Le système énergétique mondial

1. Le système énergétique actuel : basé sur les énergies non renouvelables

2. Les énergies fossiles : raréfaction programmée et problèmes environnementaux

3. L’énergie nucléaire : des problèmes environnementaux et d’acceptabilité

4. Le renouvelable : d’immenses potentiels mais un développement difficile

5. La consommation énergétique mondiale

6. Quel Futur pour l’énergie ?

1. Le système énergétique actuel : basé sur les énergies non renouvelables

Chaque année, l'humanité consomme 10.8 milliards de tonnes d'équivalent pétrole (1) , quantité contenue dans un cube d’environ 2.2 km d'arête. Cela représente 1.5 tonnes par habitant ou 2 kW de puissance continue (1 fer à repasser à chaque main, continuellement allumé...).

(1) Une tonne équivalent pétrole (TEP) correspond à l’énergie dégagée par la combustion parfaite d’une tonne de pétrole. 1TEP = 42 GJ = 11'700 kWh.

Le prix de l'énergie, qui est grosso modo resté stable depuis quelques décennies, peut-être qualifié de bas puisque le litre de mazout coûte, en Europe, 2 fois moins cher que l'eau minérale, qui est une ressource renouvelable, abondante et régionale....

Autre exemple, un bain de 100 litres coûte environ 15 centimes pour le chauffage de l'eau contre 25 centimes pour cette eau. Les habitants des pays du nord disposent donc très facilement de toute l'énergie nécessaire et ne se privent pas pour le superflu. Pour le citoyen peu au fait des réalités des problèmes de l'énergie, cela peut sembler le signe d'une très grande abondance en énergie, alors que près de 85% des ressources utilisées ne sont pas renouvelables.

Cette première constatation doit être relativisée par les inégalités profondes entre la consommation des individus selon les continents. Ainsi, un américain moyen va consommer 8 tonnes de mazout par année contre 0,3 pour le citoyen de certains pays d'Afrique ou d'Asie. Il s'agit de moyenne et on se gardera ici de comparer la consommation d'énergie des 5% les plus riches de la planète à celle des 25% les plus pauvres, qui correspond au minimum vital. On estime à 2 milliards le nombre d'individus vivant sans électricité. Les agents énergétiques se répartissent de la façon suivante :

Energie primaire, total : 10’800 MTEP. Valeurs 2002, d’après AIE (2004) (World Energy Outlook)

Energie primaire, total : 10’800 MTEP. Valeurs 2002, d’après AIE (2004) (World Energy Outlook)

* la part de l'électricité a été "valorisée", c'est à dire ramenée à l'énergie primaire nécessaire à la produire dans une centrale électrique thermique classique. Le facteur multiplicatif est 3, ce qui correspond à un rendement de conversion chaleur électricité de ~ 40% et de combustion de ~ 80%.
** géothermie, éolien,..
***la part de la biomasse, essentielle dans de nombreux pays du sud, est souvent écartée des statistiques officielles car celles ci ne prennent en compte que les énergies liées à des flux financiers, aisément comptabilisés.

Ces chiffres amènent quelques remarques :

• Les énergies fossiles fournissent près de 80% de l'énergie mondiale

• Le nucléaire ne joue qu'un rôle modeste dans l'approvisionnement énergétique mondial

• Pour le moment, l'hydroélectrique est la seule ressource renouvelable qui contribue de façon réelle aux besoins humains, la biomasse étant en grande partie gérée comme une ressource non renouvelable (problème de la désertification)

• Si on s’intéresse à l’énergie finale (celle qui est consommée), la part de l’électricité tombe à 20%, à cause des pertes de production

2. Les énergies fossiles : raréfaction programmée et problèmes environnementaux

Les valeurs des réserves et des ressources en énergie non renouvelables doivent être traitées avec beaucoup de prudence, elles peuvent varier selon les sources pour des raisons objectives (désaccord scientifique, problèmes de définition,…) ou des raisons plus subjectives, liées par exemple à des aspects géopolitiques. Il faut également bien séparer ressources et réserves et prendre garde au degré de fiabilité des chiffres.

Il faut tout d'abord distinguer ce que l'on appelle les "ressources" et ce que l'on appelle les "réserves prouvées". Les ressources sont les quantités théoriques estimées à partir de considérations physiques sans contrainte technique ni économique. Les réserves prouvées sont les quantités repérées avec une haute probabilité (90% ou plus) susceptibles d'être techniquement et économiquement exploitées.

d’après Prof. Gorin, Université Genève

Définition des réserves, ensemble = ressource
1) prouvées : P90 : 90% de probabilité
2) probables : P50 : 50% de probabilité
3) possibles : P10 : 10% de probabilité

Depuis la révolution industrielle, on aurait consommé, grosso modo, 1/5 des ressources totales pétrolières (entre 1/4 et 1/6 selon les experts). Au milieu de ce siècle, les derniers gisements importants de pétrole conventionnel seront concentrés au Moyen Orient, ceux du gaz en Russie et au Moyen Orient.

Il faudra alors exploiter le pétrole non conventionnel (extra lourd, schistes et sables bitumineux,...), mais à quel coût économique et écologique? On imagine sans peine les tensions internationales que cela risque de provoquer.

La situation du gaz naturel est analogue, quant au charbon, il possède des réserves encore très importantes.

La pollution urbaine

Il s'agit du fameux "smog" qui empoisonne la vie des citadins en toutes saisons :

• en hiver, les inversions de température associées aux émissions des chauffages et des véhicules à moteur aboutissent à un haut niveau de pollution de l'air (NOx, SO2, CO, imbrûlés,...)

• en été, le rayonnement solaire associé à la chaleur et aux oxydes d'azote produits par les véhicules à moteur provoque des taux élevés d'ozone troposphérique.

Les problèmes soulevés par la pollution de l'air des villes sont éminemment complexes et touchent l'ensemble des disciplines : sciences de l'ingénieur, architecture, urbanisme, aménagement du territoire, économie, sciences humaines, droit, politique. Ils deviendront de plus en plus aigus dans les métropoles du Sud, où se cumulent développement anarchique des villes, techniques de transport anciennes et polluantes, climat chaud et ensoleillé et manque de financements.

L'effet de serre

Il s'agit plus précisément de l'amplification de l'effet de serre naturel, qui, en piégeant le rayonnement infra rouge, augmente déjà la température du globe de 30°C environ et la rend vivable. Certains gaz issus des activités humaines et principalement de la production ou de l'utilisation de l'énergie amplifient cet effet naturel.
Si la réalité de l'amplification de l'effet de serre n'est pas remise en cause, son effet réel sur la température du globe est lui très difficile à observer. D'où le principe dit de précaution, qui veut que l'on limite les émissions de gaz à effet de serre dès à présent.

3. L’énergie nucléaire : des problèmes environnementaux et d’acceptabilité

Ressources

Concernant les réserves en uranium, il faut se montrer très prudent sur les chiffres pour les raisons suivantes :

• Il s'agit de gisements très dilués (< 1%), dont les conditions de formation sont mal cernées.

• L'uranium est une matière première hautement stratégique et les données sur les réserves sont souvent considérées comme secret militaire.

Les ressources en uranium ne sont pas un problème avant le XXIIème siècle au rythme de leur utilisation actuelle.

La filière nucléaire est caractérisée par sa complexité et sa haute technicité.

La pollution radioactive

L'accident de Tchernobyl a clairement montré que l'utilisation de l'énergie nucléaire, en l'état des techniques, n'était pas exempte de conséquences globales sur l'environnement.

Quels obstacles au nucléaire aujourd'hui?

D’après l’article de D. Finon dans livre Cuepe EES N° 2, plusieurs contraintes pèsent sur le développement de l'énergie nucléaire :

• Acceptabilité sociale. La spécificité des risques nucléaires - risque d'accident de très faible probabilité mais aux conséquences très élevées, risque de gestion des déchets de vie longue étalée sur une durée intergénérationnelle, risque de prolifération militaire - rend difficile la formation de préférence collective et impossible le consensus scientifique.

• Contraintes économiques. Elles sont au nombre de trois :

1. Inadéquation de la technologie nucléaire avec l'organisation concurrentielle des industries électriques : unités nucléaires non divisible (1 000 MW d'un coup) et très gourmande en capital (peu de combustible), crainte des incertitudes à moyen et long terme (risques réglementaires, risques de fin de vie, risque de rejet social en cas d'accident majeur dans le monde,..)

2. Concurrence des cycles combinés à gaz (production d’électricité avec un cycle fermé à turbine à vapeur et un cycle ouvert à turbine à gaz de combustion du gaz naturel)

3. Contrainte de financement dans les pays émergents : les organismes internationaux ont de la peine à trouver les importants capitaux nécessaires, les acteurs locaux n'ont pas la taille économique suffisante et préfèrent des options plus progressives.

4. Le renouvelable : d’immenses potentiels mais un développement difficile

L'homme n'a pas attendu la fin de ce siècle pour se chauffer, se mouvoir, produire grâce à l'énergie solaire. Elle a longtemps constitué l'unique ressource énergétique de l'humanité, mais la civilisation industrielle n'a pu s'accommoder d'une source d'énergie abondante mais capricieuse, naturelle mais fugitive. Pour bien appréhender le rôle qu'elles pourront jouer dans le futur, on peut relever six points importants.

Study in depth: Spécificités des énergies renouvelables (pdf) , Bernard Lachal, Université de Genève

1. La part des énergies renouvelables dans la couverture des besoins humains a atteint son minimum et a maintenant tendance à croître.

2. L'utilisation énergétique de la biomasse constitue encore le pilier des énergies renouvelables, principalement au sud. Toutefois, l'homme a à son égard un comportement essentiellement de prédateur qui doit être radicalement modifié pour qu'elle mérite véritablement son qualificatif de renouvelable". Exploitation "raisonnable" de la forêt, développement de cultures énergétiques efficaces et ne concurrençant pas la production alimentaire sont quelques uns des défis à relever pour que le potentiel important de cette filière soit pleinement et durablement exploité, ce qui serait une révolution dans les rapports que l'homme entretien avec la nature.

3. Les filières très anciennes, datant de l'antiquité (hydraulique et éolienne), ont pleinement bénéficié d'avancés techniques (turbines, aéronautique,..) et constituent encore des technologies sur lesquelles il faut compter. Les moulins ont totalement disparu et la force de l'eau est utilisée aujourd'hui pour produire de l'électricité qui peut être facilement transportée et distribuée grâce au développement du réseau électrique. Le taux d'équipement de l'hydroélectricité est très variable d'un continent à l'autre : très élevé en Europe (80%), moyen en Amérique du Nord (50%) et faible en Amérique latine, Afrique et Asie (<30%), qui possèdent un potentiel énorme. L'impact sur l'environnement que peut avoir de grands barrages, comme Assouan en Egypte ou le futur barrage des 3 Gorges en Chine, peut être important; sans que cela d'ailleurs soit une fatalité (voir l'utilisation du potentiel hydraulique des pays de l'arc alpin par exemple). La mise en œuvre d'installations plus petites (jusqu'aux microcentrales de quelques kW) est nettement plus favorable de ce point de vue.

4. A plus long terme, seule une transformation intensive issue directement du rayonnement solaire a la capacité quantitative de se substituer aux énergies fossiles, à condition que la demande en énergie se stabilise grâce à une utilisation plus rationnelle. Le rayonnement solaire constitue une ressource 10 000 fois supérieure à la consommation mondiale d'énergie, répartie assez régulièrement à la surface de la terre quand on le compare aux autres ressources. L'espace nécessaire aux transformateurs solaires n'est pas exagérément important relativement aux autres transformateurs si on tient compte de toute la chaîne, depuis l'extraction jusqu'au traitement des déchets.

Les filières renouvelables les plus utilisées aujourd'hui sont les plus extensives, et de plus elles sont liées à d'autres cycles naturels fondamentaux (carbone et eau pour les forêts et les grands barrages). Pour produire la même quantité d'électricité que le barrage d’Assouan (Haute vallée du Nil), il suffirait d'installer aujourd'hui une centrale thermique solaire couvrant une surface d'environ 20 km² (soit une très faible portion de la retenue d'eau actuelle), à des coûts économiques et environnementaux certainement très inférieurs.

Les exploitations intensives (solaire mais aussi éolienne) présentent donc des avantages indéniables en permettant une exploitation de lieux inadaptés pour d'autres activités (déserts, mers,..). Des différentes filières possibles, le photovoltaïque semble être le meilleur candidat à long terme. Il constitue également la seule filière réellement nouvelle et en pleine évolution, où le potentiel de nouveautés technologiques est immense. Les possibilités d'un développement rapide sont réelles mais soumises à des contraintes économiques difficiles. Sous nos latitudes, la capacité de pénétration de ces technologies est principalement limitée par la possibilité de stocker l'électricité d'une saison sur l'autre. La filière hydrogène est à ce titre pleine d'avenir mais son développement est discuté car soumis au développement de nouvelles infrastructures lourdes.

5. Il ne faut pas opposer production centralisée et production décentralisée, qui sont complémentaires. Un point de vue souvent rencontré veut qu'on oppose ces deux possibilités. Ne vaut-il pas mieux renoncer à de tels schémas, souvent purement idéologiques, et saisir toutes les opportunités de développement des énergies renouvelables: la première forme fournit des kWh à un réseau tandis que la deuxième fournit soit directement des prestations dans des zones isolées, soit soulage le réseau existant.

On estime à près de 2 milliards le nombre de personnes au monde non encore connectées à un réseau électrique et la plupart ne le seront sans doute pas dans l'immédiat. On peut couvrir quelques besoins élémentaires de cette population (éclairage, radio,..) par des minicentrales solaires décentralisées, individuelles ou collectives : il s'agit d'un marché très important aussi bien pour la population concernée et pour les acteurs du photovoltaïque.

6. La poursuite du développement des énergies renouvelables suppose une vision à long terme et une action volontariste, comme le montre clairement le succès de la filière "éolienne".

Un rôle critique est tenu par les pouvoirs publiques et par les grandes sociétés énergétiques, en pleines évolutions actuellement (mondialisation de l'économie, affaiblissement du rôle de l'état, libéralisation des marchés de l'électricité et du gaz,...). Une attention particulière sera nécessaire pour que la réglementation qui va être mise en place à l'occasion de la libéralisation des marchés énergétiques prenne en compte le nécessaire développement des énergies renouvelables.

5. La consommation énergétique mondiale

1) La consommation énergétique actuelle : abondance apparente mais déséquilibres profonds.

Chaque année, l'humanité consomme environ 10 milliards de tonnes d'équivalent pétrole, dont la répartition géographique est la suivante:

Consommation mondiale d’énergie, par habitant et pour différentes régions (2000)

Consommation mondiale d’énergie, par habitant et pour différentes régions (2000)

Rapport entre pays pauvres et pays riches

2) Les différents usages de l’énergie : l’importance du domaine bâti

Dans les pays développés, on constate une certaine tendance à l’égale répartition entre les trois usages habituels de l’énergie : habitat/agriculture, transports et industrie. Dans les autres pays, la répartition varie fortement selon la structure sociale du pays, son taux d’urbanisation, le type d’industrie,… En Suisse, la répartition est la suivante :

Industrie/Services/Agriculture : 38%

Transport : 33%

Ménages : 29%.

Industrie

Les besoins énergétiques par unité de marchandise produite diminuent avec le temps grâce à l’amélioration des technologies et aux pressions environnementales. L’énergie contenue dans les matériaux, objets,.. est appelée « énergie grise ».

Globalement, l’intensité énergétique (quantité d’énergie par franc de richesse produite) suit une évolution « en forme de cloche » avec le temps : au début, l’industrialisation de base nécessite beaucoup d’énergie pour la production des premières richesses et on doit accroître fortement l’investissement énergétique pour accroître la richesse ; passé un cap, l’augmentation de la richesse fait appel de moins en moins à de l’énergie et l’intensité énergétique diminue. Une question essentielle est la possibilité pour les pays non développés ou en cours de développement d’éviter la première phase très intensive en énergie pour accéder directement à une faible intensité énergétique (« leap frogging »).

Transport

Le secteur des transports est le secteur qui augmente le plus vite, que ce soit les voitures individuelles, le transport des marchandises en camion ou le transport aérien. Ainsi, en Suisse, la contribution du transport est passée de 27% en 1980 à 31% en 1996, cela correspond à un accroissement relatif deux fois supérieur à celui de la consommation énergétique totale.

Il faut souligner l’importance de l’aménagement du territoire dans le choix des modes de transport des personnes, comme le montre la figure ci après.

Par exemple, on constate sur ce graphique, valable pour la Hollande, que pour les distances inférieures à 500 m, 20% des gens se déplacent en vélo, les autres à pied. Pour des déplacements de plus de 3 km, la majorité des personnes choisissent des modes utilisant de l’énergie (train, bus, voiture et avion).

Bâtiments

Cinq points peuvent être relevés:

1. les besoins thermiques des bâtiments représentent un enjeu important pour l'utilisation rationnelle de l'énergie. Ainsi, à Genève, la demande d’énergie thermique des bâtiments (chauffage et eau chaude) représente :

• Plus que 50% de la consommation énergétique du canton de Genève

• Environ 42% de l’énergie totale consommée en Suisse

• Environ 33% de la consommation mondiale

2. l'évolution de la consommation énergétique liée est caractérisée par une relative stabilité en Suisse comme dans les pays voisins, malgré une forte augmentation de surface.

3. de nouveaux besoins apparaissent ou vont apparaître dans les pays méditerranéens (encore peu chauffés) ou du sud (eau chaude sanitaire).

4. les possibilités d'action pour maîtriser l'usage de l'énergie sont nombreuses, mais longues à mettre en place.

5. Le cas de la climatisation est beaucoup plus complexe mais préoccupant.

Study in depth: Les besoins d'énergie thermiques des bâtiments (pdf) Bernard Lachal, Université de Genève

6. Quel Futur pour l’énergie ?

Les scénarios énergétiques à long terme (2050 – 2100) sont sujets à de nombreuses études. Rappelons qu’il s’agit d’exercices de prospective, qui n’ont pas pour but de prédire l’avenir mais d’imaginer et d’explorer les futurs possibles.

La différence principale entre les scénarios que l’on peut trouver dans la littérature réside dans la consommation totale d’énergie consommée. Celle-ci peut varier du simple au double en 2050 et du simple au quadruple en 2100. Les scénarios à basse consommation se basent sur des politiques exigeantes, les scénarios à haute consommation sont souvent des scénarios dits de « laissez faire » (« business as usual »).

La possibilité de réellement limiter la consommation énergétique est un sujet d’intenses controverses ; tout le monde s’accorde à penser que ceci est techniquement possible et souvent économiquement rentable. Le conservatisme et la résistance au changement sont les facteurs explicatifs souvent donnés. Ce qui fait dire à certains que seule une crise importante pourrait faire bouger les mentalités.

Dans une perspective 2050 et malgré leur différence, les divers scénarios s’accordent toutefois sur certains points:

• Les énergies fossiles (pétrole, gaz et charbon) continueront à être beaucoup employées, la quantité totale utilisée est évidemment minimum dans les scénarios économes en énergie

• La part du nucléaire ne dépassera pas les 15%, sa contribution étant le plus souvent imaginée identique à la présente (5 – 10%)

• La contribution des énergies renouvelables varie fortement (20 à 50%), elle est la plus forte dans les scénarios à basse consommation

Exemple de scénario très volontariste, où la consommation énergétique est contenue par des actions vigoureuses d’économie d’énergie (baisse dans les pays du Nord, augmentation dans ceux du Sud pour arriver à un certain rapprochement) ; on voit la part importante que peut prendre dans ces conditions les énergies renouvelables. Scénario NOE, de B. Dessus, voir Exemple de comparaison de 3 scénarios : article BL sur scénarios.

Study in depth: Le système énergétque mondial, 3 scénarios long terme (pdf) Bernard Lachal, Université de Genève

En conclusion, la résolution des problèmes énergétiques sera d’autant moins difficile que la consommation énergétique sera limitée. Vu l’importance des quantités d’énergie utilisée pour la construction et l’utilisation des bâtiments, il est dès lors impératif d’intégrer le plus possible les impératifs d’économie d’énergie, que ce soit pour le neuf ou la rénovation. Le rôle de l’architecte est dans ce cadre prépondérant.