Chroniques d’innovations : aux origines de nos usages de l’énergie

Patrick Charron, Spécialiste sénior du traitement sismique : Mes amis géologues et géophysiciens pensent avoir identifié un nouveau gisement de pétrole. Mais leur enthousiasme doit être confirmé, je vais vous expliquer comment je peux les aider !

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Patrick Charron : Les gisements de pétrole sont sous terre, ça parait évident. Donc, pour les trouver, il faut sonder les sols. Mais pour savoir où sonder, il faut avoir une image du sous-sol. Cette idée basique aujourd’hui, mais géniale au départ, nous vient de l'ingénieur américain John Karcher. En 1921, il prouve que le fait d’envoyer des ondes acoustiques, dans le sol, permet d’obtenir une image du sous-sol. C’est la mesure et l'analyse du temps de réflexion de cette onde, qui donne un aperçu de la structure du sous-sol. C’est un peu comme une échographie donc. Nous, nous l’appelons sismique réflexion ou imagerie sismique. Quelques années plus tard, en 1925, John Karcher fonde un consortium de recherche auprès d’une compagnie pétrolière afin de continuer à mettre au point son protocole. Et trois ans plus tard, tadam, le premier gisement de pétrole est découvert. Aujourd'hui, on utilise toujours la sismique réflexion, mais il y a eu des progrès incroyables de cette méthode : d’images floues, on est passé à des images 3D hyper détaillées. La sismique réflexion est devenue un outil très puissant grâce aux innovations dans les domaines de l’acquisition sismique, du traitement du signal et de l’informatique ! Un outil pour optimiser la production des champs pétroliers mais aussi pour sécuriser les forages. Cet outil est maintenant en cours d’adaptation pour préparer l’essor des énergies renouvelables comme l’éolien offshore.

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John Abolarin, Architecte pétrolier : Tout le monde connaît les plateformes semi-submersibles. Mais savez-vous à quand remonte la première ?

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John Abolarin : Dans les années 1950, la compagnie pétrolière Shell se dit qu’il serait temps de tenter l’aventure offshore. Et en 1962, Bruce Collipp conçoit Blue Water 1, la toute première plateforme semi-submersible au monde. Imaginez un peu… Une sorte d’iceberg gigantesque, dont l’essentiel de la structure est immergé et qui tient en place grâce à quatre ancres. Shell fore un puits à 100 mètres sous le niveau de la mer. À l’époque, c’est un véritable exploit ! C’est aussi une petite révolution dans l’industrie. Les Britanniques seront contraints de partager leur technologie avec leurs concurrents, sous peine de se voir privés de permis d’exploration par les autorités américaines. Aujourd’hui, on a des navires-grues, capables de transporter des topsides de plus de 10 000 tonnes et des plateformes qui effectuent des forages par 2 000 mètres de fond. Ces technologies nous servent aussi dans l’éolien flottant et accompagnent notre transition énergétique. C’est pourquoi les plateformes semi-submersibles ont véritablement changé la donne pour la compagnie et pour toute l’industrie !

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Pierre Rullaud, Architecte GNL : Pour la même masse d’un corps, quel état prend le plus de place, l’état liquide ou l’état gazeux ? Je réponds tout de suite en vous parlant du GNL, le gaz naturel liquéfié.

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Pierre Rullaud : Ce fameux Gaz naturel liquéfié… Figurez-vous qu’il prend 600 fois moins de place qu’à son état gazeux. On peut donc le stocker et le transporter beaucoup plus facilement, et c’est ce qui a permis au commerce du GNL d’atteindre une échelle planétaire. Mais, surprise  à l’origine, le but était tout autre. Ce procédé de liquéfaction servait en effet, au moment de la 1^ère guerre mondiale, à extraire l’hélium présent dans le gaz américain pour gonfler les ballons dirigeables militaires. En 1941, est construite une usine de liquéfaction à Cleveland, aux États-Unis. On y liquéfiait le gaz pour pouvoir le stocker en attendant l’hiver où on en aurait le plus besoin. Malheureusement, 3 ans plus tard, un accident causé par la rupture de l'un des réservoirs dissuade pour quelques années tous les projets autour du GNL. Ce n’est finalement qu’en 1955, qu’une petite équipe relance son développement. Le gaz était liquéfié aux Etats-Unis, puis transporté en méthanier, et regazéifié au Royaume-Uni. Et aujourd’hui chez TotalEnergies le GNL est un pilier de notre stratégie de transition énergétique.

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Maud Nativel, cheffe de projet GR5 : Pour passer du pétrole brut à un produit commercial, comment on fait ? Je vous raconte ça tout de suite parce que c’est passionnant !

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Maud Nativel : À l’origine, il y a un américain - on parle de pétrole quand même - il s’appelle Samuel Kier et il est producteur de sel. Mais devinez quoi : Samuel avait des problèmes avec une substance noire qui contaminait ses puits. Et un jour, il voit une nappe de ce liquide en feu et ça lui donne des idées. En la chauffant, Samuel Kier parvient à produire une substance parfaite pour les lampes à brûler : le kérosène. Pour se remettre dans le contexte, à l'époque, les gens utilisaient de l'huile de baleine pour s’éclairer, un produit cher et difficile à trouver. Le kérosène devient alors une excellente alternative ! Samuel Kier commence à le commercialiser à partir de 1851, puis en 1853, il construit la première unité de distillation du pétrole, à Pittsburgh. Et aujourd’hui, dans nos raffineries, l’unité de distillation sert à séparer les molécules du pétrole brut en grandes familles de produits pour fabriquer des carburants, des matières premières pour l’industrie du plastique, des bitumes et plein d'autres choses encore. Et demain si vous vous posez la question, c’est certain, on aura toujours besoin de distillation pour produire des biocarburants par exemple !

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Cécile Haag, Architecte Power : Et la lumière fut ! J’ai une minute pour vous raconter les débuts de l’électricité en ville. C’est parti.

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Cécile Haag : Je parle de lumière parce que c’est la première invention liée à l'électricité avec la fameuse lampe à incandescence. Elle a vu le jour en 1879 grâce à Thomas Edison. Edison était américain, et c’est pourquoi la première ville électrifiée au monde est, roulement de tambour, New York. Edison crée en 1882 une centrale d’éclairage électrique, la Pearl Street Station, toute première centrale qui produit de l’électricité en brûlant du charbon. Ensuite, il y a eu Paris, puis Londres, Berlin… La fée électricité a progressivement remplacé le gaz pour l'éclairage public à la fin du XIX^e siècle, marquant une révolution industrielle et sociale ! Puis la lumière arrive enfin dans les foyers des villes françaises au rythme d’une ampoule attribuée par maison, ce qu’on appelait alors la « lampe populaire », à ne pas allumer au-delà de 23 heures ! C’est ainsi, en commençant avec la lumière, que l'électricité est passée de curiosité scientifique à un élément essentiel et basique de notre vie quotidienne.

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Karine Lafontaine, Cheffe de projet - Support Offshore & Wind Projects : Le vent, un des 4 éléments, une force que l’homme a appris à domestiquer. Voilà l’histoire de la première éolienne servant à produire de l’électricité.

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Karine Lafontaine : La première éolienne moderne fonctionnelle est celle de Gedser, village situé au Danemark, sur une toute petite pointe de l’île de Falster. Bien exposée au vent ! Elle a été construite en 1957 par l’ingénieur Johannes Juul qui a testé plusieurs modèles dans les années 1950 jusqu'à aboutir à celui-ci. L’éolienne de Gedser est composée d’un mât, d’un rotor à trois pâles et d’un système de sécurité en cas de vents trop violents. Ce design innovant a constitué une étape fondamentale dans le développement des éoliennes de notre époque. D’une puissance de 200 kW, cette éolienne a fait preuve d’une fiabilité remarquable pendant toute sa période de fonctionnement de 1957 à 1967 ! Mais remontons un peu en arrière, et ouvrons nos horizons. L’idée d’utiliser le vent n’est pas nouvelle : déplacer les bateaux, moudre le grain et produire de l’électricité, l'utilisation du vent s’est déployée et réinventée de siècle en siècle. Et chez TotalEnergies non plus d'ailleurs les innovations ne s'arrêtent pas : nos spécialistes travaillent sur les nouvelles turbines, on parle d’au moins 20 MW, soit 100 fois plus que l’éolienne de Gedser !

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Dounya Barrit, Ingénieure en fiabilité photovoltaïque : Aujourd’hui, je vais vous parler soleil… et puissance. Hum… je suis sûre que vous voyez où je veux en venir. Oui ! Le photovoltaïque ! C’est parti !

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Dounya Barrit : Remontons le temps jusqu’en 1839 : le physicien français Edmond Becquerel découvre que la lumière peut être convertie en électricité. C’est ce qu’on appelle « l’effet photovoltaïque ». Félicitations à lui ! Quarante-quatre ans plus tard, en 1883, un inventeur américain, Charles Fritts, crée la première cellule photovoltaïque. Son rendement ? Un pour cent. Pas terrible… mais suffisant pour faire avancer la recherche ! La première cellule en silicium, d’un rendement de 6 %, alimente les systèmes radio du satellite Vanguard 1. Les cellules photovoltaïques, d’abord surtout cantonnées au domaine spatial, vont se répandre dans des applications terrestres au cours des années 1970. Faisons un bond en avant : dans les années 2000, la technologie du silicium cristallin domine le marché. La production mondiale de panneaux solaires est d’environ 300 mégawatts pour un coût de quatre dollars par watt. Aujourd’hui, la production d’énergie photovoltaïque atteint 300 gigawatts, soit mille fois plus. Son coût a aussi nettement diminué : entre 10 et 20 centimes par watt. Mais quid de l’avenir ? D’ici à 2030, l’électricité d’origine solaire devrait représenter quinze pour cent de la production mondiale. Impressionnant, non ?

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Alimata Djire, Ingénieure en R&D - extraction du lithium : Les batteries Li-ion, et pas Lion attention, vous ne savez pas ce que c’est ? Et bien moi je vous dis que si, et que vous les connaissez même très bien. Je vous explique tout..

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Alimata Djire : Les batteries li-ion ou lithium-ion sont légères, avec des densités d’énergie beaucoup plus élevées que celles au plomb ou au nickel par exemple. Elles sont rechargeables, elles alimentent nos appareils électroniques : smartphones, ordinateurs portables, perceuses…. Et on les doit en grande partie aux 3 lauréats du Prix Nobel de Chimie de 2019. Les performances d’une batterie dépendent surtout de deux constituants : la cathode et l’anode. Dans les années 70, Stanley Whittingham a combiné une anode en lithium, un métal très léger et réactif, avec une cathode en disulfure de titane. Il a ainsi conçu une batterie non-rechargeable délivrant 2V de tension. Mais la batterie avait tendance à s’enflammer… oups ! 10 ans plus tard, John Goodenough propose une cathode en oxyde de cobalt lithié. Il obtient une batterie pouvant délivrer 4V cette fois. Mais à nouveau, la batterie était instable à cause de l'anode en lithium. C’est Akira Yoshino qui combina finalement une anode en carbone avec une cathode en oxyde de cobalt lithié - pour obtenir une batterie rechargeable et stable. Et devinez quoi : en 1991, Sony a commercialisé les premières batteries lithium-ion et révolutionné l’électronique grand public. Il a encore fallu des années d’amélioration avant de les retrouver partout dans les années 2010 - notamment dans les véhicules électriques. L’industrialisation et la production de masse ont permis de diviser leur prix par 10 en 15 ans !

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Nicolas Huet, Responsable projet AUSEA : On entend parler du méthane mais connaît-on vraiment ses propriétés et les moyens de traquer ses émissions dans l’atmosphère ? Je vous explique cela en une minute !

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Nicolas Huet : Pour reprendre les bases, le méthane est l’hydrocarbure le plus simple : aux conditions normales de pression et de température, c’est un gaz qui, relâché dans l’atmosphère est 30 fois plus impactant que le CO₂ pour le réchauffement climatique. C’est pourquoi TotalEnergies ambitionne de réduire de 80 % ces émissions de méthane entre 2020 et 2030. Parmi ces technologies, nous avons d’abord les satellites. Ils permettent de repérer les « super-émetteurs » - des sites industriels et agricoles, qui émettent plus de 100 kg de méthane par heure. Pour cela, TotalEnergies travaille avec GHGSat, une société canadienne qui opère une flotte de 12 satellites en orbite autour de la terre. En zoomant un peu, la détection du méthane n’est pas une nouveauté pour nos sites. C’est même un pilier de la sécurité de nos opérateurs. Toutefois, pour viser le presque 0-méthane, il faut être plus précis, et la Compagnie investit dans de nouveaux outils. D’abord les caméras infrarouges, utilisées au raffinage et désormais à l’Exploration-Production. Ensuite, les capteurs fixes qui ont fait leur apparition au Texas et en Italie pour faire de la surveillance en continu. Ces capteurs sont aujourd’hui en phase de déploiement sur l’ensemble de nos sites opérés. Au-delà de la détection, TotalEnergies quantifie ces émissions de méthane en particulier avec la technologie AUSEA : c’est un analyseur de gaz, embarqué sur drone, développé en collaboration avec l’université de Reims et le CNRS. Après deux ans de déploiement des prototypes, OneTech engage la phase d’industrialisation avec deux volets : l’analyseur de gaz et le traitement des données sur le cloud.

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