1 L énergie Introduction : tableau des sources d énergie 1.1 Introduction 1. Les hydrocarbures (H+ C) Les combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon) sont la matière première de l'industrie chimique et la source d'énergie la plus utilisée dans le monde : Les besoins mondiaux en énergie ont augmenté de façon considérable au cours du 20 ème siècle et le développement des pays émergents comme la Chine permet de prévoir une augmentation encore plus rapide dans les prochaines décennies. L'Agence Internationale de l'énergie (AIE) prévoit que la demande des 25 prochaines années nécessitera une production égale à celle des 150 années d'exploitation des combustibles fossiles. Evolution de la consommation "commerciale" d'énergie en millions de Tonnes équivalent pétrole. Sources : Schilling & Al. 1977, IEA et Jean-Marc Jancovici Note: 1 tep = 11 700 kwh Mais les ressources ne sont pas inépuisables : ces produits sont formés par une succession de mécanismes biologiques et géologiques qui mettent des millions d'années à s'accomplir, ces ressources ne sont donc pas renouvelables à une échelle de temps humaine.
2 1.2 Formation 1 ère étape (0 à 1000 mètres) : sédimentation et enfouissement de la biomasse Les êtres vivants sont constitués principalement de carbone (C), d'hydrogène (H), d'azote (N) et d'oxygène (O). Lorsqu'un être vivant meurt, sa matière organique (biomasse) est décomposée par l'activité microbiologique. Dans un milieu aérobie (où le dioxygène circule librement), tout le carbone est transformé en dioxyde de carbone (CO 2 ). 13 En revanche, si la matière s accumule dans un milieu anaérobie (comme certains fonds marins par exemple), une très faible partie de la biomasse, environ 1%, se transforme en kérogène. C'est cette fraction qui est à l'origine du pétrole, du gaz naturel et du charbon. http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-dossierstransversaux-eedd-combustibles_fossiles_demirdjian.html dégradation biochimique : les bactéries éliminent petit à petit l azote (N) et l oxygène (O) ; la matière organique, concentrée en carbone (C) et hydrogène (H), se transforme en kérogène (10'000'000 milliards de tonnes). 2 ème étape (1000 à 3000m) : décomposition thermique et production d hydrocarbures La tectonique des plaques provoque l'enfoncement de la «roche mère» (la couche sédimentaire qui contient le kérogène), à une vitesse de quelques mètres à quelques dizaines de mètres par million d'années. À mesure qu'il s'enfonce, le kérogène est soumis à des pressions et des températures de plus en plus élevées. À partir de quelques milliers de mètres de profondeur, lorsque la température a atteint une valeur suffisamment élevée (entre 50 et 120 C) et en l'absence d'oxygène, le kérogène commence à se décomposer sous l'effet de la chaleur. Cette pyrolyse produit principalement du pétrole, du gaz naturel, du charbon, du CO 2 et de l'eau.
3 1.3 Le charbon 1.3.1 Origine Le charbon est une variété particulière de kérogène formée à partir de matière organique de végétaux supérieurs (arbres, fougères...). o o o Sa pyrolyse va conduire à des composés de plus en plus riches en carbone (le bois est constitué d'environ 50% de carbone) : la tourbe (50 à 55%), le lignite (55 à 75%), la houille (75 à 90%) et l'anthracite (> 95%) qui est le charbon proprement dit. Comme pour les autres kérogènes, la pyrolyse du charbon génère du pétrole et du gaz naturel. C'est ce dernier qui est responsable du «coup de grisou» dans les mines de charbon. Le Carbonifère : période de formation du charbon, il y a environ 300 millions d années 95% 75% 55% o La Pangée (continent unique) est en cours de formation (Laurasia au Nord et Gondwana au Sud qui entrent en collision) o Le climat du Carbonifère était contrasté : 1.3.2 Utilisations actuelles du charbon Production d électricité en 1973 et 2007 (monde) Source AIE, 2005
4 Ces usages du charbon font que, contrairement à une idée reçue, le charbon n'est pas seulement une énergie des pays "pauvres" ou "émergents", mais aussi... une énergie des pays dits riches, car ces derniers possèdent aussi des centrales électriques à charbon, des aciéries et des cimenteries. Les USA produisent leur électricité à partir du charbon à hauteur de 45%, la Chine de 80% et l Australie de 75%!!! Le cas de l Allemagne (mai 2013) : article «Quand l Allemagne retourne au charbon» LesEchos magazine. La décision de l Allemagne de sortir du nucléaire suite à la catastrophe de Fukushima (mars 2011) aurait dû voir l essor des centrales à gaz capables de compenser rapidement le manque de production d électricité. Cependant, ce sont les énergies renouvelables (plus de 20% de la production d électricité) et le charbon (45%) qui sont les vrais gagnants. Q.1 Quels sont les avantages et les désavantages du charbon dans la production d électricité? Q.2 Quelle est la cause de l essor de la houille en Allemagne? Q.3 Quelle est la conséquence, pour le marché européen, de l exportation d électricité de l Allemagne? source : http://arkitekto.pagesperso-orange.fr/actu_energie.htm (11 mai 2011) 1.3.3 Avantages et désavantages du charbon
5 1.4 Le pétrole 1.4.1 Formation Le pétrole est issu de la pyrolyse du kérogène dont la matière organique est le plancton (zooplancton et phytoplancton) déposé dans des bassins sédimentaires mais aussi sur les continents, dans des zones recouvertes autrefois par la mer. Une troisième étape s ajoute aux deux autres présentées dans le chapitre 1.2 : 3 ème étape : migration et accumulation en gisements migration primaire : expulsion des hydrocarbures de la roche mère. migration secondaire : remplissage de la roche sédimentaire appelée roche réservoir en fonction de la porosité et de la perméabilité de la roche. o porosité : vides où les hydrocarbures vont remplacer l eau o perméabilité : lien qui unissent les pores piégeage des hydrocarbures par des couches imperméables (gaz, huile et eau en fonction de la densité). En cas d absence de couche imperméable, le pétrole parviendra à la surface et sera rapidement oxydé. Les premiers gisements de pétrole connus de l'homme, en Mésopotamie durant l'antiquité, étaient de tels affleurements. 1.4.2 Prospection et raffinage La prospection (recherche) de pétrole s effectue par étape : A l avenir, une part importante des réserves ne proviendra pas de nouvelles découvertes mais d une amélioration du rendement des exploitations Il existe une centaine de pétrole brut (en fonction de leur teneur en carbone et hydrogène) dont les plus connus sont : Avant de pouvoir utiliser le pétrole brut, il faut le raffiner. Il s agit d une suite d évaporation condensation dont les produits de distillation sont du gaz, de l essence, du diesel, du kérosène, du mazout et du bitume. Ces opérations ont lieu dans des raffineries situées, en principe, proche des ports dans lesquels est acheminés le brut.
6 1.4.3 Le prix du pétrole A. Historique cf document annexé (page suivante) B. Détermination du prix de vente du pétrole Le prix du litre d'essence se décompose de la manière suivante : 50% marché boursier du brut de référence (Brent, WTI) 1 raffinage taux de change entre le dollar, devise de référence pour le pétrole, et le franc suisse transport en Suisse (fluvial par le Rhin, par train ou par camion) marge du pompiste TAXES (= charges fiscales) 50% 1 Sachant que le baril de pétrole se vend mi-août 2013 107$ pour le brent et 103$ pour le WTI, le prix du litre de brut s élève à 0.67$ pour le brent et 0.64$ pour le WTI. La différence de prix entre l'essence sans plomb et le diesel réside dans un impôt sur les huiles minérales et une redevance d'importation 3x plus importants. En effet, les Suisses consomment plus d'essence que de diesel même si la part du diesel est en augmentation. Les raffineries n'ont toutefois pas pu suivre cette augmentation d'où des prix plus élevés.
7 Le prix du pétrole brut et les facteurs qui le déterminent : Il est pratiquement impossible de faire des pronostics fiables en ce qui concerne le prix du pétrole car de nombreux facteurs échappent à toute prévision (source : revue Inside de l'union pétrolière suisse, 2/2010). La réalité du marché pétrolier fait qu'il est totalement illusoire de vouloir obtenir un équilibre parfait pour tous les acteurs et en fin de compte les consommateurs. 1.4.4 Consommation mondiale Depuis quelques années, la consommation mondiale de pétrole a dépassé les 80millions de barils par jour pour atteindre 87.4millions en 2010 (un baril = 159litres). Autrement dit, notre civilisation «boit» chaque jour près de 14 milliards de litres de pétrole!!!! Pour se représenter cette dose quotidienne, il faut imaginer le baril comme un tonneau de 50cm de large sur 80cm de haut. Si on aligne 80millions de barils, cela fait exactement 40 000km, soit le tour de la Terre à l équateur, chaque jour! On pourrait aussi les empiler et on obtiendrait une colonne de 64 000km de haut (le dernier baril se situerait à une altitude 2x plus haute que selle d un satellite de télécommunication!!!! (source énergie-environnement.ch). Les chocs pétroliers ont stabilisé la consommation en Europe et au Japon mais elle a continué à augmenter aux Etats-Unis et dans les pays émergents. Aujourd hui :
8 Consommation mondiale par personne de chaque énergie significative, hors biomasse, de 1860 à 2010, exprimée en kwh. Consommation mondiale de pétrole par habitant et par pays: Cas de l Arabie Saoudite et des Etats-Unis (prise de notes) Atlas de la mondialisation, page 99 «La consommation de pétrole dans le monde» Consommation mondiale par secteurs : 60% pour les transports des personnes et des marchandises avec une tendance à l'augmentation sachant que 30mio de ménages chinois sont susceptibles d'acheter une voiture. 100% du transport maritime et aérien consomme du pétrole 98% du transport terrestre consomme du pétrole et 2% de l électricité ou des biocarburants 40% se partagent entre : Les principaux consommateurs sont : Amérique du Nord, Europe (UE27, p.60atlas), la Chine et le Japon
9 1.4.5 Production mondiale Environ 30mia de barils par année = 86.4mio de barils par jour depuis le 1 er janvier 2012 = 1.042 barils par seconde ou 165.6 litres par seconde. La production équivaut à la consommation mais pour combien de temps encore??? (Cf chapitre sur les réserves). à illustration : page 98 Atlas de la mondialisation + carte p.99 (commerce du pétrole) L OPEP = Organisation des Pays Exportateurs de Pétrole - organisation intergouvernementale (cartel) de pays crée en 1960 dans le but de pallier la chute du prix du baril de pétrole (moins de 5 dollars) - la création de l OPEP résulte du fait que jusque dans les années 50-70, les compagnies pétrolières avaient les pleins pouvoirs sur le cours du pétrole et imposaient leurs prix aux pays producteurs. La prise de contrôle se fit par une politique de nationalisation ( les compagnies exploitent le pétrole qui appartient à l état). Les pays membres de l OPEP peuvent ainsi influencer le cours du baril de pétrole et ainsi augmenter leurs revenus. - l OPEP cherche à réguler la production et le prix par un effort coordonné de ses pays membres, notamment en instaurant un système de quotas de production. Les pays membres se mettent donc d accord sur la quantité de pétrole exporté, ce qui influence le prix du marché. - ses pays membres possèdent près de 80% des réserves et fournissent 43% de la production mondiale de brut. Evolution de la production des pays de l OPEP :
10 1.4.6 Commerce mondial Comme les pays consommateurs de pétrole ne sont pas les principaux producteurs, une dépendance pétrolière se crée ; dépendance que nous analysons par le biais de l Atlas de la Mondialisation (édition 2009). A. «Dépendance pétrolière» (Lecture p.98-99 Atlas de la Mondialisation 2011) Q1 Quelles sont les dimensions politiques et économiques du pétrole? Q2 De quoi dépend la sécurité d approvisionnement des grands pays importateurs de pétrole? Q.3 Quels sont les 2 défis majeurs que l économie mondiale doit relever? Texte «Arctique, l autre guerre froide» B. Le pic pétrolier Afin de déterminer le moment où le maximum de la production de pétrole aura lieu (ou a eu lieu), la courbe de Hubbert, géophysicien américain mort en 1989, est une bonne référence. Un gisement est abandonné avant d être vide, car il arrive un moment où l exploitation n est plus rentable : soit économiquement, soit énergétiquement,
11 C. Alimentation de la Suisse Le pétrole représente le 55% de l énergie consommée en Suisse. Mais en Suisse, nous n avons pas de pétrole!!! Son approvisionnement se fait donc ainsi : Rail et routrail et route - A l intérieur du pays, la distribution des produits pétroliers s effectue en grande partie par la route ou le rail (par péniches aussi) - Pour le rail, les sociétés pétrolières sont de loin le transporteur le plus important du trafic de wagons-citernes en Suisse. Transport plus sûr et plus écologique que le transport sur route - Le transport par route est nécessaire pour ravitailler les 3'600 stations-services et les 700 000immeubles chauffés au mazout. 1.4.7 La problématique des réserves (source : «La vie après le pétrole» de Jean-Luc Bingert, 2005) A. Définitions : Ressources Réserves P90 P50 P10 Réseves prouvées Réserves probables Réserves possibles Réserves ultimes Les réserves dépendent de manière cruciale du taux de récupération, c'est-à-dire du rapport entre le pétrole présent dans le réservoir au début de l'exploitation, et la partie qu'il sera possible de remonter du début à la fin de l'exploitation Ce taux est donc le mieux connu... lorsque le réservoir cesse d'être exploité.
12 B. Localisation des réserves et problème des quotas source : BP Statistical Review 2007 Les réserves de l'opep (43% de la production mondiale, 7% de la consommation) représente plus du 80% de celles de la planète. L'objectif de ce cartel 1 est de stabiliser les cours du baril à un niveau qui convienne à ses pays membres. Il leur est donc nécessaire de limiter la production en fixant des quotas de production à ne pas dépasser. Lors de l'attribution des quotas, les pays possédant le plus de réserves sont sensés pouvoir produire plus. 1 cartel : oligopole 2 où les quelques vendeurs obtiennent le contrôle d'un marché par entente formelle 2 oligopole : situation de marché où le nombre de vendeurs est nettement inférieur au nombre de consommateurs
13 Sur le graphique ci-dessous (réserves de l OPEP), deux aspects sont surprenants : source : wikipedia / bbl = mia de barils où 1 baril = 159litres / UAE : United Arab Emirates Les hausses spontanées de la fin des années 80 interviennent juste après le contre-choc pétrolier de 1986 (faible consommation mondiale due à la crise asiatique) qui voit le cours du baril s'effondrer (divisés par deux en un an /cf doc annexe courbe évolution du prix du baril). Les pays de l'opep avaient négligé de tenir convenablement à jour le montant déclaré de leurs réserves et une petite correction s'imposait mais certainement pas de l'ampleur de celle qui a eu lieu. A l'époque, l'ensemble de l'industrie pétrolière parle de «barils de papier» (cargaison virtuelle de pétrole échangé en bourse) mais progressivement ces chiffres seront acceptés par la profession qui ne peut se froisser avec les plus importants producteurs de pétrole au monde. La stabilité sur de longues périodes des réserves prouvées: ce qui signifie que les découvertes de nouveaux gisements ont exactement compensé la consommation de l'année, ce qui ne serait pas impossible mais devrait représenter un événement exceptionnel. Or il s'agit plutôt de la règle dans le monde des statistiques de l'opep. Selon Colin Campbell, un expert géologue anglais de renommée internationale, cette pratique vient du fait que les chiffres des réserves déclarées incluent en réalité le montant du pétrole déjà consommé donc produit! L'avantage d'une telle démarche serait de vouloir simplifier les difficiles négociations périodiques sur la répartition des quotas.
14 Cependant, les données techniques (courbe verte), plutôt confidentielles, montrent une baisse des réserves depuis les années 80 tandis que les données politiques ou officielles (courbe bleue) montrent une constante augmentation. Effectivement, la courbe verte prend en considération les P90 et P50 tandis que la courbe bleue ne considère que les réserves prouvées, soit les P90. La croissance des réserves prouvées s explique ainsi: améliorations techniques (10%) réévaluation des gisements (90%) Cette croissance n est qu une illusion, parce qu elle se fait au détriment des réserves probables et possibles (P50 et P10)! Depuis le début des années 1990, nous sommes dans une situation inédite où le montant des réserves officielles (en bleu) dépasse celui des données techniques (en vert) grâce notamment à : l intégration des sable bitumineux canadiens. Cette pratique est possible grâce à l augmentation des prix du brut. Mais attention, l énergie récupérée ne doit pas être supérieure à l énergie dépensée pour l extraction et le raffinage!!!! de nouvelles découvertes (page suivante)
15 cependant, les découvertes mondiales ont atteint leur sommet en 1965 source :http://www.testadepibou.com/pages/evolutions_ressources.html Constatations : Article : Le Monde, «Nouvelles découvertes et gaz de schiste retarderons à peine le pic pétrolier» mai 2012 C. Les espoirs reposent sur le pétrole «non conventionnel» : La grande majorité du pétrole facilement récupérable ayant été découverte, les acteurs de l'industrie pétrolière se tournent vers d'autres voies : le pétrole non-conventionnel qui a la particularité d'être plus difficile à exploiter mais qui permet d'étendre le volume des réserves disponibles (cf graphique p.13). Le pétrole conventionnel : part de production mondiale = 90% voire 94% pour l'aie à 80% pour l'aspo (Association for Study of Peak Oil) gisements offshore accessibles (sous moins de 500m d'eau) inclus gisements terrestres dont le pétrole extrait n'est pas trop visqueux (on exclut ainsi des gisements au Canada et au Vénézuela) taux de récupération en moyenne de 30 à 40% (3% minimum et max 85% récif corallien très poreux) Le pétrole subconventionnel :
16 Le pétrole non conventionnel û sables bitumineux : 80 à 85% de matière minérale (silice argile) / 10 à 12% de bitume et 5% d'eau 100x plus visqueux pétrole conventionnel qui après avoir migré dans des réservoirs trop peu profonds pour l'isoler, a été dégradé, perdant ainsi ses composés les plus légers par évaporation, par agression bactérienne et par lavage à l'eau. max75m de profondeur procédés d'extraction qui dégradent l'environnement (déplacement de 12volumes de sable pour obtenir 1 volume de pétrole) Canada et Vénézuela û schistes bitumineux : roche-mère qui n'a pas été soumise à des profondeurs et à des TT suffisantes on termine la pyrolyse en chauffant les schistes à des TT situées entre 350 C et 1000 C rendement énergétique mauvais voir nul car on dépense plus d'énergie que l'on en récupère pollution : un volume de pétrole, 2 volumes d'eau douce, résidus solides Estonie, Brésil, Chine, Allemagne, Russie et Israël D. Quand est-ce que le monde aura consommé toutes les réserves? Afin de répondre à cette question, il faut trouver le moment où l'ensemble du volume des découvertes correspondra à l'ensemble de la consommation. Extrapoler les découvertes effectuées peut se faire avec un graphique comme celui ci-dessous qui présente le montant des découvertes cumulées par année. La courbe supérieure (verte) représente l'ensemble du pétrole mondial découvert (conventionnel). Les réserves ultimes mondiales de pétrole conventionnel sont de 2050mia de barils. Notons que la moitié est proche puisque le pétrole déjà consommé est estimé fin 2010 à 1200mia de barils (courbe grise). D après ce graphique, le moment où les réserves auront été consommées aura lieu en 2070 à condition que la production/consommation décroisse (courbe grise diminue sa pente depuis 2012). Si au contraire cette dernière continuait à croître à la même vitesse (courbe grise en pointillé), les réserves ultimes seraient consommées en 2035 déjà! Si l'on prenait en considération le pétrole non-conventionnel, on pourrait
17 1.5 Le gaz de schiste Fin du chapitre 1