Pour mettre en place une économie mondiale neutre en carbone, il faut décarboner tous les secteurs qui dépendent largement des combustibles fossiles actuellement, notamment le chauffage et les procédés industriels nécessitant combustion et transport, en particulier les transports lourds, le transport maritime et le transport aérien. Le nucléaire, qui produit environ 10 % de l’électricité mondiale, est après l’énergie hydroélectrique la deuxième source mondiale d’énergie bas carbone, d’après l’Agence internationale de l’énergie (AIE). Le nucléaire peut également être utilisé pour décarboner les applications non électriques.
Au-delà de la production d’électricité : l’électronucléaire au service des applications non électriques
Le nucléaire expliqué
Pour mettre en place une économie mondiale neutre en carbone, il faut décarboner tous les secteurs qui dépendent largement des combustibles fossiles actuellement, notamment le chauffage et les procédés industriels nécessitant combustion et transport, en particulier les transports lourds, le transport maritime et le transport aérien.
Que sont les applications non électriques ?
Outre la production d’électricité, beaucoup d’autres applications peuvent utiliser l’électronucléaire. Ces applications, qui ont besoin de chaleur, sont notamment le dessalement de l’eau de mer, la production d’hydrogène, le chauffage urbain, la chaleur industrielle (fabrication de verre et de ciment, métallurgie), le raffinage et la production de gaz de synthèse. Alors que la communauté internationale s’efforce d’atteindre les objectifs climatiques, un rôle accru du nucléaire dans ces applications pourrait être déterminant pour la transition vers une énergie propre.
Apprenez comment le nucléaire peut remplacer le charbon dans la transition vers une énergie propre.
La chaleur des centrales nucléaires sert à produire de la vapeur qui actionne les turbines de générateurs. Les parcs nucléaires actuels atteignent des températures d’exploitation de l’ordre de 300 °C, alors que le chauffage urbain et le dessalement de l’eau de mer nécessitent environ 150 °C. De par leur conception, les centrales nucléaires convertissent actuellement un tiers de la chaleur produite en électricité, pour des raisons techniques tenant principalement aux propriétés et performances des matières. La chaleur restante est généralement rejetée dans l’environnement.
Au lieu d’être rejetée, elle pourrait être utilisée pour le chauffage ou le refroidissement, ou comme source d’énergie pour produire de l’eau douce, de l’hydrogène ou d’autres produits, comme du pétrole ou du carburant synthétique. Ces produits peuvent être générés par les centrales existantes : c’est ce qu’on appelle la cogénération. La cogénération nucléaire est la production simultanée d’électricité et de chaleur ou d’un produit dérivé de la chaleur. En utilisant la chaleur pour la cogénération, l’efficacité thermique peut être améliorée jusqu’à 80 %.
Qu’est-ce que l’énergie nucléaire et comment fonctionne une centrale nucléaire ? Pour en savoir plus sur la science de l’électronucléaire.
Électronucléaire et production d’hydrogène
L’hydrogène peut remplacer les combustibles fossiles dans de nombreux secteurs et pourrait permettre d’atteindre des émissions nulles ou quasi nulles dans les processus chimiques et industriels, les systèmes d’énergie propre et les transports. L’hydrogène est produit actuellement à partir du processus de reformage du méthane à la vapeur, un processus à forte intensité énergétique qui rejette environ 830 millions de tonnes de CO2 par an, soit autant que les émissions de CO2 du Royaume-Uni et de l’Indonésie réunis, selon l’AIE. Plusieurs méthodes permettent d’utiliser l’énergie nucléaire comme source d’électricité et de chaleur pour produire de l’hydrogène efficacement avec peu ou pas d’émissions de CO2.
Électronucléaire et chauffage urbain
Dans le chauffage urbain, la chaleur produite par une centrale énergétique est fournie aux immeubles résidentiels et commerciaux. Dans le cas du chauffage urbain nucléaire, la vapeur produite par une centrale nucléaire est acheminée à travers les réseaux de chauffage régionaux. Cette pratique est appliquée dans plusieurs pays : Bulgarie, Chine, Hongrie, République tchèque, Roumanie, Russie, Slovaquie, Suisse et Ukraine.
L’Akademik Lomonosov, première centrale nucléaire flottante au monde, dont l’exploitation commerciale a débuté en mai 2020, fournit de la chaleur à la région de Tchoukotka, dans l’extrême nord-est de la Russie. Depuis 1983, la centrale nucléaire de Beznau (Suisse) fournit de la chaleur aux communes, aux particuliers, à l’industrie et aux agriculteurs, soit environ 20 000 personnes en tout. Le réseau de chauffage principal a une longueur de 31 km. À partir de celui-ci, la chaleur est transférée vers des réseaux secondaires d’une longueur totale de 99 km.
En Chine, le projet de chauffage à l’énergie nucléaire de Haiyang est en pleine expansion. Le réseau de chauffage utilisant la vapeur des deux réacteurs de Haiyang est devenu opérationnel à la fin de 2020 et la première phase du projet devrait permettre d’éviter l’utilisation de 23 200 tonnes de charbon par an et l’émission de 60 000 tonnes de CO2. Ce projet est un exemple de la manière dont l’énergie nucléaire peut jouer un rôle dans la décarbonation du chauffage résidentiel et de la valeur ajoutée de l’exploitation d’une centrale nucléaire en mode cogénération. À la fin de 2021, il fournira de la chaleur à toute la ville de Haiyang, ville côtière de la province de Shandong qui compte environ 670 000 habitants.
Électronucléaire et dessalement
Le dessalement de l’eau de mer peut contribuer à répondre à la demande croissante d’eau potable tout en atténuant les pénuries d’eau dans de nombreuses zones côtières arides ou semi-arides. Les usines de dessalement ont besoin d’énergie sous forme de chaleur pour la distillation ou d’énergie électrique ou mécanique pour actionner les pompes de pressurisation de l’eau de mer à travers les membranes afin d’ôter le sel des eaux salines. Actuellement, cette énergie provient en grand partie des combustibles fossiles. Le dessalement nucléaire est une solution bas carbone utilisant la chaleur et l’électricité d’un réacteur nucléaire. Les techniques de dessalement peuvent être combinées à différents types de centrales nucléaires pour produire simultanément de l’eau et de l’électricité.
La faisabilité des usines de dessalement nucléaires intégrées a été confirmée par une expérience de plus de 150 années-réacteurs, principalement en Inde, au Japon et au Kazakhstan. Le réacteur nucléaire d’Aktau (Kazakhstan), au bord de la mer Caspienne, a produit jusqu’à 135 MWe d’électricité et 80 000 m3 d’eau potable par jour pendant 27 ans, jusqu’à son arrêt en 1999. Au Japon, plusieurs installations de dessalement liées à des réacteurs nucléaires produisent environ 14 000 m3 d’eau potable par jour. En 2002, une centrale de démonstration couplée à deux réacteurs nucléaires de 170 MWe a été mise en place à la centrale atomique de Madras, dans le sud-est de l’Inde. Il s’agit de la plus grande usine de dessalement nucléaire basée sur une technologie hybride thermique et osmotique utilisant l’eau de mer et la vapeur à basse pression d’une centrale nucléaire.
Initiatives pour applications non électriques
Seul 1 % environ de l’énergie nucléaire est actuellement utilisée pour des applications non électriques mais dans le monde entier - au Royaume-Uni, en France, en Russie, au Japon et ailleurs - des initiatives sont prises en vue d’une adoption plus large. Ainsi, l’initiative H2-@-Scale lancée en 2016 par les États-Unis vise à examiner les perspectives de production d’hydrogène au moyen de l’énergie nucléaire. Au Canada, les Laboratoires nucléaires canadiens (LNC) prévoient de lancer le parc de démonstration, d’innovation et de recherche sur l’énergie propre (DIREP), site d’essai pour les applications de cogénération utilisant des petits réacteurs modulaires.
En Chine, un petit réacteur modulaire à haute température refroidi par gaz devrait entrer en service d’ici la fin de 2021. Le réacteur est conçu pour assurer la production d’électricité, la cogénération, la chaleur industrielle et la production d’hydrogène. Le Japon a redémarré son réacteur expérimental à haute température (HTTR) en juillet 2021. La chaleur produite est utilisée pour la production d’électricité, le dessalement de l’eau de mer et la production d’hydrogène par un procédé thermochimique.
Dans la gamme des 250-550 °C, le marché européen de la chaleur représente plus de 100 gigawatts thermiques (GWth) et le nucléaire pourrait s’attaquer à ce marché. La Pologne dépend à 100 % des combustibles fossiles pour la production de chaleur mais le déploiement du nucléaire dans ce domaine est prévu dans la stratégie de développement du pays.
Quel est le rôle de l’AIEA ?
- L’AIEA soutient et facilite la mise au point d’applications non électriques nouvelles et émergentes des technologies nucléaires par des publications scientifiques et techniques, des webinaires et des projets de recherche coordonnés.
- L’AIEA a mis au point des outils logiciels tels que le programme d’évaluation économique de l’hydrogène (HEEP) et le calculateur d’hydrogène pour évaluer les possibilités de production d’hydrogène. Ces deux outils peuvent être téléchargés ici.
- Pour évaluer le dessalement nucléaire, l’AIEA a mis au point le logiciel d’évaluation économique du dessalement (DEEP) et le programme d’optimisation thermodynamique du dessalement (DE-TOP), qui permettent d’effectuer des analyses économiques, thermodynamiques et d’optimisation de différentes ressources énergétiques couplées à divers procédés de dessalement. Ces logiciels peuvent être téléchargés ici.
- L’AIEA coordonne des études de faisabilité sur le dessalement nucléaire depuis 1989. Le Groupe de travail technique sur le dessalement nucléaire de l’AIEA est un réseau mondial d’experts qui soutient l’évaluation et la planification du programme, la recherche, la mise au point, la conception, la construction, l’étude des aspects économiques et des aspects de la sûreté, la collaboration internationale en vue de projets de démonstration, et l’exploitation et la maintenance.
What are non-electric applications?
There are many applications beyond electricity generation that can use nuclear power. These applications, which require heat, include seawater desalination, hydrogen production, district heating and process heating for industry (glass and cement manufacturing, metal production), refining and synthesis gas production. As the global community strives to meet climate goals, expanding nuclear’s role in these applications could be key to a successful clean energy transition.
Learn how nuclear can replace coal as part of the clean energy transition.
The heat produced by nuclear power plants is used to create steam, which drives electricity-generating turbines. Existing nuclear fleets today reach operating temperatures in the range of 300°C, while district heating and seawater desalination processes require about 150°C. By design, nuclear power plants currently convert one third of the heat produced into electricity because of technological reasons mostly related to material properties and performances. The remaining heat is usually released to the environment.
Instead of releasing this heat, it could be utilized for heating or cooling, or as an energy source towards the production of fresh water, hydrogen or other products, such as oil or synthetic fuel. These products may be produced by existing power plants, in what is referred to as cogeneration. Nuclear cogeneration is the simultaneous production of electricity and heat or a heat-derivative product. By using heat for cogeneration, the thermal efficiency can be improved up to 80 per cent.
What is nuclear energy, and how does a nuclear power plant work? Read about the science of nuclear power.
Nuclear power and hydrogen production
Hydrogen can replace fossil fuels across multiple sectors to potentially enable zero or near-zero emissions in chemical and industrial processes, clean energy systems and transportation. Hydrogen is produced today from the steam methane reforming process, an energy-intensive process that emits around 830 million tonnes of CO2 per year, equivalent to the CO2 emissions of the United Kingdom and Indonesia combined, according to the IEA. There are several methods to use nuclear energy, as a source of electricity and heat, to produce hydrogen efficiently and with little to no CO2 emissions.
Nuclear power and district heating
District heating relies on a centralized energy plant for the distribution of heat to residential and commercial buildings. In nuclear district heating, steam produced by a nuclear power plant serves to heat regional heating networks. This practice has been implemented in several countries – Bulgaria, China, Czech Republic, Hungary, Romania, Russia, Slovakia, Switzerland and Ukraine.
The Akademik Lomonosov, the world’s first floating nuclear power plant that began commercial operation in May 2020, provides heat to the Chukotka region in far northeastern Russia. Since 1983, Switzerland’s Beznau nuclear power plant has been providing heat for municipalities, private, industrial and agricultural consumers totalling about 20 000 people. The main heating network has a length of 31 km, from which heat is transferred to secondary networks with a total length of 99 km.
In China, the Haiyang Nuclear Energy Heating Project is expanding. The heating network using steam from Haiyang's two reactors became operational at the end of 2020, and the first phase of the project is expected to avoid the use of 23 200 tonnes of coal annually and the emission of 60 000 tonnes of CO2. The Heating Project is an example of how nuclear energy can play a role in decarbonizing residential heating, as well as the added value of operating a nuclear power plant in cogeneration mode. The project will provide heat to the entire city of Haiyang, a coastal city in Shandong province that has a population of about 670 000, by the end of 2021.
Nuclear power and desalination
Desalination of seawater can help to meet the growing demand for potable water, while alleviating water shortages in many arid or semi-arid coastal areas. Desalination plants require energy in the form of heat for distillation or electrical/mechanical energy to drive pumps for pressurization of seawater across membranes to separate salt from saline waters. Currently most of this energy is derived from fossil fuels. Nuclear desalination is a low-carbon alternative that utilizes the heat and electricity from a nuclear reactor. Desalination techniques can be coupled with different types of nuclear power plants to produce water and electricity concurrently.
The feasibility of integrated nuclear desalination plants has been proven with over 150 reactor-years of experience, mainly in India, Japan and Kazakhstan. The Aktau nuclear reactor in Kazakhstan, on the shore of the Caspian Sea, produced up to 135 MWe of electricity and 80 000 m3/day of potable water for 27 years until it was shut down in 1999. In Japan, several desalination facilities linked to nuclear reactors produce about 14 000 m3/day of potable water. In 2002, a demonstration plant coupled to twin 170 MWe nuclear power reactors was set up at the Madras Atomic Power Station, in southeast India. This is the largest nuclear desalination plant based on hybrid thermal and osmotic technology using seawater and low-pressure steam from a nuclear power station.
Initiatives for non-electric applications
Though only about 1 per cent of nuclear energy is currently used for non-electric applications, there are initiatives around the world from the United Kingdom and France to Russia, Japan and beyond, to pave the way for broader adoption. This includes the H2-@-Scale initiative, launched in 2016 by the United States, which examines the prospects for hydrogen production via nuclear power. In Canada, the Canadian Nuclear Laboratories (CNL) are planning to launch the Clean Energy Demonstration, Innovation, and Research (CEDIR) Park, which will serve as a testing site for cogeneration applications using small modular reactors (SMRs).
In China, a high-temperature gas cooled SMR, is slated to begin operation by the end of 2021. The reactor is designed to support electricity generation, cogeneration, process heat and hydrogen production. Japan restarted its High-Temperature Engineering Test Reactor (HTTR) in July 2021. The heat produced by the HTTR has applications for power generation, desalination of seawater and hydrogen production via thermochemical process.
In the range of 250-550°C, the European heat market represents more than 100 gigawatts-thermal (GWth), and there is an opportunity for nuclear to address this market. Poland relies 100 per cent on fossil fuel for heat production; however, the deployment of nuclear for heat is included in the country’s development strategy.
What is the role of the IAEA?
- The IAEA supports and facilitates the development of new and emerging non-electric applications of nuclear technologies through scientific and technical publications, webinars and coordinated research projects.
- The IAEA has developed software tools, such as the Hydrogen Economic Evaluation Program (HEEP) and Hydrogen Calculator, to assess options for hydrogen production. Links to download both tools are available here.
- To assess nuclear desalination, the IAEA has developed the Desalination Economic Evaluation Program (DEEP) and the DEsalination Thermodynamic Optimization Programme (DE-TOP) to perform economic, thermodynamic and optimization analyses of different power resources coupled to various desalination processes. The software are available for download here.
- The IAEA has been coordinating feasibility studies on nuclear desalination since 1989. The IAEA Technical Working Group on Nuclear Desalination is a global network of experts that supports programme assessment and planning, research, development, design, construction, economics, safety aspects, international collaboration for demonstration projects, and operation and maintenance of nuclear desalination plants.
Ressources connexes
Plus
Sustainable Development Goal 13: Climate action
Sustainable Development Goal 7: Affordable and clean energy
Sustainable Development Goal 6: Clean water and sanitation
Non-electric applications
Industry
Industrial applications
Planning and Economic Studies Section
Nuclear Power Technology Development Section
Division of Nuclear Power
Department of Nuclear Energy
Nuclear power and climate change: Decarbonization
Nuclear power and climate change: Decarbonization