Perspectives énergétiques

Perspectives énergétiques

Christian Ngô

Énergie : toujours plus

Il est intéressant de revenir dans le passé et de comparer la consommation énergétique d’un Français d’aujourd’hui avec celle d’un Français d’il y a 200 ans. Il consommait, à cette époque, en moyenne 14 fois moins d’énergie que maintenant, ce qui correspond à un taux de croissance moyen de 1,3%/an. Comme, en 200 ans, la population française a à peu près doublé, la consommation de notre pays a été multipliée par un facteur 28 au total, soit un taux de croissance moyen de 1,75%/an, ce qui est inférieur à ce que l’on observe actuellement au niveau de la planète. L’utilisation massive de l’énergie a permis d’augmenter considérablement notre niveau de vie et, par voie de conséquence, notre espérance de vie. Celle-ci, inférieure à 30 ans avant la Révolution française, est passée à environ 50 ans au début du XXe siècle avant d’atteindre, en 2005, 80 ans. Un Français gagne actuellement environ un trimestre de vie tous les quatre ans. Parallèlement, l’utilisation massive de l’énergie a permis d’accroître fortement la richesse des Français. Pour donner quelques estimations, il a fallu plus de 400 ans, entre 1400 et 1820, pour qu’un Français soit deux fois plus riche alors qu’entre 1950 et 2000, ses richesses ont été multipliées par un facteur 4.
Si l’accès à l’énergie est actuellement facile dans les pays développés, car le prix de l’énergie est faible comparé au niveau de vie, il l’est beaucoup moins pour la majorité de la population mondiale. Sur les 6 milliards d’habitants qui peuplent notre planète, près du tiers n’ont pas encore accès à l’électricité et 2,8 milliards vivent avec moins de 2 dollars par jour. On constate malheureusement que l’espérance de vie dans les pays les plus pauvres est très inférieure à la nôtre et qu’elle dépasse à peine plus 35 ans pour certains d’entre eux. Il y a donc de fortes inégalités au niveau de la planète.
En 1900, la consommation d’énergie primaire, c’est-à-dire avant transformation, était de 1 Gtep . En 2000, elle était d’environ 10 Gtep. Ainsi, en 2000, on a consommé 9 Gtep de plus qu’en 1900. Ceci correspond à un taux de croissance moyen de 2,35% par an. Les économistes prévoient, au niveau de la planète, une croissance moyenne de la consommation d’énergie de l’ordre de 2 à 2,5% par an. Un chiffre de 2% conduirait à multiplier la consommation d’énergie totale par 2,7 en 50 ans et par 7,2 en 100 ans. Bien que ces pourcentages paraissent faibles, la valeur absolue de la consommation d’énergie extrapolée à partir de nos connaissances actuelles est en revanche terriblement inquiétante. En effet, si l’on prend l’hypothèse basse de 2% avancée par les économistes, cela fait une consommation de 72 Gtep en 2100, soit 62 Gtep par année de plus qu’aujourd’hui. Or, les réserves de pétrole sont actuellement estimées à environ 140 Gt. Une telle croissance est insoutenable pour la planète dans le modèle énergétique actuel. Les cinquante prochaines années seront les plus difficiles à passer car la mise en place de nouveaux moyens énergétiques se fait sur une échelle de temps qui se chiffrent en décennies. Il faut donc s’y préparer dès maintenant sous peine d’avoir à gérer la pénurie avec le risque de conséquences économiques et politiques graves.
La population mondiale est passée de 1 milliard d’habitants en 1820, à 2 milliards en 1925 et 6 milliards en 2000. Tous les jours il y a 200 000 habitants de plus sur notre planète, donc de nouveaux consommateurs d’énergie. D’autre part, une grande partie de la population mondiale est en émergence ou en voie de développement. L’augmentation de leur niveau de vie ne peut se faire qu’en accroissant leur consommation énergétique. Ces deux facteurs, l’augmentation de la population mondiale et l’accroissement du niveau de vie des pays en développement, ont pour conséquence une augmentation de la consommation énergétique que l’on estime à 2-2,5% par an. Par ailleurs, on assiste aussi à une concentration de la population dans les villes. D’ici à une vingtaine d’années, 70 à 75% de la population devraient se trouver dans celles-ci et cette proportion pourrait même atteindre 85% dans les pays développés. Cette situation nécessite de disposer de grandes puissances.
La consommation d’énergie primaire commerciale et non commerciale est actuellement d’environ 10 Gtep par an. Si c’était exclusivement du pétrole, cela représenterait un réservoir d’une hauteur de 120 m dont la superficie serait celle de la ville de Paris (à l’intérieur du périphérique).

L’énergie et l’homme

Il est intéressant d’évaluer l’énergie que consomme un être humain pour se nourrir en la comparant aux énergies mises en jeu dans la vie courante. L’homme a besoin d’environ 2,7 kWh/jour . Cela représente à peu près l’énergie d’une lampe de 100 W allumée jour et nuit. À titre de comparaison, un cheval a besoin de 30 kWh/jour pour vivre. La grossesse est le processus qui consomme le plus d’énergie chez la femme avec environ 90 kWh répartis sur 9 mois. Or, 90 kWh, c’est à peu près l’énergie contenue dans la quantité d’essence nécessaire pour faire 100 km en voiture. La quantité d’énergie par habitant que l’on consomme en France incluant l’électricité, la chaleur, le transport, la fabrication de produits manufacturés… est de l’ordre de 150 kWh/jour, soit plus de 50 fois l’énergie d’un être humain.
La nourriture représentait l’essentiel de la consommation énergétique d’un homme préhistorique. Puis, peu à peu, d’autres usages sont apparus : l’agriculture, les transports et l’industrie si bien que la nourriture ne représente maintenant qu’une faible part énergétique de nos besoins qui n’est d’ailleurs pas comptabilisée dans le bilan énergétique total. Si l’on convertit la consommation de nourriture de la planète en énergie, on trouve de l’ordre de 500 à 600 Mtep, soit 5-6% de la consommation mondiale d’énergie primaire.

Les sources d’énergie

Les principales sources d’énergie utilisées par l’homme sont les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz), les énergies renouvelables (hydraulique, solaire, éolien, géothermie, biomasse) et l’énergie nucléaire. Les combustibles fossiles et l’uranium, pour le nucléaire, sont en quantités finies sur la terre, donc épuisables. Les énergies renouvelables existeront tant que le soleil existera, c’est-à-dire encore 5 milliards d’années. Elles ont été les sources d’énergie les plus utilisées par l’homme puisqu’il les a exploitées pendant 500 000 ans, c’est-à-dire depuis qu’il a découvert le feu. Bien qu’inépuisables, leur flux peut être limité. On peut comparer les combustibles fossiles à un héritage et les énergies renouvelables à un salaire. On peut dilapider plus ou moins vite un héritage mais un salaire peut n’être également pas suffisant pour satisfaire nos besoins. La biomasse ne doit être considérée comme une énergie renouvelable que si l’on replante ce que l’on a récolté. Sinon c’est comme pour le pétrole, on dilapide ce qu’il y a sur la terre.
Notre monde est dominé par les combustibles fossiles qui représentent environ 80% de l’énergie primaire consommée. Cette proportion est encore plus forte si l’on se limite au secteur commercial. Cette domination des combustibles fossiles montre la fragilité de notre civilisation qui dépend de ressources limitées, que nous épuisons rapidement, et dont l’approvisionnement peut se révéler incertain lors de crises politiques internationales.

Des nuages à l’horizon

Actuellement l’énergie est peu chère et abondante. Le prix coûtant d’un baril de pétrole extrait d’Arabie Saoudite est de l’ordre de 3 à 4 dollars et il faut environ 1 dollar pour le transporter en Europe. Il se profile toutefois deux sérieux problèmes à l’horizon. Le premier est l’accroissement de l’effet de serre dû aux activités humaines, dont en particulier l’utilisation des combustibles fossiles. Le second est la raréfaction progressive du pétrole et le fait que cette ressource est inégalement répartie sur la planète. Ce dernier point conduit à des perturbations de l’économie.
L’effet de serre est indispensable à la planète car s’il n’existait pas, la température moyenne de la terre serait de -18°C et l’eau serait sous forme de glace. Grâce à l’effet de serre naturel, elle est de +15°C. Toutefois, l’homme émet certains gaz en quantité suffisante pour accroître artificiellement cet effet de serre. L’augmentation est faible : de l’ordre de 1% depuis le début de l’ère préindustrielle, mais suffisante pour que la température moyenne ait augmenté d’environ 0,6°C. Les principaux gaz responsables sont le CO2, le CH4, le NOx et les halons. Le CO2 est responsable pour 60% de cet effet de serre, mais tous les gaz n’ont pas le même pouvoir réchauffant. Ainsi, à l’échelle de 100 ans, le CH4 est 23 fois plus réchauffant que le CO2. L’eau est aussi un puissant gaz à effet de serre mais les quantités de vapeur d’eau rejetées par les activités humaines n’ont aucune influence sur l’effet de serre. L’eau ne reste d’ailleurs pas longtemps dans l’atmosphère et retombe vite sous forme de pluie ou de neige sur le sol ou dans les océans.
Les combustibles fossiles rejettent tous du gaz carbonique lors de leur combustion. Toutefois, plus ils contiennent de l’hydrogène, moins ils en rejettent. Le charbon rejette ainsi plus de CO2 par kWh produit que le pétrole qui en rejette lui-même plus que le gaz. Pour un même combustible fossile, on peut aussi rejeter des quantités différentes de CO2 selon la technologie utilisée. Le gaz naturel est particulièrement intéressant car, avec les turbines à cycle combiné, on peut atteindre des rendements supérieurs à 50% alors que les centrales classiques ont plutôt des rendements de l’ordre de 35%.
Les ordres de grandeur (avec toutefois de grandes disparités pour une même source suivant la technologie) pour produire 1 kWh électrique sont : 1000 g de CO2 pour le charbon, 750 g pour le pétrole et 500 g pour le gaz. Les émissions annuelles de CO2 par habitant sont de 19 tonnes pour un habitant des États-Unis, de 12 tonnes pour un Allemand et de 6,6 tonnes pour un Français. Un Français émet donc 1,8 fois moins de CO2 qu’un Allemand et 2,9 fois moins qu’un Américain. Ceci provient de ce que la France produit 90% de son électricité grâce à l’hydraulique et au nucléaire, c’est-à-dire sans émettre de gaz à effet de serre.
Les quantités de CO2 émises sont considérables. Une voiture, par exemple, émet environ 200 g de CO2/km. Pour une distance parcourue de 15 000 km/an, cela fait 3 tonnes de CO2. Un être humain, avec sa respiration, rejette environ 500 kg de CO2/an.
Si l’on veut réduire les émissions de CO2, tout en utilisant les combustibles fossiles qui sont indispensables à notre civilisation, on peut penser séquestrer ce gaz lors de sa production dans les installations centralisées. Ce sujet fait l’objet de recherches et doit être traité en tenant compte notamment des aspects de sécurité. Avec les installations actuelles, il faut s’attendre à une diminution de rendement qui peut atteindre 15 à 20% pour séparer le CO2 des autres gaz car cela demande de l’énergie. De nouvelles technologies sont plus performantes mais s’appliquent à de nouvelles installations. Comme la séquestration ne se fera pas, dans la majeure partie des cas, sur le lieu d’utilisation, il faudra prévoir un réseau de transport du CO2.

Les combustibles fossiles

Parmi les combustibles fossiles, le charbon est le plus abondant puisque ses réserves atteignent plus de deux siècles au rythme de la consommation actuelle. C’est une source d’énergie abondamment utilisée dans le monde et, en particulier, la plus utilisée pour produire de l’électricité. Son inconvénient est d’être le combustible fossile le plus polluant à l’utilisation car il émet, en plus du gaz carbonique, des poussières, du gaz sulfureux, etc. En désulfurant le charbon, on réduit la production de SO2, donc les pluies acides. Toutefois cela demande de l’énergie et diminue donc le rendement global. Le charbon est un produit naturel et, comme tel, il est radioactif. Il contient en particulier de l’uranium et du thorium. En termes de dose de radioactivité reçue par la population, il est paradoxal de noter que celle émise par une centrale à charbon est en moyenne 100 fois plus importante que celle émise par une centrale nucléaire.
Le pétrole est l’énergie la plus commode et c’est ce qui explique son développement fulgurant. C’est un liquide à haute densité énergétique, puisqu’un litre de pétrole contient environ 10 kWh, qui se transporte facilement. Lorsque l’on utilise 1 kWh de pétrole, on est parti d’au plus 1,1 kWh alors que bien d’autres sources d’énergie ont des rendements beaucoup plus faibles. On perd ainsi moins de 10% de l’énergie dans les opérations de récupération, transport, raffinage, etc.
L’utilisation du gaz est en pleine expansion. Cette ressource, longtemps insuffisamment exploitée, est de plus en plus utilisée aujourd’hui. L’introduction de la technologie des turbines à cycle combiné a permis d’atteindre des rendements supérieurs à 50%. Son prix suit celui du pétrole avec un certain retard. C’est la seule alternative à l’énergie nucléaire mais les montées récentes de son prix altèrent sa compétitivité économique. La mise en place d’une taxe carbone, pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre, serait un fort handicap en termes de du prix.
La question clef est de savoir quand la production de pétrole bon marché, c’est-à-dire celui que l’on utilise actuellement, déclinera. Pour répondre à cette question, on peut utiliser l’idée suivante, introduite avec succès par King Hubbert, en 1956. Lorsque l’on exploite une ressource, la courbe de production suit une courbe en cloche. On atteint le maximum lorsque l’on a exploité la moitié de la ressource. En étudiant la production des États-Unis, King Hubbert avait prédit, dès 1956, que leur production pétrolière déclinerait en 1969. La prédiction était presque exacte puisque le maximum a été atteint en 1970. En généralisant ce modèle à la production mondiale, on trouve que le maximum devrait être bientôt atteint. Il y a toutefois des incertitudes, réelles ou politiques, concernant la connaissance des réserves et même celle des ressources connues en place. Les pessimistes pensent que le maximum devrait être atteint vers 2010 alors que les optimistes pensent que ce sera plutôt vers 2030-2040. Dans tous les cas, c’est demain et il y a lieu de s’inquiéter. Certains diront que les réserves ont, par le passé, été régulièrement réévaluées à la hausse. C’était vrai avant les années 1980 car on découvrait chaque année plus de pétrole que ce que l’on consommait. Depuis cette période ce n’est plus le cas et l’on découvre chaque année moins que ce que l’on consomme. On calcule souvent une durée restante du pétrole, ou d’autres combustibles fossiles, en divisant les réserves, de l’ordre de 140 Gt pour le pétrole, par la consommation actuelle. Cela donnerait environ une quarantaine d’années. Cela ne signifie toutefois pas que dans quarante ans il n’y aura plus de pétrole. En fait, il y en aura encore à la fin du siècle mais pas au même prix que maintenant. Les spécialistes pensent que la production sera la même que maintenant en 2050, c’est-à-dire de l’ordre de 3,5 Gtep. Or, les besoins auront à cette époque doublé ou plus, ce qui signifie que nous aurons un déficit d’énergie.
Les réserves de gaz sont du même ordre de grandeur que celles du pétrole. Comme on consomme moins de gaz par an que de pétrole, il reste beaucoup plus d’années de consommation (presque 70 ans) mais celles-ci pourraient rapidement diminuer si l’on consommait beaucoup plus de gaz que maintenant. Grâce à la technologie, il n’y a plus de différence de fond entre le gaz, le charbon ou la biomasse. On peut en effet transformer ces derniers en pétrole.
La question des réserves et de leur localisation géographique est importante. Les réserves de pétrole sont essentiellement au Moyen-Orient. Les pays possédant les plus grandes réserves sont, dans l’ordre : l’Arabie Saoudite, l’Irak et le Koweït. Pour le gaz, les pays de l’ex-URSS sont les premiers en termes de réserve suivis de l’Iran. Enfin, pour le charbon, les plus grandes réserves existent dans les pays de l’ex-URSS et les États-Unis sont en seconde position. La Chine, L’Allemagne et la Pologne sont, respectivement, en positions 3, 5 et 8 en termes de réserves, ce qui explique leur politique énergétique. La localisation des réserves permet de comprendre certains aspects de la politique mondiale actuelle.

Les énergies renouvelables

Les énergies renouvelables ont été utilisées depuis que l’homme a découvert le feu, c’est-à-dire environ 500 000 ans. Elles ont l’inconvénient, pour beaucoup d’entre elles, d’être intermittentes et diluées.
La grande hydraulique est particulièrement rentable et c’est l’énergie qu’un pays doit développer en premier pour produire de l’électricité si cette ressource est disponible. En France, l’hydraulique produisait, en 1960, 56% de l’électricité du pays. Comme il y a une concentration naturelle de l’énergie par le sol, les ruisseaux et les rivières, on peut atteindre des puissances considérables. En Chine, le projet du barrage des Trois Gorges a une puissance de 18 GW, soit l’équivalent de 18 centrales nucléaires de 1 GWe (1 GWe est 1 GW électrique). Mais le réservoir de retenue a une taille gigantesque : 640 km de long, 2 km de large et 185 m de profondeur.
La grande hydraulique est complètement exploitée en France. Il reste encore des possibilités au niveau de la petite hydraulique (inférieure à 10 MW) mais le prix du kWh est environ 2 fois plus élevé.
La France a la plus grande usine marémotrice du monde, celle de La Rance, dont la puissance est de 240 MW. Comparée à l’hydraulique traditionnelle, une usine marémotrice est de 2 à 3 fois moins efficace. Les autres énergies des mers exploitables sont l’énergie des vagues, des courants, l’énergie thermique… Il y a, en France, un potentiel intéressant pour l’énergie des vagues et pour celle des courants (que l’on pourrait exploiter avec des hydroliennes). Ceci mériterait plus d’attention.
On peut utiliser l’énergie solaire grâce à une architecture adaptée. Dans nos régions, une maison convenablement orientée peut ainsi économiser jusqu’au tiers de la consommation énergétique. Dans les pays chauds, une bonne architecture permet de diminuer les besoins en climatisation, voire de s’en passer. Or, la climatisation consomme beaucoup plus d’énergie que le chauffage pour la même variation absolue de température.
Les chauffe-eau solaires permettent de facilement récupérer la chaleur du soleil. Ils peuvent être utilisés pour produire de l’eau chaude sanitaire ou fournir de la chaleur à des planchers chauffants. Le solaire thermique n’est malheureusement pas assez exploité en France. Des centrales solaires utilisant des miroirs pour concentrer l’énergie du soleil permettent d’atteindre des températures qui peuvent dépasser 1 000°C et de produire de l’électricité. La France avait une centrale expérimentale de 2,5 MW de ce type à Font-Romeu (Thémis) mais ce n’était pas économiquement compétitif car notre pays n’est pas assez ensoleillé. Des centrales solaires sont exploitées industriellement dans le monde, en Californie par exemple.
Les cellules photovoltaïques permettent de transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Si l’accès au rayonnement solaire est gratuit, sa récupération par ce moyen est pour le moment très coûteuse. Les systèmes qui ne produisent que de l’électricité, dont on réinjecte éventuellement l’excédent dans le réseau électrique, produisent un kWh à un prix de l’ordre de 45 centimes d’euro alors qu’on peut le produire à 3 centimes d’euro avec les moyens standard (gaz ou nucléaire). Cette solution n’est donc intéressante que pour des niches de marché comme les sites isolés où les frais de raccordement au réseau ne pourront jamais être amortis. Le photovoltaïque est en revanche très intéressant dans les pays en développement à faible densité de population, comme en Afrique, par exemple. Il doit dans ce cas être autonome et pouvoir fournir de l’énergie la nuit. Il faut pour cela associer aux cellules photovoltaïques une batterie pour stocker l’excédent d’énergie produite le jour pour pouvoir en disposer la nuit. Le coût des moyens de stockage est élevé, ce qui conduit à un prix du kWh de l’ordre de 1,5 euro. Bien que très élevé, ce prix est du même ordre de grandeur que celui obtenu à partir d’un groupe électrogène et beaucoup moins cher que celui fourni par des piles, qui peut facilement dépasser plusieurs centaines d’euros. C’est donc une solution très intéressante pour répondre à la demande électrique des pays à réseau électrique souvent inexistant, où les besoins sont encore modestes. Les cellules photovoltaïques que l’on trouve sur le marché sont en silicium cristallin, polycristallin ou amorphe. Pour les deux premiers types, le rendement varie entre 13 et 18%. Il est de 7 à 8% pour le silicium amorphe. La quantité d’énergie que l’on peut produire avec des dispositifs photovoltaïques est de l’ordre de 100 à 150 kWh/m2/an.
Lorsque l’on utilise une source d’énergie, il faut toujours évaluer le bilan énergétique global, c’est-à-dire l’énergie qu’il a fallu dépenser par rapport à celle que l’on va récupérer. Il faut beaucoup d’énergie pour fabriquer des cellules photovoltaïques et, pendant les 4 à 5premières années, l’énergie récupérée ne fait que rembourser l’énergie que l’on a utilisée pour leur fabrication. Comme leur durée de vie est de l’ordre d’une trentaine d’années, le bilan est néanmoins positif. Avec un dispositif autonome, incluant des moyens de stockage, le bilan est moins bon. Selon la qualité des batteries utilisées, on peut compenser ou non l’énergie qu’il a fallu pour fabriquer celles-ci. En effet, la durée de vie d’une batterie dépend beaucoup de sa qualité. Elle va de quelques années à une dizaine d’années.
Le grand éolien est en plein développement. Le prix du kWh produit est 2 à 3 fois plus cher que le kWh standard. Là où il est installé, il faut souvent renforcer le réseau ou en construire un car les puissances à évacuer sont importantes. Le bilan de l’éolien, en Allemagne, est moins bon que prévu. Ainsi, en 2003, pour une puissance installée de 14 345 MW, il a été produit 18,6 TWh, soit moins de 15% de ce que l’on obtiendrait si l’éolienne fonctionnait à sa puissance nominale.
L’impact sur les émissions de gaz à effet de serre d’une installation d’éoliennes dépend fortement du contexte. Si, en France, on remplaçait un réacteur nucléaire par des éoliennes (2500 éoliennes de 1,5 MW), il faudrait aussi installer une centrale à gaz en complément pour fournir de l’électricité quand il n’y a pas de vent. Si l’on prend un taux de fonctionnement de 30% pour les éoliennes, cela veut dire que l’on passe d’un moyen de production de l’électricité sans émission de gaz à effet de serre, à un système qui en émet pendant 70% du temps, i.e. pendant le fonctionnement de la centrale à gaz. On émet donc plus de gaz à effet de serre que dans la situation précédente. Au Danemark, où l’on produit de l’électricité avec des centrales à charbon, il est en revanche intéressant d’utiliser des éoliennes. En effet, pendant que ces dernières fonctionnent, il n’y a pas d’émission de gaz à effet de serre. On gagne donc 30% de la pollution initiale. On voit donc qu’avec cette solution, la France émettrait plus de gaz à effet de serre alors que le Danemark en émettrait moins.
L’éolien off shore se développe actuellement mais il est plus coûteux et nécessite des technologies spéciales, notamment pour les problèmes de corrosion. Il bénéficie du fait que les vents sont plus forts et plus réguliers en mer que sur terre.
La géothermie est une énergie d’avenir, même si son exploitation actuelle est encore faible. En effet, 99% de notre planète est à une température supérieure à 200°C. La production mondiale en 2000 a été de 47,3 TWh, soit l’équivalent de six réacteurs nucléaires. La géothermie profonde à haute température a de grandes potentialités. L’exploitation de la chaleur géothermique, avec des pompes à chaleur, devrait être une solution à fortement développer en France. La biomasse permet de stocker l’énergie solaire tout en consommant du CO2. Le bilan vis-à-vis de l’effet de serre est donc intéressant. Le bois et la biomasse en général sont, à masse égale, environ 3 fois moins énergétiques que le pétrole.
La biomasse permet aussi de produire des biocarburants. Ceux-ci sont des amplificateurs d’énergie. Avec un litre de pétrole (engins agricoles, transports, engrais, traitement…) on peut en produire deux de bioéthanol et trois d’ester de Colza. En hydrogénant la biomasse, ce qui demande un apport externe d’hydrogène, donc d’énergie, avant de réaliser la synthèse de carburant par Fischer-Tropsch, on peut pratiquement produire deux fois plus de biocarburants par hectare que par la voie classique. Cette voie peut s’avérer très importante pour notre pays.
Les déchets organiques (fiente de volaille, excréments de porcs…) sont très utilisés dans certains pays en voie de développement. Dans les sociétés occidentales, on tire de l’énergie à partir des déchets (méthanisation, incinération…).
Bien que l’on parle beaucoup d’éolien, de solaire, etc., les énergies renouvelables sont très largement dominées par l’hydraulique pour la production d’électricité et par la biomasse pour la production de chaleur. Ceci est vrai pour ce qui concerne la France.

La chaleur basse température

L’utilisation thermique de l’énergie peut se faire sous forme de chaleur (température supérieure à la température ambiante) ou de froid (inférieure à la température ambiante). Les quantités utilisées sont considérables. Ainsi, les besoins de chauffage pour le résidentiel et le tertiaire représentent, en France, environ 60 Mtep pour une consommation d’énergie primaire totale de l’ordre de 260 Mtep. À titre de comparaison, les transports représentent environ 50 Gtep.
Le transport de la chaleur à des températures intéressantes pour l’utilisation se fait actuellement sur des distances faibles ou moyennes, ce qui réduit considérablement la possibilité de récupération des rejets thermiques. Or, ceux-ci sont importants. Par exemple, une centrale nucléaire qui a une puissance électrique de 1 000 MW produit de l’ordre de 7 TWh dans l’année et rejette le double (14 TWh) en chaleur.
Il existe un potentiel important issu de sources à basse température, i.e. dont la température est insuffisante pour une utilisation directe. Cela peut être de l’eau à 30°C par exemple issue d’une source de chaleur située à grande distance (centrales nucléaires, installations industrielles…). Les rejets de ce type représentent environ 80 Mtep/an en France, dont on pourrait sans doute récupérer 20 Mtep grâce à des pompes à chaleur. Une pompe à chaleur est un amplificateur d’énergie qui permet, en consommant 1 kWh d’électricité, de produire jusqu’à 3 à 4 kWh de chaleur à partir d’une source froide, que l’on refroidit d’une quinzaine de degrés, et de porter une eau à environ 60°C. Ce type de fonctionnement, avec une source froide, est utilisé par la ville de Stockholm qui produit ainsi 60% de sa consommation de chaleur à partir de la mer Baltique.
Outre les rejets de chaleur dus aux activités humaines, il est aussi possible d’utiliser les pompes à chaleur pour tirer de l’énergie des ressources naturelles (eau des mers, lacs, rivières) ou du sol… C’est aujourd’hui l’usage le plus répandu. L’utilisation à grande échelle de chaleur à basse température nécessiterait la construction de réseaux de chaleur, donc de gros investissements. Ceux-ci se révèleront peut-être nécessaires lorsque les combustibles fossiles seront plus rares.

L’énergie nucléaire

Les réactions chimiques élémentaires libèrent des énergies qui se chiffrent en eV, les réactions nucléaires en MeV. Pour une même masse, l’énergie nucléaire libère environ un million de fois plus d’énergie que les énergies chimiques. La masse des déchets produits est aussi réduite dans cet ordre de grandeur. Ainsi, la fission totale d’un gramme de matière fissile libère 24 000 kWh alors que la combustion d’un gramme de pétrole produit 0,015 kWh.
Le nucléaire permet de produire de l’électricité peu chère, à un prix stable de temps, tout en n’émettant pas de gaz à effet de serre en fonctionnement. Toutefois, avec la technologie des réacteurs à neutrons lents actuels, les réserves sont limitées à environ une centaine d’années. Plusieurs types de réacteurs existent mais la technologie la plus utilisée est celle des réacteurs à eau (80%). On a, pour ceux-ci, un excellent retour d’expérience, équivalent à 10 000 ans.
Le nucléaire du futur sera fondé sur les réacteurs à neutrons rapides dont Superphénix était un prototype, mais il existe plusieurs autres technologies possibles. Les réacteurs à neutrons rapides peuvent utiliser l’235U, comme les réacteurs à neutrons lents, mais aussi valoriser l’238U qui est présent à 99,3% dans l’uranium naturel. De ce fait, les réserves énergétiques, avec cette technologie, se chiffrent en dizaines de milliers d’années. On peut illustrer ceci avec l’exemple suivant. Un réacteur à eau sous pression de 1400 MW (de type N4) fonctionnant pendant 40 ans produit 7 000 tonnes d’uranium appauvri, 1000 tonnes d’uranium de retraitement, 11 tonnes de Pu. Des réacteurs rapides utilisant ces matières peuvent fournir cette puissance pendant presque 8 000 ans si tout est utilisé. En tout état de cause, il y a pour plus de 5000 ans d’énergie.
Le fait que le prix du kWh produit dépende peu du prix de l’uranium naturel favorise la technologie actuelle pour encore quelques décennies. En effet, si l’on multiplie par dix le prix de l’uranium naturel, le prix du kWh augmente de moins de 40%. À titre de comparaison, une multiplication par dix du prix du gaz conduit à une multiplication par sept du prix du kWh produit par une centrale à gaz. Les réacteurs à neutrons rapides seront économiquement intéressants dans la plage 2050-2075. Comme la durée de vie des nouvelles centrales à neutrons lents est prévue pour être comprise entre 40 et 60 ans, les réacteurs nucléaires qui seront remplacés entre les années 2020 et 2040 fonctionneront pratiquement jusqu’à la fin du siècle.
L’énergie nucléaire engendre des déchets : 1 kg de déchets par personne et par an. Parmi ceux-ci, 10 g ont une vie longue dont on doit particulièrement se préoccuper. À titre de comparaison, on produit, en France, environ 2 500 tonnes de déchets industriels par personne, dont 100 kg de déchets toxiques. Il existe des solutions scientifiques et technologiques au problème des déchets nucléaires mais pas encore de choix politique quant à la solution à adopter. Toutefois, il n’y a pas urgence car, comme l’activité des déchets diminue au cours du temps, il faut, de toute manière attendre avant de s’en occuper de manière définitive.

La fusion thermonucléaire

On peut récupérer de l’énergie, soit en cassant un gros noyau en deux, comme l’uranium, soit en fusionnant deux noyaux légers, comme le deutérium (d) et le tritium (t). Dans le premier cas, il s’agit d’énergie nucléaire de fission, dans le second de fusion thermonucléaire. L’énergie dégagée lors de la fusion est considérable et les déchets produits sont à plus courte vie que ceux de fission. La fusion thermonucléaire (d+t) est au stade de la recherche et le projet international ITER est une étape vers la maîtrise du processus de fusion pour produire de l’énergie. Dans l’état actuel des recherches, on ne peut donc espérer pouvoir produire industriellement de l’électricité par la fusion (d+t) avant le siècle prochain. À ce stade, il faudra comparer le prix du kWh de fusion avec celui des autres sources, dont la fission.
Le deutérium existe en quantités suffisantes pour donner de l’énergie à l’humanité jusqu’à ce que la terre disparaisse (5 milliards d’années). Le tritium doit être fabriqué à partir du 6Li (lithium). Mais, il n’y a que quelques milliers d’années de réserves de 6Li à un prix économiquement acceptable. On est donc loin d’une source d’énergie inépuisable à l’échelle de la durée de vie de la terre. Pour avoir une énergie inépuisable à cette échelle de temps, il faudra maîtriser la fusion (d+d) mais le problème est encore plus difficile.

La maîtrise de l’énergie

L’énergie la plus propre est celle que l’on ne consomme pas. Les économies ne dépendent pas que de la technologie, elles sont aussi liées à l’éducation, au mode de vie, aux pressions de la société… Ainsi, le simple fait d’utiliser en ville un 4×4 plutôt qu’une petite voiture a des conséquences directes sur la consommation d’énergie et la pollution. La mise en veille d’une télévision peut conduire, selon le modèle et l’utilisation, à une consommation totale plus grande en veille qu’en fonctionnement.
Une meilleure utilisation de l’énergie dont on dispose et des économies sont indispensables dans les pays développés. Nous pourrions diminuer notre consommation de 30 à 40% sans pour autant changer notre niveau de vie. Ceci n’est en revanche pas vrai dans les pays en voie de développement qui sont, pour la plupart, au-dessous du seuil de pauvreté énergétique. Or, cette population est majoritaire sur la planète.

Les transports

Les transports sont le prochain défi car le pétrole est indispensable à ce secteur dont la croissance est très forte. Il faut pour la France environ 50 millions de tonnes de pétrole par an pour les transports. Ceci représente ce qui est contenu dans 1 700 Erika (navire de 30 000 tonnes) ou 217 Amoco Cadiz (navire de 230 000 tonnes).
À court et moyen termes, la solution sera très probablement le véhicule hybride, associant un moteur thermique à un moteur électrique couplé à une batterie. À plus long terme, on peut penser à l’hydrogène associé aux piles à combustible, mais il y a de grandes incertitudes. La question qui se pose alors est : comment produire le carburant et avec quelle énergie ?

Hydrogène et piles à combustible

Concernant la pile à combustible, il reste de nombreux problèmes. Tout d’abord le prix qui est plus de 100 fois supérieur à celui d’un moteur thermique. Le catalyseur utilisé actuellement est le platine. Équiper toutes les voitures du monde actuellement en circulation demanderait une quantité de platine égale à 280 fois la production mondiale actuelle. Il y a aussi d’autres problèmes à résoudre, tel celui de la fiabilité, encore largement insuffisante. L’évacuation de la chaleur produite par la pile à combustible, dont le rendement est d’environ 50%, n’est pas un problème facile dans le cas d’un véhicule particulier car la chaleur créée n’est pas à très haute température.
Pour fabriquer l’hydrogène sans produire de gaz à effet de serre, il faut utiliser l’énergie nucléaire ou les énergies renouvelables. L’électrolyse de l’eau demanderait environ 450 TWh pour les transports en France. Pour produire cette quantité d’électricité il faudrait construire soixante réacteurs nucléaires de 1 GW ou 180 000 éoliennes de 1,5 MW. Sachant que l’on peut fabriquer de l’essence à partir du charbon pour environ 40 dollars le baril, on voit que l’hydrogène produit proprement est loin d’être compétitif. Son transport et surtout son stockage sont encore des problèmes ouverts pour une distribution à grande échelle.
Toutefois, les mini et micro-piles à combustible présentent un intérêt certain pour les systèmes nomades. Les SOFC, fonctionnant à haute température et n’ayant pas besoin de catalyseur pour réformer le gaz naturel, sont aussi très intéressantes en utilisation stationnaire (immeubles, hôpitaux…). En effet, un réseau de gaz existe déjà et l’on pourra ainsi remplacer progressivement le gaz naturel par de l’hydrogène.
Si l’hydrogène et les piles à combustibles pour les transports ou les usages stationnaires ont peu de chance, pour des raisons aussi bien techniques qu’économiques, d’être utilisées à grande échelle dans un futur proche, il est néanmoins important de mener des recherches dans ce domaine car ces dispositifs sont promis à un grand avenir.

Vers un déficit d’énergie

L’extrapolation de la consommation énergétique que nous connaissons aujourd’hui va vers une impasse. Essayons de faire une évaluation simple en partant du scénario proposé par P. R. Bauquis qui suppose une croissance faible (1,45%/an) comparée à ce que prévoient les économistes (2 à 2,5%/an). Les hypothèses sont les suivantes. En 2050, la population serait de 8 milliards d’habitants et la consommation de 18 Gtep d’énergie primaire, soit le double d’aujourd’hui (les économistes prévoient presque un facteur 3). En 2000, nous étions 6 milliards et nous consommions 9 Gtep d’énergie primaire commerciale. La répartition entre les différentes sources était grossièrement de 40% pour le pétrole, 22% pour le gaz, 24% pour le charbon, 7,5% pour les renouvelables et 6,5% pour le nucléaire.
En 2050 on pourra, avec beaucoup d’efforts, doubler la production de gaz et de charbon afin que chacun fournisse 25% de la consommation énergétique. On pourra sans doute atteindre 8% pour les renouvelables, mais probablement pas plus à une échéance aussi courte car elles sont dominées par l’hydraulique et la biomasse déjà largement exploitées. Comme nous aurons passé le pic de production du pétrole, la production sera du même ordre de grandeur qu’aujourd’hui, mais comme la demande aura doublé, il ne représentera que 20% du bilan énergétique. Il manquera donc environ 20%. Si l’on prend la même structure de consommation énergétique qu’aujourd’hui, on ne pourra utiliser que du nucléaire pour combler ce déficit et monter celui-ci à 22%. En d’autres termes, cela signifie que le nucléaire passera de 0,6 Gtep à 4 Gtep. Il faudra donc construire pour 3,4 Gtep de centrales, soit 2 200 réacteurs nucléaires (44 par an). Il faut ajouter à ceux-ci ceux qu’il faudra remplacer. Si l’on utilise l’éolien, il faudra 15 millions d’éoliennes de 750 kW. Une telle évolution semble difficile à mettre en œuvre dans le contexte actuel.
Il ne faut donc pas opposer les sources d’énergie car toutes seront nécessaires, et, cependant, insuffisantes au total. Comme la chaleur représente un poste important de la consommation énergétique, il semble par conséquent très intéressant de valoriser les calories à basse température grâce à des pompes à chaleur. Ceci permettrait de diminuer la pression qui s’exerce sur les combustibles fossiles.

Un scénario possible pour la France

Évoquons enfin un scénario permettant de ne plus produire de gaz à effet de serre en France pour la production d’électricité (le peu qui est émis vient des moyens de pointe fonctionnant aux combustibles fossiles, ce qui conduit à environ 70 g de CO2/kWh). Il est fondé sur les véhicules hybrides pour les transports routiers et sur l’utilisation de biocarburants. Il permettrait de diviser par deux les émissions de gaz à effet de serre émises par les transports routiers et la consommation de pétrole associée. Ce scénario consiste à construire une dizaine de réacteurs nucléaires supplémentaires pour que le dispositif de production électrique (hydraulique et nucléaire) puisse satisfaire les besoins lors des jours de pointe. Il n’y aurait donc plus besoin de centrales à combustibles fossiles. Si les véhicules hybrides disposaient d’une batterie rechargeable sur le réseau et si l’autonomie de cette dernière était d’une trentaine de km, on pourrait les recharger durant les heures creuses et obtenir de l’ordre de 30% de l’énergie nécessaire aux transports. En cultivant les terres en jachère et une surface égale à ces dernières, on pourrait, en hydrogénant la biomasse (l’hydrogène nécessaire serait produit par électrolyse de l’eau) et en utilisant la synthèse de Fischer Tropsch, produire des biocarburants à hauteur de 20% du bilan global. On finirait par diviser la consommation de pétrole des transports par un facteur deux ainsi que les émissions de gaz à effet de serre. La production d’électricité n’émettrait plus de gaz à effet de serre puisqu’il n’y aurait plus de centrales à combustibles fossiles. Les 70 g de CO2/kWh actuels disparaîtraient.
Dans ce scénario, la pointe, au lieu d’être gérée par des moyens supplémentaires, le serait par les véhicules qui devraient utiliser le pétrole (essence ou diesel) de leur réservoir lors des pics de demande d’électricité qui arrivent en hiver quelques jours par an. On passe ainsi d’une gestion centralisée de la pointe à une gestion décentralisée obtenue avec le stockage des réservoirs des véhicules.

Des sources complémentaires et toutes nécessaires

Il n’y a pas de source universelle d’énergie, toutes s’imposent et leur combinaison ne nous met pas à l’abri de la pénurie. Les développements dans le secteur de l’énergie se font lentement ; aussi est-il important de s’y prendre tôt pour préparer l’avenir. Il faut trouver le meilleur panachage énergétique. Celui-ci dépend du pays, de la région. La recherche est très importante pour préparer l’avenir. Il faut diminuer les coûts de l’énergie afin qu’elle soit accessible aux plus pauvres, augmenter les rendements, être capable de stocker efficacement et à faible coût l’énergie. Cela n’exclut pas bien sûr la possibilité de ruptures technologiques dans le domaine énergétique qui pourraient changer complètement le paysage. De telles ruptures sont toutefois imprévisibles. Il est indispensable, dans les pays gros consommateurs, de faire des économies et de mieux utiliser l’énergie. À cette fin, la technologie mais aussi l’éducation sont essentielles. Le manque d’énergie n’a-t-il pas été à l’origine du déclin de plusieurs civilisations ? La question est de savoir si nous saurons gérer convenablement le déclin des combustibles fossiles ou si nous laisserons la nature le faire à notre place. Le monde est en effet maintenant dans une situation où la citation de Saint-Exupéry : « On n’hérite pas de la Terre de ses ancêtres, on l’emprunte à ses enfants » prend toute sa pertinence .