Energie Introduction Après avoir exploité sa propre force, puis celle des esclaves, des animaux et de la nature (les vents et les chutes d'eau), l'homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature et capables de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique par l'emploi de machines (machines-outils, chaudières et moteurs). L'énergie est alors fournie par un carburant ou énergie fossile. L invention de la machine à vapeur associée à l utilisation du charbon comme source d énergie a constituée un grand tournant dans la société humaine à la fin du 18 ième siècle. Puis sont apparus le pétrole, le gaz et enfin l énergie nucléaire. Toutes ces formes d énergie sont fossiles et non renouvelables. La seule forme d énergie renouvelable a longtemps été l énergie électrique produite par les barrages et le bois comme combustible. Récemment sont apparues les énergies renouvelables utilisant l énergie du soleil (thermique et photovoltaïque), l éolien, la géothermie utilisant la chaleur du sol ou des eaux souterraines. L'approvisionnement en énergie est devenu une des préoccupations majeures des sociétés humaines modernes de par le rôle fondamentale que joue l énergie dans l organisation et le fonctionnement des sociétés industrielles. Energie primaire et énergie secondaire Une source d énergie primaire est une forme d énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n est pas utilisable directement, elle doit être transformée en une source d énergie secondaire pour être mise en œuvre. Ainsi l énergie mécanique «primaire» d une chute d eau ou thermique d une centrale à gaz est transformée en électricité qui est typiquement une énergie secondaire pouvant être transportée pour différentes utilisations (éclairage, froid, chauffage,...). Quand on vante la voiture électrique ne jamais oublier que l énergie secondaire qu est l électricité a besoin d une énergie primaire pour sa production. Energie commerciale Il s agit de l énergie finale disponible pour la consommation. Elle correspond, dans le processus de production de l électricité, à l énergie primaire utilisée diminuée de l énergie perdue lors de la transformation énergétique (conversion d énergie calorifique en énergie électrique) et des pertes dues au transports (lignes à haute tension). Environ les trois quarts de l énergie primaire sont ainsi perdus sur le chemin vers la consommation. Dans le principe, ceci est indépendant du type d énergie primaire (pétrole, gaz, charbon ou nucléaire). Seul le rendement peut changer autour de la valeur des ¾. Une remarque peut-être faite concernant les pompes à chaleur qui sont tellement à la mode en France. Les valeurs affichées d un rendement de 4 (1 kilowatt électrique consommé fournit 4
kilowatts en chaleur - ce qui n est pas à la portée d une PAC lambda). Bravo pour la performance technique! Sauf que lorsque l on oublie pas que 1 kilowatt électrique a nécessité la consommation de 4 kilowatts d énergie primaire, on voit que le bilan global est plutôt neutre, au mieux. Décidément, rien n est simple. Et l énergie grise? Il ne s agit pas d une source d énergie, mais de l énergie nécessaire pour la fabrication d objets ou de matériels. Par exemple, la fabrication d une automobile nécessite une certaine quantité d énergie grise. L autre forme d énergie est le carburant pour la faire rouler qui constitue la forme d énergie la plus palpable. L énergie grise nécessaire dans un processus de fabrication est très variable suivant ce que l on fabrique. Par exemple l industrie de l aluminium est dévoreuse en énergie. Alors que la manufacture de portes et fenêtres en bois l est beaucoup moins, la croissance d un arbre ne nécessitant que l énergie solaire et la fabrication elle-même est peu gourmande en énergie. La quantité d énergie grise «inclut» dans les objets pourrait être un critère de choix volontaire mais plus probablement économique. Surtout si le coût de l énergie continue à monter. Stockage de l énergie La nature a utilisé l énergie du soleil grâce à la photosynthèse pour stocker le carbone autrefois abondant dans l atmosphère sous forme d énergie fossile (gaz, pétrole, charbon). L uranium est d origine minérale. Les technologies actuelles ne permettent pas un stockage massif et facile de l énergie que ce soit l énergie électrique dans les batteries ou l énergie thermique provenant de panneaux solaires. C est la raison pour laquelle la production d électricité d un réseau électrique (par exemple national) doit être ajustée en permanence à la demande. La technologie de l hydrogène pourrait permettre, à terme, de fabriquer puis de stocker ce gaz qui serait être utilisé comme source d énergie (non polluante), par exemple, dans les transports. Sa fabrication requiererait l utilisation d une source d énergie primaire. Rêvons un peu, l énergie solaire pourrait, à l avenir, être utilisé à cette fin. Un développement toujours fondé sur les énergies fossiles Si la question énergétique est une forte préoccupation aujourd hui c est pour les raisons suivantes : L exploitation immodérée des énergies fossiles de tous types considérées jusqu à récemment comme inépuisables est en passe de conduire à la pénurie,
Les rejets de gaz à effet de serre dans l atmosphère (gaz carbonique) n est pas sans effet sur le climat et devient un grave sujet d inquiétude pour l avenir, particulièrement pour les générations futurs. Le graphe ci-après montre la composition de la consommation énergétique mondiale où il apparaît que : Le pourcentage des énergies renouvelables est encore très faible, Le pourcentage de l énergie nucléaire, souvent présentée comme une alternative aux autres énergies fossiles, est également faible Equivalent pétrole : conversion des autres formes d énergie en tonnes de pétrole
composition de la consommation énergétique mondiale Ce panorama d'ensemble permet de voir que nous consommons en fait de l'énergie à travers tous nos actes de la vie quotidienne (se déplacer, se loger, mais aussi acheter à peu près n'importe quel produit ou service). Si le chauffage n'est pas un poste négligeable, il ne fait que 17% de la consommation totale d'énergie et l'éclairage représente moins de 1% de la consommation française. Réduire notre dépendance énergétique aux sources fossiles imposera donc de réduire notre consommation d énergie sur tous les postes. Les énergies fossiles sont-elles inépuisables? Pourquoi devraient-elles l être? Cette question saugrenue est pourtant une bonne question tant il est vrai que personne ne se la posait jusqu à une date récente. Il n y a en effet aucune raison pour que ces énergies soient inépuisables à la différence de l énergie solaire qui elle l est, au moins à l échelle de quelques milliards d années. Différents organismes ou associations dans le monde effectuent le suivi de la demande et de la ressource en énergie. L ASPO (Association for the Study of Peak Oil d origine française qui regroupe des géologues pétroliers à la retraite, des experts professionnellement actifs, et qui organise un séminaire annuel sur la question des réserves pétrolières restantes) ainsi que le EWG (Energy Watch Group qui est un groupe d experts allemands travaillant dans le domaine de la ressource énergétique), sont des organismes indépendants des états et des compagnies étatiques ou privées du domaine de l énergie. Compte tenu de l importance du rôle stratégique de l énergie dans le monde et des aspects politiques qui en découlent, il s avère que les informations communiquées par les états producteurs et les grandes compagnies internationales ne sont pas toujours fiables et souvent orientées.
Il faut cependant dire que, avoir une idée précise et fiable des ressources, est souvent difficile tellement les sources d information et l interprétation des données sont diverses. Le sujet est donc sujet à controverses et polémiques. Le choix a été fait ici de privilégier les analyses des organismes indépendants tels que EWG ou ASPO. La notion de maximum de production d'une énergie fossile commence à être connue du grand public dans le cas du pétrole (peak oil). Mais cela est valable aussi pour le gaz naturel, le charbon ainsi que pour l'uranium et les autres minerais. Au niveau d'un gisement, d'une mine ou au niveau mondial, la production d'une ressource atteint un maximum puis se met à diminuer parce que la ressource s épuise. L'exploitation est arrêtée, soit lorsque la faible rentabilité économique se conjugue aux difficultés techniques d exploitation, soit lorsque l'énergie consommée pour extraire la ressource devient égale ou supérieure à l'énergie produite. Dans un monde idéal (du point de vue économique), il suffirait d ajuster l offre à la demande. Autrement dit, si la demande (consommation), par exemple en pétrole, augmente, il suffit de forer pour trouver et donc d augmenter la production. Rien n est plus simpliste et l existence de ce «Peak Oil» qui est défini comme le niveau de production que l on ne peut physiquement pas dépasser et qui au-delà verra la production baisser fait de moins en moins débat. Le pétrole De fait, si le prix du pétrole augmente actuellement, au-delà de l aspect spéculatif que son commerce génère (spéculation boursière, politiques des compagnies pétrolières et pays producteurs) et des aléas météorologiques, c est parce que la production peine à suivre la demande. La question est, aujourd hui, de savoir quand le «Peak Oil» se produira. Certains experts pensent qu on y est (EWG). D autres le prévoient dans 5 ou 10 ans (ASPO). Pour information, la production donc la consommation pétrolière mondiale est aujourd hui de 85 millions de barils par jour (1 baril égale 159 litres). Ce qui correspond à environ 4 milliards de tonnes de pétrole par an. On peut observer que les états major des Compagnies Pétrolières et des pays producteurs de pétrole commencent à communiquer sur la limite de la ressource et à ajuster les stratégies (début d investissement dans les énergies renouvelables). Le constat est bien celui d une pénurie prochaine. Cependant, la crédulité de bon nombre de nos concitoyens refusant d admettre que faire le plein ou remplir sa cuve deviendra problématique est encore très répandue. On ne peut tout simplement pas le concevoir tant cette possibilité est «inimaginable» car jamais vécue par la plupart des habitants des pays riches.
Certes, on trouvera d autres gisements terrestres de plus ou moins faible importance et on exploitera les gisements offshore au prix de coûts et performances techniques de plus en plus élevées. On exploitera les schistes bitumineux dont les rendements énergétiques sont faibles. A titre de comparaison, il faut savoir que les champs pétroliers offshore en eau profonde que l on met en production aujourd hui et qui nécessitent des investissement très élevés produisent de l ordre de 200 000 barils par jour. Disons que l on en dénombre une douzaine en Afrique de l Ouest. Donc quelques pourcents de la consommation mondiale. Ne comptons donc pas trop là-dessus. Un rapport d EWG daté du 22/10/07 conclut que la production de la plupart des pays producteurs de pétrole (Etats Unis, Amérique du Sud, Mer du Nord, Chine, Arabie Séoudite ) à l exception de la Russie et de l Afrique, est entrée dans une phase de déclin. La production mondiale devrait, d après ce rapport passer de 85 aujourd hui à 58 puis à 39 millions de barils/jours respectivement en 2020 et 2030. Donc demain. Le fondateur de EWG conclut en ces termes : «Parce que la demande augmente et parce que la production chute, le monde disposera bientôt de trop peu de pétrole pour subvenir à ses besoins. C est un problème considérable pour l économie mondiale. Survenant plus tôt que prévu, des pénuries d approvisionnement pourraient entraîner de graves troubles sociaux. Pour les gouvernements, les industriels et la population, il ne sera plus possible d essayer de se tirer d affaire par des tours de passe-passe Cette situation pourrait bien échapper à tout contrôle et engendrer une complète désintégration de notre société». Le côté alarmiste est évident dans cette conclusion, mais il est certain que le temps de la pénurie se rapproche, précédé d une augmentation des prix qui tentera d ajuster la demande potentiellement en augmentation à une offre en réduction. Des mécanismes de rationnement ne sont pas exclus. Le gaz naturel Pour le gaz naturel, les réserves se définissent exactement de la même manière que pour le pétrole : elles correspondent non pas à ce qu'il y a dans la terre, mais à ce que nous savons en faire sortir. En matière de découvertes, il se trouve que la situation est assez analogue à celle du pétrole à savoir que cela fait 30 ans, environ, que nous avons passé le maximum des découvertes annuelles, et que la tendance est à la baisse. Cependant, on fantasme beaucoup actuellement sur les ressources supposées de l océan arctique en voie de fontes accélérée des glaces. Graphe des découvertes en gaz naturel
Découvertes annuelles de gaz depuis 1900, et comparaison avec les découvertes annuelles de pétrole. Source Exxon Mobil, 2002 On peut observer que les grandes découvertes de champs gaziers comme pétroliers sont derrière nous. Le gaz ne permet donc pas autant cette "réserve d'optimisme pour l'avenir" que le pétrole nous a offert (voir sur le graphe la succession de pics de découverte entre les années 1920 et 1960), avec la réévaluation constante des réserves malgré une quasi-absence de découverte de nouveaux réservoirs. Production de gaz naturel par zone géographique Par contre le gaz partage une caractéristique avec le pétrole : les réserves de gaz ne sont pas plus illimitées, ni mieux réparties.
Répartition des réserves de gaz par zone géographique. L'Iran possède plus du tiers des réserves du Moyen Orient, et le Quatar en possède presque autant. Source : BP Statistical Review, 2007 Les projections de production «Pic de Hubbert» mondial du gaz naturel Modélisée à partir de données techniques sur la production mondiale, la projection de l ASPO situe le pic global de production de gaz naturel en 2030 (Pic de Hubbert). On constate la disparité avec les projections «politiques» des institutions européennes et états-uniennes (qui doivent être basées sur la croyance que les arbres montent au ciel). Le charbon Le charbon revient sur le devant de la scène en tant que source d'énergie économique et fiable. La demande énergétique mondiale augmentant à une vitesse sans précédent, les importantes réserves de charbon dans le monde suscitent de plus en plus l'intérêt des gouvernements en Europe, aux Etats-Unis et en Asie. Cependant, tandis que l'efficacité et la propreté des centrales au charbon s'améliorent, le charbon reste le carburant fossile le plus polluant. Malgré les progrès technologiques dans le domaine de la combustion, le charbon rejette encore beaucoup de CO2, bien plus que le gaz, et son utilisation accrue menace d'anéantir les efforts pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Sur le long terme, la capture puis le stockage du CO2 (technologie CCS) à très grande profondeur, est la seule technologie envisagée pour obtenir un charbon avec zéro émission de CO2. Cette technologie peut également servir à injecter sous pression du CO2 dans les nappes de pétrole en cours d'épuisement afin d'en augmenter le débit et le taux de recouvrement (une partie du pétrole des nappes souterraines est inexploitable du fait de la diminution de la pression).
Cependant, la technique de la capture et du stockage de CO2 est encore au stade de développement et est uniquement testée sur des projets à échelle réduite et sur des installations expérimentales. Elle est encore trop chère pour être économiquement viable. Deux récentes études, l'une publiée en mars 2007 par l'energy Watch Group et l'autre en février 2007 par le Centre conjoint de recherche de la Commission Européenne (JRC), confirment que si le charbon restera une source d'énergie importante au 21ème siècle, les réserves connues pourraient en revanche s'épuiser plus rapidement que prévu, et le coût de l'extraction et de la production augmenter. Selon EWG, les données concernant les réserves en charbon sont de mauvaise qualité et les extrapolations basées sur la production actuelle indiquent un probable pic vers 2025 à un niveau de l ordre de 30% supérieur au niveau actuel d extraction. Ce scénario est représenté sur le graphe ci-dessous. Cet organisme suggère que les principaux pays producteurs mettent leurs données à jour avec l objectif d établir un scénario fiable de production à moyen et long terme. L uranium Transparence et communication? En ce qui concerne la ressource en uranium, il n est pas dans l air du temps d envisager sa fin, surtout en France. Sans doute pas étranger au niveau de production d électricité par énergie nucléaire (85%). Il faut aussi se souvenir de la manière dont les conséquences pour la France de l accident de Tchernobyl ont été traitées. Il ne fallait surtout pas effrayer la population, alors que les autres pays européens prenaient des mesures de protection. Il a fallu la création d un organisme indépendant (la CRIIRAD Commission de Recherche et d Information Indépendantes sur la Radioactivité) du pouvoir politique et du lobby scientifique français de l industrie nucléaire pour finalement savoir que certaines régions françaises telles le Sud Est et la Corse avaient été fortement irradiées. Gisement et production
Là aussi, un gisement n'est jamais exploité en totalité, par manque de rentabilité économique, même à un prix de vente élevé de l'uranium. Cependant, la principale limitation provient de la nature du gisement et des obstacles techniques à son exploitation, quel qu'en soit le coût. Dans les années 1980, la production d'uranium a été très supérieure aux besoins civils des centrales électriques. Une grande partie a été utilisée pour des besoins militaires et pour des réserves stratégiques. Depuis la signature de traités internationaux, une grande partie de l'uranium militaire (enrichi à 92%) a été diluée dans l'uranium naturel pour obtenir un uranium enrichi à 3,5% puis mis sur le marché de l'uranium civil. Depuis 1989, la consommation d'uranium est supérieure à la production. Tandis que la consommation continuait d'augmenter, la production diminuait avant de commencer à augmenter vers l'an 2000. Des stocks d'uranium civil et militaire (estimés à 200.000 tonnes en 2006) permettent de compléter la production pour satisfaire aux besoins des réacteurs nucléaires. La consommation mondiale d'uranium est de 67.000 tonnes par an, la production est de 42.000 tonnes. La différence de 25.000 tonnes provient des stocks civils et militaires qui seront épuisés en 2015. Production d uranium par pays Production d électricité d origine nucléaire dans le monde et projection jusqu en 2025
Pénurie? L'augmentation rapide du prix de l'uranium (entre janvier 2003 et avril 2007, le prix du kilogramme d'oxyde d'uranium - U3O8 yellow cake - est passé de 22 dollars à 249 dollars) montre bien l'existence d'un sérieux problème d'adaptation des ressources minières au besoin des centrales électriques nucléaires. Un rapport daté de 2006 de EWG conclut à une pénurie de combustible (uranium) dans environ 20 ans et que d ici là, la majeure partie de l investissement dans ce domaine concernera le remplacement de réacteurs âgés. Soulignons que mettre en chantier de nouvelles centrales nucléaires n implique pas nécessairement que la ressource en combustible soit au rendez-vous pour la production. N estce pas un problème de prévisions? Le dessin ci-dessous présente la ressource en uranium en fonction de son prix de marché. En effet, plus le prix de marché (exprimé ici en $) augmente plus il est économiquement rentable d exploiter des minerais moins riches. Il apparaît que, suivant les scénarios d exploitation, le pic de production apparaît entre 2020 et 2040. Production possible d'uranium (milliers de tonnes par an)
Source : "Uranium Resources and Nuclear Energy" du Energy Watch Group (2006-12) RAR : Ressources raisonnablement assurées (Reasonably Assured Resources) IR : Ressources supposées (Inferred Resources) IEA : International Energy Agency Il semble donc que, d après cette source d information (EWG), miser sur l énergie nucléaire pour pallier la pénurie annoncée de pétrole ne soit pas une option réaliste au niveau mondial, dans le cadre des techniques utilisées actuellement dans cette industrie. Ils ont dit : Le vice président de la Commission nationale du développement et des réformes de la Chine (le 21/04/2007) : «L énergie nucléaire ne peut pas remplacer notre dépendance au charbon et au pétrole, parce que les ressources mondiales en uranium sont beaucoup plus rares que celles des hydrocarbures. Elle ne sera qu une ressource supplémentaire pour satisfaire notre demande énergétique» Le président de la 3 ième compagnie minière d uranium, Nukem (le 20/02/2007) : «Oubliez la renaissance du nucléaire. Alimentez juste en carburant les réacteurs que nous avons aujourd hui, terminez ceux qui sont déjà en construction et ajoutez-en quelques uns parmi ceux qui sont en projet pour les marchés asiatiques en manque d énergie électrique, et nous aurons encore un marché dont les prix refuserons de descendre». Quelles énergies alternatives aux énergies fossiles
Les énergies vertes reviennent en force. Biocarburants, solaire, éolien Il y a une décennie encore, les énergies "vertes" (chaleur du soleil et des profondeurs de la Terre, force du vent ou de l'eau, combustion des végétaux...) étaient considérées avec condescendance par de nombreux décideurs comme des fantasmes d'écologistes nostalgiques de la bougie et du cheval de trait. En France, notamment. Et bien que non polluantes et renouvelables, ces énergies se voyaient cantonnées au rang de simple "niche", destinées à rester minoritaires dans la palette des technologies de production de l'énergie. La donne a changé. En effet la perspective d'un réchauffement planétaire aggravé et de la fin de l'extraction pétrolière bon marché pressent à l'exploration de scénarios énergétiques nouveaux. Part des renouvelables dans la consommation d'énergie primaire de l'ue (en %) La part des énergies renouvelables dans l Europe des 25 est donc de 5,6% (2006), incluant bien sûr l hydraulique. Question L éolien, la biomasse et le solaire sont-ils en mesure de préserver l'essentiel de la croissance et le niveau de consommation des pays du Nord, de permettre à 2 milliards d habitants des pays du Sud d accéder à l'électrification et de remplacer le pétrole. Tout en divisant par 2 (objectif résultant des accords de Bali de 2007) les rejets de gaz à effet de serre dans l atmosphère à l échéance de 2050.
Surabondance énergétique théorique. En théorie, c'est la surabondance, en effet, le soleil, dont sont issues la plupart des renouvelables, dispense par rayonnement l'équivalent annuel de 13000 fois la consommation énergétique planétaire (année 2005). Mais il y a un monde de la coupe aux lèvres et, pour de multiples raisons. Tout d'abord, cette énergie ne s'extrait pas d'un gisement dans lequel il suffirait de puiser, comme dans le cas des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) ou fissiles (uranium). Le flux solaire est soumis à des intermittences, prévisibles (la nuit) ou aléatoires (nuages), qu'il s'agisse du rayonnement direct ou de ses formes énergétiques dérivées comme le vent ou les marées. Fossiles et renouvelables - comparaison Seule la biomasse (une forêt qui fournit du bois de chauffage, un champ de colza du biocarburant) et l'hydraulique (dans des lacs de retenue) se présentent sous forme stockable, mais leur potentiel est limité par les superficies qui peuvent être consacrées aux usages non alimentaires de l'agriculture et par le nombre de sites que l'on peut équiper de barrages. Sans oublier que les fossiles ont sur les renouvelables cet avantage d'être des exceptionnels concentrés d'énergie, ce qui les rend très attractifs. En effet, pour produire 100 calories d'essence, il a fallu en brûler 5 à 12 pour l'extraction du pétrole brut, le transport, le raffinage et les infrastructures de distribution. Pour produire l'équivalent de 100 calories de charbon, 3 sont nécessaires. En revanche, pour les capteurs solaires, il faut "dépenser" 50 calories pour en produire 100 et pour les biocarburants, le bilan des filières actuelles est à peine positif, voire négatif (en France, l'éthanol de betterave est une filière qui produit moins d'énergie qu'elle n'en consomme). Et si l'on consacrait la totalité des terres agricoles de l'hexagone à l'essence et au diesel vert, cela ne permettrait de remplacer que 25% du carburant consommé sur le territoire. De même, pour couvrir l'ensemble des besoins nationaux d'électricité il faudrait installer 1 million d éoliennes. Et ceci sans évoquer la question du stockage, indispensable pour garantir un service continu. Faut-il espérer dans l amélioration des technologies pour résoudre le problème Etant donné la place marginale accordée jusqu'à présent au développement des énergies renouvelables dans les budgets de recherche, il est raisonnable de penser que ces filières, qui n'ont pas encore atteint leur maturité, vont continuer à enregistrer de forts gains de productivité. Mais jusqu'où peut-on miser sur ces progrès? Certains experts es-renouvelables, aux Etats-Unis notamment, n'hésitent pas à faire confiance à la science et à la technologie pour résoudre tous les problèmes. Un acte de croyance auquel ne se livrent pas les auteurs de scénarios énergétiques à long terme, qui s'en tiennent à faire varier des paramètres connus dans des marges considérées, aujourd hui, comme crédibles. Conclusions Les éléments d une conclusion peuvent être définis comme suit : Toutes les sources d énergie non renouvelables y compris l uranium, ont une courbe de production comportant un pic physique au-delà duquel la production baisse et dont seules les dates d apparition et les valeurs des pics de production sont encore sujet à débat,
La poursuite des tendances actuelles de consommation d énergie fossiles à base carbone conduit à une dérive climatique inacceptable cependant des limites physiques à la production et donc à la consommation de ces types d énergie pourraient tempérer ce scénario, Un fort développement des énergies renouvelables est indispensable mais ne pourra pas compenser la baisse de production d énergie fossile résultant soit d action volontariste de réduction de la consommation soit des limites physiques de la production, Une forte réduction des consommations énergétiques est incontournable, globalement su niveau mondial et donc localement dans les pays développées.