse totale est transformée en hydrogène. Pour être rentable, cette voie nécessite un rendement de 10 %, et la production d’hydrogène à
partir de microalgues
pourrait y contribuer.
Algues
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Hydrogène
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Project DF-1 (Miller Field, Scotland -
2010) BP, Shell, ConocoPhillips, Scottish & Southern Energy
• H2 & 475 MW Power generation
• with Capture & Geological Storage 1.8Mt/year avoided
• $600+ MM investment
• Needs a Policy framework
Hydrogène
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Véhicules H2
Readiness
of technology
–
Major progress
has been made in R&D of hydrogen
based
propulsion systems
over the past
10 years. Several
differen
approaches
are taken
for energy
conversion, namely
different
fuel cell
and combustion engines
technologies. However
early
assumptions
about market
viability
of those
technologies have been highly
over-
optimistic. The general
view
today
is
that
fuel cell
vehicles
will
not have a significant
market
penetration
before
another
20 years.
–
High cost, complex
technology, lack
of standards etc. will
require
further
investment
in research
and pan-
European
/ global cooperation. In this
respect the central role
of the European
hydrogen
platform
will
remain
crucial.
Hydrogen
Infrastructure
–
Hydrogen
infrastructure will
remain
a key
issue in the future. It is
still
unclear
if gaseous
or liquid
hydrogen
will
be
used
in the transport sector.
–
Short term
hydrogen
production from CNG has a negative
climate
impact and will
not be
a sustainable
energy
path. Hydrogen
production through
“green electricity”
cannot
be
made available
in sufficient
volume, also
it
will
inevitably
need
a strategy
for nuclear
power generation. Large scale
production based
on biomass
is
still
in the research
stage (also
in terms
of energy
use, why
not burn
biomass
directly
instead
of converting
it
to hydrogen?).
–
Central or local production of hydrogen
is
still
being
debated.
Storage technologies
–
On-board
storage
of hydrogen
is
still
a technical
challenge to meet
customer
expectations and acceptance
of filling
procedures
and vehicle
range. Further
research
is
needed
(aligned
with
infrastructure strategies) into
advanced
storage
technologies.
Hydrogène
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Hydrogen
impact on climate
stabilisation
–
Considering
the urgency
for greenhouse
gas
reduction, hydrogen
will
not be
able to have a noticeable
impact within
the next
20 years. Although
hydrogen
is
highly
likely
to be
the energy
carrier of the mid-
to long-term
future, research
priorities
have to focus first on what
can
contribute
within
the next
10 to 15 years
with
sufficient
impact, whilst
continuing
research
on above
challenges.
“Bridging
technologies”
–
We
should
focus on delivering
to the market
technologies that
provide
greenhouse
gas
reductions
in the short term. Focus has to be
on
o Large scale
and efficient 2nd generation
bio fuels production
o Further
improvements
in vehicle
efficiency
o Deployment
of Intelligent Transport System (ITS) technologies
o Infrastructure and traffic
management improvements
o Hybrid
technologies
o Electronic
vehicle
controls
systems
o New and energy
efficient vehicle
concepts (e.g. city car, urban
delivery
van, larger
trucks
o Intelligent goods
logistics
–
A number
of those
technologies will
flow directly
into
fuel cell
vehicles
and their
early
deployment
will
help driving
FC technology
cost
down, such
as electric
motors, power electronics
and electronic
controls
from
hybrid
systems.
–
Also
research
and global cooperation
is
needed
on battery
technologies, for both
potential
future electric
vehicle
applications, hybrid
system efficiency
and future fuel cell
vehicle
applications.
HydrogèneVéhicules H2
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Recyclage
Déchets combustibles
Eco conception
Directive cadre UE 22 novembre 2008 (2008/98/CE)
: hiérarchie en matière de traitement des déchets, applicable dans le cadre de la définition des politiques nationales de gestion des déchets, qui prévoit les cinq actions suivantes par ordre de priorité
:
-
Prévention des déchets (solution à
privilégier) ; - Réemploi ;
-
Recyclage ;
-
Valorisation (y compris la valorisation énergétique) ;
-
Elimination des déchets, en dernier recours.
http://www.erp-recycling.fr/home
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LES TECHNOLOGIES DES ENERGIES RENOUVELABLES