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Énergie et climat...... rien n’est simple

Publié en ligne le 2 novembre 2019 - Climat -

Ce dossier a été coordonné par la commission « énergie-climat » de l’Afis. Les auteurs qui ont accepté de contribuer l’ont fait à titre individuel et n’engagent pas, bien entendu, les entités auxquelles ils appartiennent ou ont pu appartenir.

Ce dossier contient un nombre important de redirections vers des articles qui sont en cours de publication sur le site Afis.org

L’énergie est indispensable au fonctionnement de nos sociétés. Elle en est même le principal carburant. Mais, dans le même temps, elle joue aujourd’hui un rôle majeur dans les émissions de gaz à effet de serre. Ainsi, des « transitions énergétiques » sont promues dans chacun des pays en cohérence avec les objectifs de la Convention-cadre de l’ONU sur les changements climatiques visant à  « intensifier la réponse planétaire à la menace du changement climatique en maintenant l’augmentation de la température mondiale bien en dessous de 2 °C, et mener des efforts encore plus poussés pour limiter cette hausse à 1,5 °C au-dessus des niveaux préindustriels » [1]. En France, cette transition a fait l’objet d’une loi votée en 2015 devant permettre au pays « de renforcer son indépendance énergétique, de réduire ses émissions de gaz à effets de serre et de donner à tous des outils concrets pour accélérer la croissance verte » [2]. Elle instaure une « stratégie nationale bas carbone » avec un « plan climat » présenté en juillet 2017 qui fixe l’objectif de « neutralité carbone en 2050 » 1, c’est-à-dire une réduction des émissions de gaz à effet de serre et une compensation des émissions résiduelles par stockage en quantités équivalentes [3]. Mais quels moyens est-il possible de mettre en œuvre ? La sortie complète des énergies fossiles est-elle vraiment réalisable en si peu de temps ? L’électricité nucléaire, pourtant très peu émettrice de dixoxyde de carbone (CO2), doit-elle voir sa place réduite ? Les énergies renouvelables sont-elles des « énergies gratuites », abondantes et sans impact ?

Le choix d’une stratégie énergétique dépend pour une très large part de considérations politiques et relève d’un choix de société. L’objectif de ce dossier n’est donc pas de dire ce qui devrait être fait. Plus modestement, les différents articles présentés ici visent à éclairer des questions complexes, mais aux enjeux fondamentaux, en apportant des éléments factuels permettant au lecteur de se forger son opinion.

Die Fabrik von Loewe, Gustav Wunderwald (1882-1945)

L’énergie, source indispensable de progrès

De nos jours, l’énergie est omniprésente dans toutes les activités humaines : éclairage, chauffage, cuisson, communications, transports, eau potable, hôpitaux, assainissement, production industrielle, artisanat, agriculture… Sa disponibilité et sa facilité d’usage nous la rendent presque invisible et l’on finit par ne plus se rendre compte de son caractère indispensable.

Mais il n’en a pas toujours été ainsi. Il aura fallu des milliers d’années de civilisation pour passer « du muscle à l’atome » [4]. Dans l’Antiquité et au Moyen Âge, l’énergie mécanique provenait principalement des muscles humains (les esclaves et les serfs en partie) et accessoirement de ceux des animaux ainsi que, pour la navigation, du courant des fleuves et du vent. L’énergie thermique apparue avec la maîtrise du feu avait auparavant représenté une étape déterminante du progrès de l’humanité : elle a permis de se chauffer, de s’éclairer et de cuire les aliments… Mais le progrès ne pouvait véritablement démarrer tant que l’énergie mécanique n’était que faiblement disponible. En permettant de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique, l’invention de la machine à vapeur au XVIIIe siècle a ouvert la porte à la révolution industrielle. De nos jours, l’énergie est partout présente où l’on en a besoin, que ce soit au travers de la prise de courant, à la pompe ou par le robinet du gaz.

Partout présente… du moins dans les pays économiquement développés. Dans de nombreuses régions, et pour de trop nombreuses personnes, elle représente encore un luxe. Ainsi, selon l’Agence internationale pour l’énergie [5], près d’un milliard de personnes n’ont toujours pas accès à l’électricité et 2,7 milliards dépendent du bois, du charbon ou des déchets animaux, qui sont une source majeure de pollution de l’air intérieur, pour la cuisson et le chauffage.

Les impacts environnementaux

Le recours au bois pour alimenter les premières machines à vapeur a contribué à une déforestation déjà importante. L’exploitation du charbon, s’il a permis de soulager la pression sur les forêts, fut à l’origine de nouveaux et importants rejets de gaz à effet de serre. Et de nos jours, la combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel est identifiée comme la cause principale du réchauffement climatique (mais aussi d’autres pollutions : particules fines, dioxyde de soufre, oxyde d’azote) et motive donc la mise en œuvre d’une transition énergétique planétaire.

Figure 1. Émissions mondiales de CO2 par secteur liées à l’utilisation de combustibles en 2016 [7] (représentant environ 80 % du total des émissions de CO2). La colonne de droite réalloue les usages de l’électricité (qui n’est pas une finalité en soi) aux secteurs qui l’utilisent (principalement l’industrie et les bâtiments). La catégorie « autres » regroupe principalement l’agriculture, la sylviculture, la pêche et quelques autres domaines.

Cette transition énergétique rencontre cependant un faisceau de contraintes parfois contradictoires : les besoins croissants des pays en développement 2, la démographie et les progrès technologiques (indispensables à cette transition) devraient accroître la demande en énergie dans un contexte où l’on souhaite réduire les émissions de gaz à effet de serre (voir l’article de Jacques Percebois, « La transition énergétique “bas carbone” : enjeux et contraintes »). Ainsi, « sortir des énergies fossiles » est une priorité évidente (voir l’article de François-Marie Bréon, « La problématique de l’énergie dans les rapports du GIEC »).

Pour autant, ce n’est pas si facile. La fin de l’usage du pétrole ne peut pas attendre l’épuisement de la ressource, d’autant plus que la découverte et l’exploitation de nouveaux gisements repoussent régulièrement l’échéance du fameux « pic pétrolier ». Dès lors, le « déclin du pétrole » sera peut-être déterminé par le contenu des politiques publiques et des réglementations environnementales qui seront mises en place (voir l’article de Denis Babusiaux et Pierre-René Bauquis, « Quel avenir pour le pétrole ? »).

Stockage de l’énergie électrique

 « Dans un avenir plus lointain, du fait de l’intermittence de l’éolien et du photovoltaïque, le développement des énergies renouvelables passera par le stockage de l’énergie électrique : ainsi on la stockerait dans les périodes excédentaires pour la rendre disponible aux moments où elle est nécessaire. Les capacités de stockage hydroélectrique ne se développent pas suffisamment en France malgré un potentiel encore existant. Il faut développer la recherche sur les batteries et sur d’autres modes de stockage qui permettraient sans doute de progresser. À l’heure actuelle, on est loin de pouvoir stocker ne serait-ce qu’une petite fraction des 10 TWh (1 TWh = 1 milliard de kWh) que la France consomme en une semaine. Pour stocker deux jours de cette consommation, avec une technologie performante lithium-ion, il ne faudrait pas moins de 12 millions de tonnes de batteries utilisant 360 000 tonnes de lithium, sachant que 40 000 tonnes de ce métal sont extraites dans le monde chaque année ! D’autres solutions sont envisagées, comme le stockage chimique sous forme d’hydrogène produit par électrolyse de l’eau, mais ces solutions sont pour le moment trop chères, leur rendement étant faible et leur maturité technologique réduite. »

Extrait de « La transition énergétique doit tenir compte des réalités scientifiques, technologiques et économiques », contribution de l’Académie des technologies au débat public autour de la Programmation pluriannuelle de l’énergie (juin 2018).

Sur academie-sciences.fr

Les transports (routiers, aériens et maritimes) représentent une part considérable de l’usage des hydrocarbures. Ils sont responsables de 24 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre liées à la combustion d’énergie 3 [7] (voir figure 1) et constituent donc un enjeu important. Cette fraction est plus importante dans les pays industrialisés, et en France en particulier (du fait de son faible niveau d’émission dans la production d’électricité) où elle est estimée à 38 % pour l’année 2016 [8].

L’électricité apparaît comme une alternative envisageable pour le véhicule terrestre. Mais, outre les difficultés propres à cette technologie (batteries, infrastructures de recharge), elle suppose une décarbonation des moyens de production d’électricité. Autrement, le problème n’est que déplacé : ce n’est pas la voiture en fonctionnement qui émet du CO2, mais la centrale électrique en amont (sans compter les émissions relatives au cycle de construction et recyclage des batteries). Ainsi, si un moteur diesel émet environ 130 grammes de CO2 par km, c’est 105 pour une voiture électrique alimentée par le mix électrique polonais et moins de 20 avec le mix électrique français [9]. Et qu’en est-il des transports maritimes et aériens où l’électrique n’est pas envisageable aujourd’hui ? (voir l’article d’Olivier Appert, « La transition énergétique dans le secteur des transports »).

Quant au charbon, il compte encore pour 27 % de l’énergie consommée dans le monde, mais intervient à hauteur de 44 % dans les émissions de CO2, le principal gaz à effet de serre généré par les activités humaines (voir figure 2).

Figure 2. Les émissions mondiales de CO2 par source d’énergie primaire [7].

Plus généralement, déterminer l’impact réel d’un mode de production d’énergie ou d’un usage donné n’est pas chose facile. Il faut prendre en compte l’ensemble du « cycle de vie » et des « externalités ». En d’autres termes, il faut intégrer dans l’analyse toutes les dimensions, de la conception au démantèlement, de l’extraction à l’éventuel recyclage, et calculer les effets induits pour la société (environnementaux, sanitaires, etc.). En mettant en œuvre ces analyses, on se rend compte que le débat est bien plus complexe qu’il en a l’air (voir encadré « Les métaux rares et la transition énergétique »). Ainsi, par exemple, les sources d’énergies renouvelables ne sont pas des « énergies gratuites » : elles impliquent, pour être exploitées, le recours à des ressources non renouvelables, parfois en de grandes quantités. Et elles nécessitent de l’énergie quand on considère l’ensemble du cycle de vie (construction des panneaux ou des éoliennes, recyclage, etc.).

Dès lors, il convient de s’interroger sur la quantité d’énergie nécessaire pour rassembler ou capter une énergie que la société pourra utiliser, et ce, quel que soit le mode de production considéré. Pour cela, la mesure de rendement EROI (de l’anglais Energy Return On Energy Invested) est un bon indicateur du potentiel de chacune des sources d’énergie (voir l’article de Jacques Treiner, « Combien d’énergie pour produire de l’énergie ? »).

L’électricité, les énergies renouvelables et le nucléaire

Au niveau mondial, la production d’électricité représente 42 % du total des émissions de CO2 dues à l’utilisation de combustibles (figure 1). Ce très haut niveau s’explique par le fait qu’elle repose surtout sur l’utilisation d’énergies fossiles, principalement le charbon (figure 3).

Dès lors, « décarboner » la production d’électricité apparaît comme un enjeu majeur (du moins dans les pays où elle n’est pas déjà largement décarbonée). Ceci d’autant plus que cette énergie est appelée en substitution pour d’autres usages (véhicules électriques en particulier). Mais par quoi peut-on remplacer les énergies fossiles ?

Figure 3. Répartition mondiale des sources de production d’électricité en 2016 [10].

La controverse est vive avec la mise en avant d’une opposition présentée comme radicale entre « énergies renouvelables » et « nucléaire ». Ainsi, des scénarios de production d’électricité « 100 % renouvelables » sont proposés. Quelles hypothèses font-ils ? Et quels sont leurs impacts réels ? Les principales sources d’énergies renouvelables considérées sont l’éolien et le solaire, des sources intermittentes au gré du vent et de la luminosité. Or l’électricité, aujourd’hui, ne se stocke pas bien (voir encadré) et le fonctionnement du système électrique est complexe et repose sur un équilibre entre production et consommation qui doit être assuré à chaque instant. Une intégration à des niveaux importants de sources intermittentes d’électricité pose de véritables défis technologiques qui ne sont pas encore bien résolus (voir l’article de Georges Sapy, « L’électricité intermittente met-elle en cause la stabilité des réseaux ? »).

Dès lors, les scénarios 100 % renouvelables font tous l’hypothèse d’une décroissance du niveau de consommation, avec des solutions qui méritent d’être explicitées et dont le réalisme technique et économique peut être questionné (voir les articles de Dominique Finon « Les conséquences d’un “tout renouvelable” pour la production d’électricité » et de Bertrand Cassoret, « Transition énergétique et réduction des consommations »). S’affranchir de cette hypothèse de décroissance suppose d’avoir recours à une certaine part de nucléaire, ou de mettre en œuvre à grande échelle des techniques de capture et de stockage du carbone (voir encadré).

Avec l’accident de Fukushima, trente-trois ans après celui de Tchernobyl, le recours à l’énergie nucléaire, pourtant fortement décarbonée, fait débat. Ce débat est légitime, mais il doit s’appuyer sur les faits, ce qui n’est malheureusement pas toujours le cas (voir l’article de Tristan Kamin, « Nucléaire : un débat qui doit écarter les mauvais arguments »).

La France a fait le choix, dans les années 1970, d’un programme d’électricité nucléaire. En 2018, sa production électrique a reposé à 72 % sur cette source d’énergie. Et avec l’hydro-électricité qui a pesé 12 %, elle présente une des productions électriques les moins émettrices de CO2 d’Europe (37 grammes par kWh) [11] – avec l’Islande qui bénéficie d’importantes sources hydrauliques et géothermiques, la Norvège et ses ressources hydrauliques et la Suède qui a également développé un important programme nucléaire et dispose d’un fort potentiel hydraulique 4. À l’inverse, l’Allemagne, malgré une production provenant à plus du tiers d’énergies renouvelables, émet 472 grammes de CO2 par kWh d’électricité produit. Ceci s’explique par la nécessaire présence d’une forte production à base de lignite et de charbon (25 %) ainsi que de gaz naturel et de pétrole (13 %) [12].

Les métaux rares et la transition énergétique

 « La transition énergétique va nécessiter la construction d’installations de production d’énergie beaucoup plus consommatrices d’espace, de matériaux de construction traditionnels (fer, béton, cuivre, etc.), et aussi de matériaux peu utilisés jusqu’ici, mais nécessaires à certaines des technologies dont beaucoup sont émergentes […]

Les technologies exploitées mobilisent du lithium, pour la technologie actuelle la plus performante de stockage chimique d’électricité (batteries), certaines terres rares comme le dysprosium, le néodyme et le samarium pour les moteurs et les génératrices électriques à aimants permanents utilisés dans les éoliennes et un nombre croissant de moteurs de véhicules, le tellure, l’indium, l’étain, l’argent, le gallium, le sélénium, le cadmium, pour les technologies en « couches minces » des panneaux solaires, le platine, l’iridium, le cobalt, le ruthénium, l’indium, l’or pour les différents types de catalyseurs (piles à combustible, électrolyseur pour la production d’hydrogène, biocarburants de différentes générations), le cuivre et l’acier pour les réseaux et les infrastructures, les sables très purs pour le verre, les sables et graviers pour les fondations et structures des éoliennes. Il est à noter que certains de ces éléments sont extrêmement toxiques (cadmium…) […]

Dans la période de transition entre l’industrie des hydrocarbures et du charbon et l’industrie sans émissions de gaz à effet de serre, le risque d’instabilité des cours des matières premières nécessaires à cette transition est élevé. Il existe un risque de monopoles de certains producteurs et un risque majeur d’exploitations minières insuffisamment maîtrisées avec des conséquences inacceptables pour l’environnement et la santé […]. La conclusion à en tirer n’est pas que cette transition est infaisable, mais plutôt qu’elle ne pourra être réalisée sans adaptation technologique ni sans modification significative de la chaîne d’approvisionnement. » « Stratégie d’utilisation des ressources du sous-sol pour la transition énergétique française. Les métaux rares ». Rapport commun de l’Académie des technologies et de l’Académie des sciences, mai 2018. Sur academie-sciences.fr

Les impacts sanitaires

La pénurie d’énergie est une cause majeure de risques sanitaires car l’énergie est à la base des infrastructures publiques et des systèmes sanitaires. Mais ce sont davantage les accidents liés à la production d’énergie qui attirent l’attention et suscitent les craintes. Produire de l’énergie ne va pas sans risque pour l’être humain. Les accidents nucléaires de Tchernobyl et de Fukushima ont marqué les esprits. Les nombreux accidents dans les mines de charbon (aujourd’hui principalement en Chine) ou les conflits autour de l’accès aux champs de pétrole semblent parfois plus lointains. Et comment prendre en compte des effets à venir, en termes de santé publique, du réchauffement climatique causé par la dispersion massive du dioxyde de carbone dans l’atmosphère ? Là aussi, il convient d’analyser rigoureusement les chiffres à notre disposition. Aucune énergie n’est totalement  «  propre  » et, loin des représentations caricaturales, le nucléaire apparaît comme une des sources d’énergie les moins dangereuses (voir l’article de Gérard Grunblatt « L’impact sur la santé des différentes sources de production d’énergie »).

La capture et le stockage du carbone

L’Agence internationale de l’énergie (IEA), dans son scénario cohérent avec l’accord de Paris (COP21, 2015), prévoit qu’en 2040, la part des énergies fossiles dans la consommation d’énergie primaire sera toujours de 60 %. Par conséquent, pour atteindre la « neutralité carbone », elle préconise l’usage de « puits de carbone » pour retirer du CO2 de l’atmosphère. Les puits les plus importants viendraient de l’agriculture et de la forêt. Mais le recours à la capture et au stockage du CO2 (CCS en anglais, pour Carbone Capture and Storage) sont indispensables. L’Agence indique qu’il faudrait passer de trente millions de tonnes stockées chaque année, aujourd’hui, à 2,3 milliards en 2040 [1]. Dans trois des quatre scénarios présents dans le résumé du GIEC « pour décideurs », la capture et le stockage du CO2 sont également inclus dans les projections (pour un volume allant de 348 milliards de tonnes à 1 218 milliards de tonnes en 2100) [2]. Les émissions mondiales de CO2 sont aujourd’hui de l’ordre de trente milliards de tonnes par an.

La capture et le stockage consistent à séparer le CO2 (principalement par combustion, liquéfaction ou capture chimique), le transporter et l’injecter dans des couches géologiques profondes. Ces techniques ne peuvent être mises en œuvre que pour des sites d’émission fixes (centrales au charbon, cimenteries…). Les véhicules fonctionnant au gaz ou au pétrole ne sont donc pas concernés. La capture n’est jamais complète et coûte de l’énergie. Il y a actuellement 18 installations en fonctionnement dans le monde. La plus ancienne (située à Sleipner en mer du Nord) est en exploitation depuis 1996 et stocke un million de tonnes de CO2 par an.

Les techniques sont connues et en grande partie maîtrisées. Mais elles font l’objet de controverses portant sur le coût de déploiement et les modalités de son financement, sur l’évaluation des capacités de stockage et l’acceptation par le grand public.

Références

1Agence internationale de l’énergie, “Carbon capture, utilisation and storage : a critical tool in the climate energy toolbox”. Sur iea.org

2GIEC, “Global warming of 1.5°C”, rapport du GIEC, résumé pour décideurs, 2018. Sur ipcc.ch

Énergie, climat et idéologie

La science du climat nous dit que la planète se réchauffe et que les activités humaines y ont un rôle majeur. Il s’agit là d’un consensus scientifique qui permet de comprendre la situation et les perspectives auxquelles nous sommes confrontés et qui éclaire les différents scénarios envisageables. Mais ce constat ne dicte pas ce que la société doit faire. Mettre comme point de départ à la discussion une posture particulière (sur le nucléaire, les renouvelables, la croissance, la décroissance ou l’agriculture) relève de l’idéologie. Restaurer les conditions d’un débat démocratique, c’est aussi séparer plus nettement l’état des connaissances et refuser qu’une conclusion particulière soit imposée « au nom de la science ».

Références

1 « L’accord de Paris », Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (CCNUCC). Sur unfccc.int

2 « La transition énergétique pour la croissance verte », mise à jour du 15 mai 2017. Sur le site du gouvernement français, gouvernement.fr

3 « Projet de stratégie nationale bas-carbone », version projet, ministère de la Transition écologique et solidaire, décembre 2018. Sur ecologique-solidaire.gouv.fr

4 Boiteux M, « Du muscle à l’atome », SPS n° 301, juillet 2012. Sur afis.org

5International Energy Agency, “Energy Access Outlook 2017”. Sur webstore.iea.org

6 GIEC, « Changements climatiques 2014 – Rapport de synthèse ». Sur ipcc.ch

7 Agence internationale de l’énergie, “CO2 Emissions from Fuel Combustion”, 2018. Sur webstore.iea.org

8 « Inventaire des émissions de polluants atmosphériques et de gaz à effet de serre en France », Citepa (Centre interprofessionnel technique d’étude de la pollution atmosphérique), 2017.Sur citepa.org

9 « Bilan carbone du véhicule électrique ». Sur le site de la Commission de régulation de l’énergie (CRE) dédié aux “Smart grids”, smartgrids-cre.fr

10 Agence internationale de l’énergie, “Electricity Information 2018 : Overview”. Sur webstore.iea.org

11 RTE, « Bilan électrique 2018 ». Sur rte-france.com

12 « Le paysage énergétique allemand en 2018 ». Sur allemagne-energies.com

Des sources de données d’accès facile

Voici plusieurs sources de données en libre accès relatives à l’énergie et disposant d’outils de consultation interactifs.

Énergie et climat

Le portail de données du Shift Project [1] propose des données sur le climat et l’énergie avec de nombreuses statistiques associées, par région ou par pays. L’Agence internationale de l’énergie propose également un accès facile à ses sources de données [2].

La production d’électricité

Plusieurs sites mettent à disposition en temps réel des informations relatives à la production d’électricité et aux émissions de CO2. Le projet Electricity Map [3] affiche ses résultats sur une carte interactive. Sont représentés : le mix de production instantané, la part des importations et des exportations et, surtout, le contenu carbone de chacun de ces éléments. Plus la couleur d’un pays tire vers le vert, moins sa production instantanée est « carbonée ». À l’inverse, une couleur marron ou noire signifie un fort contenu carbone. Les sources de données sont explicitées (pour la France, ce sont les données de RTE, le gestionnaire du système électrique).

À titre d’illustration, voici les données pour le dimanche 2 juin 2019 à 14 h 19. La fenêtre (1) détaille le mix de production en France. La fenêtre (2) celui de l’Allemagne. C’est une journée bien ensoleillée en France et en Allemagne. Mais malgré cela, l’intensité carbone en Allemagne reste de 131 grammes par kWh, malgré une très forte production solaire (47 % de l’électricité disponible). En France, elle est de 31 grammes par kWh, assez stable sur les 24 heures, alors qu’en Allemagne, elle est montée jusqu’au-dessus de 200 grammes par kWh le soir et la nuit du 1er au 2 juin – fenêtre (3).

Pour la France, RTE propose son propre site avec des données détaillées par source de production et par région (application Eco2mix) [4].

Références

1 tsp-data-portal.org

2 iea.org/statistic

3 electricitymap.org

4 rte-france.com

1 Un projet de loi est en préparation et devrait être voté à l’été 2019. Outre la « neutralité carbone », il confirme la réduction de la part du nucléaire à 50 % (contre 72 % aujourd’hui) mais en repousse l’échéance à 2035, prévoit la fermeture des dernières centrales à charbon en 2022 et fixe l’objectif d’au moins 40 % de réduction de la consommation d’énergies fossiles (toutes sources confondues) d’ici à 2030 (par rapport au niveau de 2012).

2 Ainsi, la Chine a-t-elle vu ses émissions de CO2liées à l’utilisation de combustibles multipliées par trois entre 2000 et 2013 [7] pour représenter un quart des émissions mondiales (devant les États-Unis, 16,5 % et l’Inde, 6,3 %). Pour autant, avec 7,5 tonnes par habitant et par an, ce pays est encore loin derrière les États-Unis (16,5 tonnes) et juste derrière l’Allemagne (8,5 tonnes). La France est, quant à elle, à 4,6 tonnes par habitant (données 2014 de la Banque mondiale, data.worldbank.org).

3 Et 14 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, toutes sources confondues [6].

4 Le mix énergétique doit être adapté aux caractéristiques propres à chaque pays : si le 100 % renouvelable est aujourd’hui possible en Islande ou en Norvège, c’est du fait d’une configuration géologique et hydraulique spécifique.