L’énergie au XXIème siècle : quelques pistes de réflexion

La transition vers de nouvelles sources énergétiques est inévitable, mais voici cinq considérations à cet égard.
Faculté de l’Environnement, Université de Manitoba, Winnipeg, Canada*

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Sommes-nous en train de passer à de nouvelles sources d’énergie ? Des plans grandioses sont échafaudés pour installer des forêts d’éoliennes géantes, transformer les céréales et la paille en éthanol-carburant et en biodiesel, et exploiter le rayonnement solaire dans des champs photovoltaïques.
Comme la plupart des innovations, celles-ci soulèvent l’enthousiasme et suscitent de grandes espérances. Vont-elles, avec d’autres sources d’énergie renouvelable, remplacer un jour les combustibles fossiles ? Probablement, mais il faut en attendant revenir à la réalité.L’examen impartial de quelques principes de base fait ressortir cinq facteurs qui rendront la transition vers un monde sans énergie fossile beaucoup plus ardue qu’on ne le pense communément : l’ampleur du changement ; la moindre densité énergétique des combustibles alternatifs ; la densité de puissance très inférieure des énergies renouvelables ; l’intermittence des flux énergétiques des énergies renouvelables ; la répartition inégale des ressources en énergies renouvelables.Prenons tout d’abord l’ampleur du changement. Nous sommes aujourd’hui à un tournant comparable à celui de 1850, lors de la dernière grande transition énergétique. À l’époque, les combustibles issus de la biomasse représentaient 85 % des approvisionnements totaux en énergie primaire (ATEP) de la planète. En 2005, la part des combustibles fossiles avoisinait les 85 %. À la fin des années 1890, lorsque la consommation de combustibles fossiles a égalé celle de biomasse, chacune de ces deux catégories de ressources fournissait environ 0,7 TW (Terawatt, ou 1012 watts) ; aujourd’hui, si l’on voulait remplacer ne serait-ce que la moitié des combustibles fossiles utilisés par des énergies renouvelables, celles-ci devraient produire environ 6 TW. C’est un changement d’une ampleur considérable.Aujourd’hui, il n’existe aucune source d’énergie non fossile immédiatement exploitable en quantité suffisante à l’échelle requise. Il est vrai que l’énergie fournie par le rayonnement solaire représente plusieurs fois toute demande mondiale concevable (voir premier graphique), mais les quantités actuellement transformées en électricité (avec les cellules photovoltaïques) ou en chauffage à l’échelle industrielle sont encore négligeables. D’autre part, les autres énergies renouvelables ne pourraient pas répondre à la demande mondiale actuelle, même si, sans parler de l’aspect économique, elles étaient pleinement exploitées avec les techniques existantes. Même la production d’énergie nucléaire est entravée par le peu de matières fissibles existantes.Deuxième question clé : la quantité d’énergie contenue dans une unité de combustible, ou densité énergétique. Lors des deux dernières transitions énergétiques, de la biomasse au charbon, puis du charbon aux hydrocarbures, des combustibles à faible densité énergétique ont été remplacés par des sources d’énergie plus concentrées. Les résidus de récoltes séchés (de la paille, en majorité) ne contiennent que 12 à 15 mégajoules par kilogramme (MJ/kg), par exemple, tandis que la densité énergétique des charbons de bonne qualité représente le double (25 à 30 MJ/kg) et celle des pétroles bruts est d’environ 42 MJ/kg. Pour maintenir le niveau de la production, un retour aux biocombustibles solides exigerait en moyenne près de 3 kg de phytomasse pour remplacer une unité de combustible fossile, ce ratio étant de 1,5 environ en cas de substitution de l’éthanol à l’essence. Ces réalités auraient des répercussions sur les dimensions, le coût et le fonctionnement des infrastructures nécessaires.Le troisième point concerne la densité de puissance de la production d’énergie. Elle se rapporte au taux de production d’énergie par unité de superficie au sol, et s’exprime en général en watts par mètre carré (W/m2). Grâce à leur très longues périodes de formation, les gisements de combustibles fossiles sont une source exceptionnellement concentrée d’énergie de grande qualité et sont généralement produits avec des densités de puissance de 102 ou 103 W/m2. De petites superficies suffisent donc à produire d’énormes quantités d’énergie. En revanche, la production d’énergie à partir de la biomasse présente des densités bien inférieures à 1 W/m2, et celles de l’électricité d’origine hydraulique ou éolienne sont en général inférieures à 10 W/m2. Seule la production d’électricité photovoltaïque, dont la technologie n’est pas encore au point pour une utilisation massive, fournit plus de 20 W/m2 de puissance au maximum.


Comparaison des densités de puissance de la consommation d'énergie et de la production d'électricité
Cliquer ici pour agrandirDans la civilisation de l’énergie fossile, les combustibles et l’électricité d’origine thermique offrent des densités de puissance produite de un à trois fois supérieures aux densités de puissance absorbée d’ordinaire par les bâtiments, les usines et les villes (voir deuxième graphique). Dans une future civilisation du solaire qui hériterait des systèmes urbains et industriels actuels, nous devrions exploiter diverses énergies renouvelables avec, au mieux, une même densité de puissance que celle consommée par les habitations et les industries. En conséquence, pour avoir l’électricité, une maison devrait avoir le toit entièrement couvert de cellules photovoltaïques. Un supermarché nécessiterait un champ photovoltaïque d’environ dix fois la taille de son toit, 1000 fois la taille du toit pour un gratte-ciel. En d’autres mots, une transition vers des énergies renouvelables augmenterait considérablement la superficie nécessaire à la production énergétique, et les droits de passage devraient être étendus pour convoyer l’énergie.Dans une telle société reposant sur l’énergie solaire, nos besoins en superficie seraient de loin les plus importants si nous devions remplacer tous les combustibles liquides dérivés de pétrole brut par des biocarburants issus de la phytomasse. La densité de puissance de l’éthanol de maïs produit aux États-Unis n’est que de 0,22 W/m2 ; ce qui signifie que plus du double des surfaces cultivées totales actuelles du pays seraient nécessaires pour satisfaire la demande du pays en carburant.L’intermittence de l’approvisionnement est la quatrième réalité à considérer. Les sociétés contemporaines sont dépendantes d’une circulation incessante d’immenses flux d’énergie ; la demande de combustibles et d’électricité connaît certes des fluctuations journalières et saisonnières, mais la charge de base (l’énergie minimum pour répondre aux besoins quotidiens) a augmenté. Cette demande est satisfaite par des combustibles fossiles à forte densité d’énergie et des centrales thermiques exploitables à des facteurs de charge élevés (>75 % pour les centrales à charbon, >90 % pour les centrales nucléaires). Le vent et le rayonnement solaire direct, intermittents et imprévisibles, ne peuvent fournir des facteurs de charge si élevés. La production photovoltaïque est encore si négligeable qu’il est impossible d’en présenter une moyenne significative ; quant à l’énergie éolienne, ses facteurs de charge annuels sont de 20-25 % à peine dans les pays dotés de capacités de production relativement importantes (Allemagne, Danemark, Espagne). Les grandes éoliennes sont donc au repos pour l’équivalent de 279-290 jours par an ! De plus, une diminution inattendue de la production peut causer des interruptions soudaines de l’alimentation. Malheureusement, nous ne disposons aujourd’hui d’aucun moyen de stocker à grande échelle l’électricité solaire ou éolienne.Il faut enfin réfléchir à la répartition géographique. On parle beaucoup d’une répartition inégale du gaz et du pétrole, mais c’est aussi le cas pour les ressources en énergies renouvelables : les nuages au-dessus de la zone équatoriale réduisent le rayonnement solaire direct ; il existe sur chaque continent de grandes étendues peu ventées ; seuls de rares sites offrent des perspectives optimales pour convertir les énergies géothermique, marémotrice ou marine, etc. De fait, certaines régions densément peuplées ne disposent pas de ressources énergétiques significatives exploitables localement, alors que de nombreux sites ensoleillés et ventés se trouvent loin des grands centres de consommation. Il faudrait donc construire de nouvelles infrastructures immenses pour les exploiter. Trois facteurs clés ont provoqué la transition vers les combustibles fossiles au XIXème siècle : la diminution des ressources disponibles (déforestation), la qualité supérieure du charbon et des hydrocarbures (plus forte densité d’énergie, plus grande facilité de stockage, souplesse accrue) et le bas coût de ces combustibles. Sur ces trois points, il n’y a pas urgence à accélérer la transition vers un monde sans énergie fossile : les ressources en combustibles fossiles sont suffisantes pour les prochaines générations, les énergies alternatives ne sont pas supérieures qualitativement, et leur production ne sera pas beaucoup moins coûteuse.Les arguments en faveur d’une transition accélérée reposent presque exclusivement sur les préoccupations à l’égard du changement climatique. Et en raison des besoins techniques et infrastructurels colossaux entraînés par cette transition, il faudra plusieurs décennies pour conquérir des parts de marché importantes à l’échelle continentale ou mondiale. Un monde où l’énergie fossile ne serait plus utilisée est peut-être très souhaitable, mais la tâche sera longue et difficile.*Vaclav Smil est un éminent professeur à la Faculté de l’environnement de l’Université de Manitoba à Winnipeg, au Canada. Il est membre de la Société Royale du Canada, et l’auteur de nombreux articles et livres sur l’énergie, l’environnement, la démographie et les questions économiques.RéférencesSmil, Vaclav (2006), Transforming the 20th Century, Oxford University Press, New York.Smil, Vaclav (2006), Energy: A Beginner’s Guide, Oneworld Publishing, Oxford.Smil, Vaclav (2003), Energy at the Crossroads, MIT Press, Cambridge, MA.

©L’Observateur de l’OCDE, n°258/259, décembre 2006


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