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"Quelle(s) énergie(s) pour demain ?"

en vue d’une journée de débat

mercredi 31 janvier 2018, par André-Jean

Pour chacun, avoir de l’énergie se comprend immédiatement, à la fois comme une espérance, une volonté, une attente ou une nécessité. C’est probablement une des clés du succès que connaît ce sujet actuellement dans les débats publics : il s’entend sous de multiples sens. Des précisions sont nécessaires avant de pouvoir répondre.

Sous sa simplicité, la question qui nous est posée, "Quelle(s) énergie(s) pour demain ?" soulève de nombreuses questions. Nous écartons délibérément les interprétations qui relient à l’énergie vitale, aux vibrations ésotériques, aux diverses formes de spiritualité, ou à l’énergie que l’on ressent à participer à des actions collectives [1]. Même limitée à sa dimension matérialiste, celle des énergies physiques de demain, la question appelle des précisions. Dans la suite, nous donnons quelques coups de projecteurs sur ces domaines d’interrogation.

Sommaire

Qu’est-ce que l’énergie ?

Pour grimper au sommet d’une montagne, il nous faut de l’énergie. Pour chauffer le contenu d’une casserole aussi. Déplacer un camion ou un navire demande pas mal d’énergie et encore davantage pour envoyer une fusée dans l’espace. Un barrage et une centrale hydroélectrique fournit du courant électrique qui transporte de l’énergie. La combustion du bois dégage de la chaleur. Le rayonnement solaire nous réchauffe. A l’inverse, il est possible de produire de la lumière avec une ampoule électrique, ou avec une lampe à gaz. Le frigo à absorption permet de refroidir à partir d’une source de chaleur. Chaque fois que le monde matériel est modifié, transformé, déplacé, de l’énergie est en jeu. [2]
Bien que le terme puise aux étymologies les plus lointaines, et qu’il mobilise les plus communes intuitions, le concept d’énergie a été profondément remanié à l’époque moderne [3]. L’observation a permis d’objectiver des équivalences et de quantifier les phénomènes. Dans une centrale hydroélectrique, l’eau passe dans des canalisations où elle perd de l’altitude et gagne de la vitesse. Il existe un rapport quantitatif entre cette perte et ce gain : Mgh = 1/2Mv2 (g = accélération de a pesanteur). On appelle le premier terme énergie potentielle de gravitation (car c’est la force de gravité qui fait "tomber" l’eau), et le second, énergie cinétique de l’eau. L’égalité des deux termes exprime une conservation de l’énergie. Ensuite, cette énergie cinétique est en partie communiquée aux turbines, et en partie perdue dans l’eau qui s’échappe et les frottements divers. L’énergie de rotation des turbines est en partie communiquée aux électrons du réseau au moyen d’un couplage électro-mécanique et en partie perdue en frottements divers. Mais la puissance de l’installation (puissance = débit d’énergie) tire son origine dans l’énergie potentielle de l’eau dans le réservoir. L’énergie est donc un concept qui permet de mettre des nombres sur les transformations de la matière, et par conséquent de les dimensionner. [4].
Contrairement aux usages les plus communs du terme énergie, même par des professionnels et des experts du sujet, il n’y a jamais fabrication ou destruction d’énergie. Il y a transfert d’énergie à l’occasion des transformations du monde matériel. La représentation actuelle de l’Univers fait même de la conservation de l’énergie un principe essentiel. C’est le premier principe de la thermodynamique.
Le second principe de la thermodynamique énonce que certaines transformations spontanées sont possibles, et d’autres ne le sont pas. La chaleur ne va pas spontanément d’un corps froid vers un corps chaud. Un mélange de fluides ne se sépare pas spontanément en ses éléments. En revanche, l’inverse peut se produire. Dans une bouteille Thermos où l’on met de l’eau chaude et des glaçons, l’ensemble évolue vers de l’eau tiède à température uniforme. Il est possible de "dégrader" un travail mécanique ou un courant électrique en chaleur, i.e. une forme ordonnée d’énergie en forme désordonnée, mais transformer la totalité de la chaleur en travail est impossible. Les physiciens ont construit une fonction théorique qui dépend des variables caractérisant l’état d’un système. L’Entropie d’un système isolé augmente avec son évolution spontanée. Elle caractérise le degré de désorganisation, ou d’imprédictibilité du contenu en information d’un système. [5]
En revanche, beaucoup des systèmes auxquels on s’intéresse, ne sont pas isolés ou fermés. Les remous ou les vagues d’un torrent, les cellules de convection d’eau chauffée dans une casserole, une plante captant le rayonnement lumineux, un animal mangeant à sa faim, un cyclone au-dessus d’une zone d’eau océanique chaude, etc. sont ouverts sur leur environnement avec qui ils échangent des flux de matière et d’énergie. De nombreux phénomènes semblent issus d’une Auto-organisation allant à l’inverse d’une augmentation de l’entropie croissante. C’est au prix d’une dissipation d’énergie qui maintient la structure auto-organisée.
Les lois de la thermodynamique sont fondamentales au sens où tous les systèmes physiques, c’est à dire tous les systèmes existants, y compris les systèmes vivants, y compris les sociétés humaines y obéissent. L’élaboration du concept actuel d’énergie a été particulièrement longue et tortueuse. Elle a fait intervenir d’intéressants allers et retours entre sciences et techniques vers une épuration théorique simple dans son expression, bien que difficile à appréhender dans toute sa portée et ses implications. A l’inverse, la trace des techniques mises en œuvre pour la mobilisation des diverses formes d’énergie disponible reste inscrite dans la profusion historique des termes et des unités utilisées : voire notamment sur Connaissance des énergies : Unités de l’énergie, ou de façon moins exhaustive sur ce site.
La fécondité du chaos est à l’origine de l’émergence du monde croyaient les Grecs anciens. Organiser et transformer le monde exige de l’énergie. Ordo ab chao, la formule latine traduit la mythologie antique. L’être humain s’est fait démiurge. Il a développé des outils sophistiqués pour répondre à ses besoins lorsqu’il en a besoin. Il a besoin de maîtriser des quantités croissantes d’énergie : capture des flux, stocks, transports, utilisation. Ces opérations doivent naturellement respecter les principes de la thermodynamique. Elles sont en outre limitées par nos capacités techniques.
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Quelles formes prend l’énergie ?

Comment se concrétise cette énergie domptée ? Les Grecs en ont donné une bonne image avec Prométhée et le feu volé aux Dieux et donné aux hommes. Peut-on capturer le feu ? Enfermé, il s’éteint et tout évolue vers une température uniforme comme dans la bouteille Thermos. Le feu se manifeste par la lumière et la chaleur émises lors de la réaction chimique entre du bois, de la graisse, du charbon, de l’essence, etc. avec l’air. Maîtriser le feu, c’est disposer des matériaux combustibles et réguler le flux de leur mise en œuvre au moyen d’une technique précise. Les matériaux combustibles, c’est la possibilité de dégager de l’énergie avec leur transformation. La technique permet de la mobiliser en un flux susceptible de répondre aux désirs, aux besoins. L’antiquité a créé les Vestales.

Lorsque le flux des besoins énergétiques s’impose, il faut maîtriser celui des matières recélant un potentiel de production et disposer de stocks suffisants. Les êtres vivants disposent d’énergie en consommant et oxydant des macro-molécules organiques (des chaînes carbonées principalement). Une bonne partie de leur activité consiste à transformer des flux d’énergie en stocks de macro-molécules carbonées [6] mobilisables le jour et la nuit, l’hiver comme au printemps, lors des phases intenses d’activité comme la reproduction, selon les aléas météo ou climatiques. Ces aléas sont tels qu’ils exigent des stocks bien supérieurs aux seuls besoins physiologiques moyens. Le charbon, le pétrole et le gaz naturel, sont le fruit des énergies chimiques accumulées par les organismes vivants pendant des centaines de millions d’années.

Les être humains, comme tous les vivants, ont besoin de consommer un flux régulier d’aliments pour satisfaire leur métabolisme et leur activité. Ingurgiter en une fois les nourritures d’une vie, d’une année ou simplement d’un mois, non seulement est inutile mais tue. A l’inverse, que les flux d’aliments risquent de manquer et il y a péril. L’élevage et encore davantage l’agriculture ouvrent accès à des quantités accrues de nourriture, mais ils imposent le stockage. L’histoire des techniques est largement remplies par celles répondant à l’exigence d’échanger entre des transformations matérielles et des flux d’énergie utile.

Le 20ème a connu plusieurs tentatives pour capter l’énergie de la foudre. Mais, les centaines de kWh [7] de chaque éclair (en moyenne) sont aléatoires (on ne sait pas quand et où ils tombent). Ils seraient très couteux à collecter car il faudrait couvrir tout le territoire de dispositifs de capture (des sortes de parafoudre). Le stockage qui permettrait une utilisation progressive de ces décharges électriques n’est pas techniquement accessible. On sait aujourd’hui que la foudre, source d’énergie renouvelable, ne sera pas mobilisée dans un avenir proche [8]. La maîtrise de l’énergie mobilise un ensemble de dispositifs techniques. On est alors amené à examiner la diversité des sources, celle des utilisations et celle des voies d’exploitation de l’énergie. Un certain nombre de notions s’imposent pour aborder le sujet.

  • Les stocks d’énergie sont en fait des stocks de matière qui recèlent dans leur possibilité de transformation, une énergie maîtrisable : de l’eau dans un réservoir de montagne susceptible d’être turbinée ; une quantité de pétrole susceptible de bruler et produire de la chaleur à haute température ; des denrées conservées susceptibles de nourrir nos organismes ; etc.
  • Ces stocks ont eux-même des caractéristiques qui leur confèrent des utilisations spécifiques : nature des transformations possibles, densité énergétique, etc.
  • Les flux d’énergie utiles peuvent résulter des transformations de ces stocks mais aussi de la capture de flux d’énergie tels que le rayonnement solaire ou l’énergie cinétique du vent.
  • Ces flux peuvent être concentrés ou dilués, pilotables (c’est à dire maîtrisés par les hommes) ou intermittents (c’est à dire aléatoires et dépendant de conditions naturelles), plus ou moins facilement transformables en stocks susceptible de fournir de l’énergie en retour avec des rendements théoriques et techniques plus ou moins bons.
  • Les rendements théoriques, ceux qui résultent de la thermodynamique, limitent les rendements pratiques, ceux des transformations naturelles comme ceux des dispositifs pratiques mis en œuvre par nos sociétés humaines. Ces derniers peuvent toutefois être bien inférieurs aux premiers ce qui laisse entrevoir des possibilités d’amélioration au cours des décennies à venir. 
Quelques exemples de rendements de transformation [9]
Processus de conversion Rendement pratique
Photosynthèse < 0,06
Muscle entre 0,15 et 0,25
Stockage en macro-molécules organiques 0,1 à 0,2
Transformation végétal - animal 0,1 à 0,2
Moteur à combustion interne 0,1 à 0,5
Moteur électrique 0,3 à 0,99
Turbine à gaz 0,4 à 0,6
Éolienne 0,59
Cellule photovoltaïque 0,06 à 0,4 (0,15 en pratique)
Centrale nucléaire 0,35
Pile à combustible 0,5 à 0,8
Production d’électricité mondiale 2008 0,33
Réfrigérateur 0,2 à 0,5
Lampe à incandescence 0,001 à 0,1
Diode électroluminescente 0,05 à 0,35
Radiateur électrique 1
Stockage massif d’électricité 0,3 à 0,8 [10]

Maîtriser l’énergie demande des ingénieries de plus en plus complexes et des investissements techniques de plus en plus lourds, coûteux et de longue durée.

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Quelles ressources énergétiques les humains utilisent-ils ?

Pour chacun de nous, être humain, le flux d’énergie le plus indispensable nous est apporté par nos aliments. Un adulte au repos produit un flux de chaleur d’environ 70 watts, soit autant qu’une ampoule conventionnelle [11]. L’énergie ainsi dissipée chaque jour correspond à environ 1 400 kilocalories, qui doivent être compensées par un apport énergétique quotidien provenant de la ration alimentaire. Le même être humain a aussi des activités physiques qui demanderont des apports journaliers compris entre 2 000 et 3 000 kilocalories. [12] Très longtemps, la force musculaire humaine a été le principal moteur d’énergie mécanique pour la recherche de la nourriture, la fuite face aux dangers, les transports, les déplacements pour accéder à de nouveaux territoires, la production et la transformation alimentaires. La domination et l’exploitation de ce moteur se sont développés avec l’esclavage. [13]

L’homme, comme la quasi-totalité du monde animal, une bonne partie des microorganismes et une partie du monde végétal (notamment les champignons), puise ses ressources énergétiques dans son environnement. Il mange d’autres êtres vivants, végétaux et animaux. Au total, en remontant les chaines trophiques la quasi-totalité des flux énergétiques nécessaires à la vie sur terre est fournie par les organismes photosynthétiques, végétaux, algues, lichen, phytoplancton, etc. capable de capter une partie du rayonnement solaire, et, à partir de gaz carbonique et d’eau, de le transformer et le stocker sous forme de molécules organiques recélant un potentiel d’énergie chimique mobilisable.
Par nature, les êtres humains ont toujours prélevé une part de ces ressources. La maîtrise du feu, plus tard la domestication et l’agriculture ont augmenté considérablement les ressources auxquelles ils pouvaient accéder. La population humaine s’est accru en conséquence. Aujourd’hui une partie croissante de la production photosynthétique, la biomasse végétale, est prélevée par les sociétés humaines et pourvoit à bien d’autres utilisations en plus de l’alimentation.

A l’échelle planétaire, ces flux de biomasse sont fort importants [14]. Les plantes et organismes chlorophylliens synthétiseraient 3x1021 J/an d’énergie chimique [15] en fixant des masses de CO2 (2x1011 t/an [16]). Les sociétés humaines en prélèveraient entre 7 et 10 %, de 2 à 3x1020 J/an soit encore 5 et 7 000 Mtep/an.
Les circuits d’utilisation de cette biomasse sont complexes [17].

Ventilation des utilisations de la biomasse collectée par les hommes estimée en millions de tonne équivalent pétrole par an pour 2012
Destination estimation en Mtep/an
Alimentation directe humaine  745
Énergie (animaux de trait, charbon de bois, chaleur, biocarburants, etc.) 1 680
Utilisations industrielles (bois, papier, textile, chimie, etc.) 1 000
Pertes de métabolisme des animaux d’élevage 1 633
(dont 80 % attribuable à la consommation humaine de produits animaux) (1 300)
Estimation totale 5 058

L’alimentation humaine stricto sensu ne mobilise déjà plus que 15 % en équivalent énergétique (les 2/5èmes avec les pertes liées à l’élevage pour la production de denrée d’origine animale) des prélèvements effectués sur la production végétale planétaire. La biomasse constitue le premier flux énergétique auquel accèdent les sociétés humaines, hier, aujourd’hui encore comme on va le voir, et pour longtemps très probablement.

A ces ressources énergétiques vivantes les plus anciennes (chasseurs-cueilleurs), les êtres humains en ont mobilisé d’autres au fil de leurs maîtrises technologiques : éoliennes (moulins, voile, etc.), solaires (chaleur, puis, récemment, photoélectrique), hydrauliques (moulins, pompes, irrigation, etc.), marémotrices (moulins, pêche, etc.), géothermiques (bains, chauffage, etc.). La révolution industrielle a commencé avec ces innovations. Elle s’est déployée avec l’exploitation à large échelle des combustibles fossiles (lignite, charbon, pétrole, gaz). Elle a permis d’accéder à la maîtrise de la plus récente des ressources énergétiques : nucléaire.

Les flux annuels de ressources énergétiques en 2016 étaient [18] :

Productions annuelles mondiales 2016 par sources d’énergie estimées en milliards de tonne équivalant pétrole
Ressource Production annuelle en Gtep
Biomasse (tous usages) 5 à 7
dont biomasse à usage énergétique 1,32
Pétrole 4,4
Gaz naturel 3,2
Charbon 3,66
Uranium 0,59
Hydroélectricité 0,91
Énergie éolienne 0,22
Énergie solaire 0,075
Total 14,4 à 20 si l’on inclut la totalité de la biomasse

Nos sociétés humaines mobilisent donc de 14 à 20 Gtep/an [19]. Les ressources fossiles, nucléaires et renouvelables se sont ajoutées les unes aux autres sans se substituer. Les perspectives de demande d’énergie restent à la hausse. Selon l’Agence internationale de l’énergie [20], la consommation d’énergie devrait croître de 30% entre 2017 et 2040 [21].
Ces ressources recèlent des avantages pratiques variables selon les exigences technologiques pour y accéder et les retours qu’elles permettent d’espérer. Un détour par la notion d’EROI en précise la compréhension.

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Pouvons-nous mesurer les fruits de nos efforts pour disposer d’énergie ?

Les lois de la thermodynamique constituent le cadre théorique de la physique de l’énergie. Elles impliquent une dégradation à sens unique de la qualité de l’énergie, d’un potentiel susceptible de transformations dans les diverses autres formes d’énergie, vers une chaleur inutilisable pour produire toute autre forme. Le rendement de transformation d’un potentiel énergétique vers une autre forme organisée est forcément inférieur à 1.
En complément, l’EROI est un concept technologique. Qu’est-ce que l’EROI ou Energy Returned On Investment ou en meilleur français le taux de retour énergétique, le TRE ? Nous utiliserons indifféremment ces diverses expressions par la suite. Le taux de retour énergétique (EROI) est le ratio d’énergie utilisable acquise à partir d’une source donnée d’énergie, rapportée à la quantité d’énergie dépensée pour obtenir cette énergie. C’est donc un ratio utilitaire. On imagine facilement que si l’on doit dépenser plus d’énergie disponible que celle que l’on récupèrera, on aura perdu. Contrairement au rendement énergétique (toujours inférieur à 1), l’EROI est donc supérieur à 1, sauf à s’être trompé dans son investissement. Et du point de vue sociétal, la question est la suivante : une fois que le secteur énergétique a prélevé l’énergie dont il a besoin pour fonctionner, combien est-il capable de reverser aux autres secteurs d’activité ?

L’estimation de l’EROI reste cependant sujet à débat, car elle dépend fortement du périmètre considéré. Jacques TREINER l’explicite [22]. Aux débuts de l’exploitation du pétrole, le taux de retour énergétique était de 100 pour l’exploitation elle-même : l’énergie du pétrole qui coulait spontanément était 100 fois supérieure à celle nécessaire pour forer le trou. Cela valait vraiment l’effort et a permis à des fortunes de se faire en Amérique comme au moyen Orient [23]. Et pour permettre l’utilisation pratique de ce pétrole, tout un environnement technique de la société est indispensable. Aujourd’hui, avec les nouveaux forages techniques et en eau profonde le taux de retour énergétique semble être déjà inférieur à 10. Si l’on doit intégrer les besoins énergétiques pour le raffinage, le transport des produits pétroliers, et les infrastructures d’utilisation de cette énergie (routes, etc.), alors le taux de retour énergétique pour la société tombe à moins de 2 : nous investissons 1 Tep pour disposer de moins de 2 Tep utilisables pour la société. Euan MEARNS [24] met en évidence la chute brutale de l’énergie disponible pour la société avec la baisse du taux de retour énergétique. Pour maintenir nos sociétés techniques, souligne-t-il, il nous faut un taux supérieur à 5-7, ce qu’il illustre avec le graphique de la falaise de l’énergie nette disponible pour la société.
L’enjeu est donc important. Avons-nous une bonne connaissance des EROIs des diverses formes de ressources énergétiques ? Et bien non. Plusieurs raisons l’expliquent : i) ce ratio doit être calculé ressource par ressource ; ii) le ratio dépend beaucoup du périmètre auquel on s’intéresse et chaque choix de périmètre est discutable [25] ; iii) ce ratio évolue avec le temps et le lieu et doit être recalculé en fonction des progrès technologiques ; iv) les luttes d’influence autour des diverses formes énergétiques se répercute sur les valeurs qui arrivent dans le domaine public. L’article de Wikipédia Taux de retour énergétique donne des chiffres réunis dans un tableau, mais ils sont déjà obsolètes pour les spécialistes, comme le signale un article de Jacques TREINER [26]. Euan MEARNS [27] reporte les diverses ressources et technologies utilisées sur le graphique des EROI.

{TRE} de diverses ressources énergétiques
Euan MEARNS a placé les diverses sources d’énergie utilisées sur le graphique de la Falaise de l’énergie nette disponible pour la société (voire graphique plus haut). Il en ressort, selon ses estimations, que l’hydroélectricité, les cerf-volants en haute altitude et, peut-être l’énergie nucléaire, ont des EROI suffisamment élevés pour éviter à l’humanité de tomber de la falaise. Les nouvelles et très médiatiques énergies vertes, biocarburants, photovoltaïque et éolien complétés par du stockage (pour palier leur intermittence et absence de pilotage), se situent au-delà du bord de la falaise. La poursuite de leur déploiement peut mettre en péril nos sociétés humaines qui devraient alors consacrer une part trop importante de son énergie pour mobiliser ses ressources énergétiques. Les combustibles fossiles restent confortablement à gauche du bord de la falaise, mais ils s’en rapprochent de plus en plus chaque année. Eeq correspond à équivalant électricité.

Nos sociétés actuelles, nos modes de vie et nos organisations sociales sont gourmandes en énergie nette disponible. Les ressources énergétiques commercialisées à l’échelle planétaire, sont à plus de 80 % tirées des combustibles fossiles carbonées (lignite, charbon, pétrole, gaz). Nous profitons encore d’un taux de retour énergétique, EROI autour de 20. Or l’avenir des ressources carbonées fossiles est doublement compromis. On vient de le voir les nouveaux gisements dégagent des EROI plus souvent inférieurs à 10 que supérieurs à 20. Plus grave, la limitation des changements climatiques est incompatible avec la poursuite des émissions de gaz à effet de serre (GES). C’est ce qu’il nous faut aborder à présent.
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Quel futur climatique souhaitons-nous préparer ?

L’année 2017 a connu des incendies immenses qui ont touché notamment l’Europe et les États-Unis. Ils se sont prolongés jusqu’en décembre accompagnant des sècheresses tardives. Dans quelques décennies, lors d’une sécheresse apocalyptique liée aux activités humaines, une lutte opposera les États du Sud-Ouest américain pour l’accès à l’eau de la rivière Colorado. Sous le soleil écrasant du désert de l’Arizona, les habitants de Phoenix en seront réduits à boire leur urine recyclée… Les plus fortunés, quant à eux, survivront confortablement sous des dômes recréant artificiellement des écosystèmes paradisiaques [28]. Ce type de construction est en projet dans plusieurs grandes villes du monde [29]. Il s’appuient sur l’expérience d’Arcosanti. Des questions essentielles viennent immédiatement : Qui aura accès à ces enceintes protégées ? Et quid de la nature à l’extérieur de ces structures ? [30]

Suffisamment de paroles et d’écrits de qualité décrivent la réalité des changements climatiques et alertent sur les menaces qui les accompagnent. Nous nous dispenserons de développer cet aspect et nous contenterons des références accessibles en note [31].
Retenons seulement :

  • L’accord de Paris à l’issu de la COP21 en décembre 2015 fixe l’objectif de limiter le réchauffement climatique à moins de 2°C, et si possible à moins de 1,5°C [32].
  • Les engagements de limitations des émissions de GES annoncées par les États ne suffisent pas. Ils placent notre planète sur une trajectoire de réchauffement plus probablement comprise entre 3 et 4°C.
  • L’espoir raisonnable de respecter l’objectif des moins de 2°C nécessite que les émissions anthropiques nettes de gaz à effet de serre (GES) du monde redeviennent nulles [33] au cours de ce siècle et si possible peu après 2050.
  • Plus des 3/4 des émissions de gaz à effet de serre anthropiques sont constitués de gaz carbonique (CO2) dont les 3/4 proviennent des utilisations énergétiques de ressources de carbone fossile.
  • Se placer sur une trajectoire à 2°C, a fortiori à 1,5°C, impose de laisser sous terre au moins les 2/5èmes des réserves fossiles carbonées certaines et au moins les 4/5ème des ressources probablement accessibles.
  • L’Europe, quant à elle, devrait atteindre la neutralité carbone d’ici 2050 [34]. Concernant la France, l’objectif de neutralité carbone à l’horizon 2050 a été consacré par le Plan Climat du Gouvernement présenté le 6 juillet 2017.

Sortir des énergies fossiles carbonées est impératif. Mais, ce sera difficile et coûteux. Il nous faudra intelligence, sobriété, efficacité, solidarité, dans le choix des solutions et des investissements. Examinons tout d’abord s’il y a des alternatives à l’utilisation massive des énergies carbonées fossiles, voyons quels flux d’énergie potentielle s’offrent à la porté de l’humanité.
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Reste-t-il des flux d’énergie accessibles ?

Oui il y a des flux importants d’énergie accessible en dehors des combustibles fossiles, et pour longtemps ! Ouf ! Passons les en revue à l’échelle de la planète.

Le soleil tout d’abord. Il abrite en son cœur un réacteur thermonucléaire en perpétuelle activité. L’hydrogène qui constitue encore 75 % de sa masse y est progressivement transmuté en hélium. Chaque seconde près de 700 millions de tonnes d’hydrogène y sont converties en moins de 700 millions de tonnes d’hélium. La différence de masse est transformée en rayons gamma (selon l’équilibre décrit par la fameuse formule d’Einstein : E=mc2). Cette fusion thermonucléaire produit ainsi un flux énergétique permanent de 3,87 x 1026Watts sous forme de lumière et de vent solaire dont une toute petite part vient ensuite frapper notre planète. Cela dure depuis 4,6 milliards d’années et d’après les astrophysiciens, cela devrait encore durer au moins autant [35].
Le soleil fournit le plus important flux d’énergie accessible sur Terre. Cette dernière intercepte en permanence un rayonnement solaire d’une puissance de 340 W/m2 [36], soit au total 170 pétawatts [37], dont 122 sont absorbés alors que le reste est réfléchi vers l’espace. L’énergie solaire ainsi absorbée pendant une année sur Terre est de 3 850 zettajoules [38] [39].
Ce flux de rayonnement solaire est exploité par la photosynthèse des plantes et organismes vivants chlorophylliens. Il est transformé en molécules chimiques, essentiellement des chaines de carbone fabriquées à partir du gaz carbonique (CO2) et de l’eau (H2O) présents dans l’atmosphère et l’océan. La photosynthèse fixe l’équivalent de 3 ZJ/an. Le rendement d’accumulation de l’énergie solaire en énergie chimique des molécules organiques est faible, moins de 0,1 %. Mais, au fil des centaines de millions d’années, il a permis la constitution des réserves de combustibles fossiles : lignite, charbon, pétrole, gaz naturel. Ces derniers sont donc des stocks d’énergie solaire passées. Ce qui est consommé, notamment par les activités humaines, n’est pas renouvelable à l’échelle de la vie humaine, ni même de celle de la durée de l’humanité.
Le rayonnement solaire réchauffe aussi la Terre, son océan mondial, son atmosphère dont la température moyenne dépend de la plus ou moins grande importance de son effet de serre. Il provoque l’évaporation de l’eau et, partant, la nébulosité et la pluviométrie. Les différences de températures entre les régions les plus ensoleillées (équateur et tropiques) et celle qui le sont le moins (pôles) induisent les vents et les courants marins.

L’Inde veut mobiliser les énergies renouvelables

L’énergie directe du rayonnement solaire est connue et utilisée depuis l’antiquité. Elle a connu une progression significative avec la découverte, puis la compréhension, enfin avec l’exploitation du phénomène photovoltaïque. Ses rendements actuels dépassent déjà les 10 % en exploitation industrielle ce qui est bien mieux que la photosynthèse, mais sans l’avantage du stockage chimique qu’ajoute cette dernière. Avec un tel rendement et un déploiement sur 10 % de la surface du globe la production d’électricité qui en résulterait représenterait 100 fois la consommation énergétique annuelle de l’humanité. Et des marges de progrès technologiques existent. La qualité du flux du rayonnement solaire (rayonnement à plus 5 000 °K), permet un rendement thermodynamique théorique supérieur à 90 %.
La majeure partie des énergies dites « renouvelables », solaire, hydraulique, éolienne, proviennent en fait plus ou moins directement du rayonnement issu des réactions thermonucléaires dans notre étoile.

Le second flux énergétique terrestre provient de la géothermie, la chaleur venant de la Terre elle-même. Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer un peu de cette chaleur, cependant la plus grande partie de la puissance géothermique obtenue en surface (87 %) est produite par la radioactivité des roches qui constituent la croûte terrestre (désintégration naturelle de l’uranium, du thorium et du potassium) [Géothermie]. Le flux énergétique de l’activité radioactive de la Terre est estimé à 60 mW/m2, soit 44 térawatts [40] soit 0,025 % de la puissance reçue du soleil. Une misère ! C’est toutefois l’équivalent de l’énergie calorifique mis en œuvre dans plus de 15 000 centrales nucléaires de 1 000 MW électrique. C’est aussi plus de 2 fois la consommation énergétique de l’humanité. Ce flux est à relativement basse température et il ne peut pas offrir des rendements important de transformations vers d’autres énergie contrairement au rayonnement solaire. Toutefois sous forme de chaleur, il est connu et utilisé dans les thermes depuis l’antiquité. L’Islande bien sur, mais aussi la Suède aujourd’hui exploitent largement le flux géothermique, notamment pour l’habitat.

Un troisième flux énergétique est accessible sur Terre avec les effets des forces gravitationnelles. Les mêmes forces qui contiennent et permettent le fonctionnement du réacteur thermonucléaire solaire s’exercent aussi sur Terre avec les effets de marée liés à l’attraction de la Lune et du Soleil sur notre planète. Ces forces induisent de petits mouvements des plaques tectoniques de l’écorce terrestre et pourraient être parfois la cause déclenchante de séismes. Elles sont surtout à l’origine des marées des eaux océaniques. Le flux énergétique correspondant est toutefois sensiblement plus limité que les précédents avec une estimation de 3 TW, 0,002 % du flux solaire. L’énergie marémotrice est exploitée, elle aussi, depuis longtemps, par exemple avec les moulins à marée. Mais, cela reste marginal.

Rappelons aussi deux ressources énergétiques exploitées avec le développement industriel de nos sociétés.
Le carbone fossile (lignite, charbon, pétrole, gaz, etc.) représente, comme on l’a vu plus haut, plus de 80 % des ressources énergétiques actuelles de nos sociétés. Elles sont la première cause des émissions de GES. Les stocks prouvés et probables sont encore considérables, même si leur taux de retour énergétique diminue régulièrement et se rapproche de ceux des énergies renouvelables intermittentes.
L’énergie nucléaire exploite la fission des atomes les plus lourds. Les craintes inspirées par l’armement nucléaire lui portent préjudice. De nombreuses questions font polémiques autour de son utilisation. La majeure partie des projets de mise en œuvre naissent à présent des les pays émergents : Chine, Inde, Afrique du Sud, etc. [41]

Pour résumer [42] :

Flux d’énergie sur Terre
Flux\Estimation ZJ/an [43] Gtep/an W/m2 % ES reçue
Énergie du rayonnement solaire intercepté par la Terre 5 400 130.103 340 140
Énergie du rayonnement solaire absorbé au sol 3 900 92.103 235 100
Énergie supplémentaire absorbée au sol du fait des gaz à effet de serre anthropiques 38 920 2,3 1
Géothermie (radio-activité terrestre) 2,3 55 0,14 0,06
Énergie gravitationnelle  0,16  3,75  0,01  0,004 
Énergie captée et stockée par la photosynthèse 3,02 72 0,18  0,078
Énergies fossiles (charbon + pétrole + gaz naturel) 0,47 11,3 0,029 0,012
Équivalent énergétique de la biomasse 0,21 5 à 7 0,013  0,005
Hydroélectricité + Uranium + éolien + solaire 0,071 1,7  0,0043  0,002

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Demain, c’est quand ?

L’approvisionnement énergétique de nos sociétés nécessite des infrastructures parmi les plus gourmandes en investissements. Le repérage d’un champ pétrolifère et des réservoirs exploitables, les forages afférents, les moyens de transport (navires ou oléoducs), les raffineries, les réseaux de distribution des produits pétroliers, les moteurs pour transformer in fine l’énergie thermique en mouvement, tout cela demande des investissements lourds et qui sont faits pour des décennies. Les centrales de production électriques, y compris les champs d’éoliennes et les fermes solaires doivent fonctionner elles aussi pour des dizaines et dizaines d’années. Les réseaux électriques aussi. En matière de production et de consommation énergétique les évolutions s’envisagent plus facilement à 100 ans qu’à 10.

Demain
En un jour, le mix énergétique n’aura que très peu changé. Il faut porter le regard plus loin et observer les évolutions tendancielles et celles possibles.

A très long terme
Dans le domaine des ressources énergétique, le très long terme, c’est nécessairement au-delà du siècle. On est dans la futurologie et l’imagination peut se déployer à l’intérieur des champs que nous avons parcouru :

  • L’énergie solaire et ses dérivées (vent, pluie) apparaît évidemment au premier rang. Son flux est de loin le plus important. Les marges de progrès techniques paraissent encore importantes. Sa répartition à la surface de la terre est inégale, mais, il paraît possible d’y remédier, au moins en partie. Son intermittence peut aussi trouver des réponses. Dès à présent elle bénéficie d’importants investissements.
    L’énergie solaire sera-t-elle exploitée comme aujourd’hui, via l’hydraulique ou les éoliennes, ou plus directement avec d’immenses surfaces de panneaux solaires ? Le solaire à concentration [44] reviendra-t-il sur le devant en permettant de répondre aux défauts de l’intermittence ? Aurons-nous de grands réseaux d’interconnexion internationaux tel que le Plan solaire méditerranéen ou Desertec ou, plus ambitieux, un réseau électrique propre et mondial [45] ? Aurons-nous une généralisation d’un stockage de l’énergie sous forme chimique avec la production d’hydrogène ou de méthane ?
    Projet de centrale solaire orbitale NASA, 1976

    Sera-t-elle captée par des satellites artificiels et retransmise sur Terre  [46] ? etc. La fusion thermonucléaire terrestre complètera-t-elle celle du soleil ? Pourra-t-elle se déployer dans des outils technologiques terrestres tel les éventuels successeurs du projet ITER.

  • Après une première vague d’exploitation, la radioactivité des éléments lourds sera-t-elle laissée à la seule géothermie ? A l’inverse, les progrès envisageables des technologies nucléaires encore récentes seront-ils déployés ? Permettront-ils à la fois de multiplier par plus de 100 le potentiel de production énergétique à partir des stocks d’uranium et de thorium terrestres et de réduire drastiquement le volume, la durée et la toxicité des déchets nucléaires actuellement produits ?
  • La biomasse restera-t-elle la première ressource en équivalent énergétique ? Ou sera-t-elle réservée à l’alimentation et au maintien des éco-systèmes ? Les transports à longue distance et notamment l’aviation trouveront-ils des substituts à l’exceptionnelle densité énergétique des carburants liquides ? Et sinon, ceux de demain continueront-ils à provenir du carbone fossile ? Est-ce que nous les fabriquerons à partir de la biomasse végétale ou en recyclant le gaz carbonique avec d’autres sources d’énergie ?

Les alternatives sont nombreuses. Beaucoup de pistes seront essayées. Beaucoup seront des impasses, comme avec l’évolution de la vie où les espèces disparues sont bien plus nombreuses que celles encore existantes. Et à ce titre, sur le très long terme, peut-on être assuré de la pérennité de nos sociétés humaines ? Que sait-on des conséquences en chaînes d’éventuels changements climatiques majeurs ?

Entre demain et très longtemps
Entre demain qui ressemblera à aujourd’hui et les prochains siècles dont on ne connait que le cadre dans lequel ils s’inscriront, reste l’essentiel : les évolutions à venir qui résulteront de nos choix collectifs. Partant...

  1.  Insistons sur les menaces liées aux changements climatiques. Ils compromettent dès à présent les conditions de vie de dizaines de millions de personnes dans le monde. D’ici 2050, des centaines de millions chercheront où migrer. Au-delà des 2°C retenus par les Nations Unies lors de l’Accord de Paris, on ignore largement les enchainements d’effets déstabilisants qui pourraient compromettre jusqu’à la pérennité de nos civilisations humaines.
  2.  Soulignons l’agression violente des pollutions aériennes issues des combustibles fossiles. Dans le monde elles provoquent la mort prématurée de millions de personnes chaque année, soit davantage que la totalité des décès imputables à toutes les autres formes d’énergie depuis les débuts de leur utilisation.
  3.  Déplorons que 80 % des ressources énergétiques utilisées par l’humanité soit précisément ces énergies fossiles. Et décidons que, en cohérence avec l’Accord de Paris en 2015, la première priorité doit être de s’en débarrasser, de ne plus les exploiter et d’en laisser la majeure partie à leur place dans le sous-sol.
  4. Réduisons nos consommations énergétiques par des investissements en efficacité énergétique. N’ignorons pas pour autant les énergies nécessaires pour la fabrication de ces équipements. Et recherchons les modes de production et de consommation qui conjuguent bien-être et sobriété énergétique.
  5. Constatons toutefois que les consommations énergétiques de l’humanité s’élèvent déjà à 14 Gtep/an. Et admettons qu’avec une croissance démographique d’environ 30 % de la population d’ici 2050 et la volonté d’un "développement durable" pour tous [47], la consommation énergétique pourrait bien atteindre 20 Gtep/an en 2050.
    Dans son exercice World Energy Outlook pour 2017, l’Agence Internationale de l’énergie anticipe une augmentation de la demande d’énergie de 30 % d’ici 2040 soit entre 18 et 19 Gtep/an.
  6. Soulignons une nouvelle fois que la production chlorophyllienne est de loin la plus importante voie de capture d’énergie du rayonnement solaire et de stockage de cette énergie sous forme biochimique. Ce niveau de capture et de stockage n’est pas fixe. Il peut se dégrader, l’artificialisation comme la dégradation et l’érosion des sols y contribuent. Il peut s’améliorer, les pratiques d’agriculture écologiquement intensive, d’agroforesterie, de reboisement, d’irrigation, y contribuent.
  7. Œuvrons résolument, à toutes les échelles, à une production durable de biomasse. Elle restera encore longtemps la plus importante des sources d’énergie considérée comme renouvelable au plan mondial comme européen ou français.
  8. Protégeons pour cela les sols contre toutes les dégradations (artificialisation, pollution, dégradation agronomique, etc.). Encourageons les pratiques qui augmentent le carbone organique dans les sols, rehaussant leur fertilité et contribuant à la capture et la séquestration d’une part du gaz carbonique atmosphérique.
  9. Veillons au dynamisme des écosystèmes et à la préservation de la diversité biologique. Et gérons avec précaution la production et l’utilisation de la biomasse en vue à la fois de satisfaire des besoins alimentaire et des substitutions de carbone fossile par du carbone issu de la biomasse.
  10. Réjouissons-nous de la baisse rapide des coûts des énergies renouvelables et en particulier du solaire photovoltaïque. Œuvrons à faire baisser de même ceux des systèmes de stockage de l’électricité. Et ne doutons pas que ces techniques apporteront d’excellentes solutions à la pénurie d’accès à l’électricité dont souffre encore près de 2 milliards de nos contemporains en particulier dans les régions intertropicales où le rayonnement solaire abonde régulièrement.
  11. Ajoutons que le potentiel théorique d’amélioration du rendement opérationnel des capteurs photovoltaïques est encore très important. Acceptons d’investir une part accrue de ce que nous consacrons à ce mode de production énergétique dans de la recherche.
  12. Ne feignons pas d’ignorer en revanche les besoins massifs en ressources diverses nécessaires (matériaux miniers, énergie de fabrication, pollutions, etc.) pour la capture et la collecte d’énergies renouvelables très diffuses. Ne nions pas davantage le caractère intermittent et non pilotable de certaines EnR (en particulier éolien et photovoltaïque) et les redoutables problèmes de continuité de service et de stabilité des réseaux électriques soulevés qui exigeraient en réponse des investissements complémentaires plus coûteux que les capteurs d’énergie eux-même.
  13. Prenons la mesure des limites opérationnelles et financières du développement des principales énergies renouvelables électriques (solaire, éolien, hydraulique, etc.) à environ 10 Gtep/an d’ici 2050 [48].
  14. Interrogeons-nous sur les autres ressources disponibles sans carbone pour couvrir les autres 10 Gtep/an de fourniture énergétique.
  15. Reconnaissons l’exceptionnelle densité de production d’énergie libre qu’offre le nucléaire. De ce fait, cette énergie est particulièrement adaptée aux besoins des sociétés industrialisées. Contrairement à certaines déclarations empreinte d’idéologie qui veulent la faire passer pour une "énergie du passé", il s’agit bien d’une énergie d’avenir qui recèle encore de formidables potentiels d’amélioration et de perfectionnement.
  16. Regrettons que les investissements nécessaires ne permettront pas d’espérer plus de quelques Gtep/an de production à partir du nucléaire. Atteindre 5 Gtep/an de nucléaire nécessiterait environ 8 000 centrales de 1 000 MWe. Disposer de cette production d’ici 2050 demanderait la mise en service de 1 centrale par semaine. [49]
  17. Soyons bien convaincus toutefois que la technologie nucléaire civile, comportant notamment une haute culture de sécurité, se développera dans de nombreux pays (Chine, Inde, Afrique du Sud, pays européens, etc.). N’écoutons pas le chant des sirènes qui, par ignorance, naïveté ou cynisme, voudraient décourager la France de rester à la pointe de cette technologie.
  18. Investissons aussi dans la maîtrise de la capture et la séquestration ou le recyclage du gaz carbonique. Seules ces techniques permettront d’utiliser encore les ressources fossiles sans émissions de GES.
  19. Ayons à l’esprit que l’énergie est un flux critique pour nos sociétés bien au-delà des besoins individuels. N’oublions pas les infrastructures de transport, de stockage et de distribution, de sécurisation, de régulation des flux énergétiques, avec des besoins d’investissement souvent équivalents ou supérieurs à ceux des seules productions.

La tâche est immense. Notre pays n’est pas le moins bien placé pour y répondre. Le Manifeste pour décarboner l’Europe formule des propositions à l’échelle du continent avec des déclinaisons pour la France.
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Notes et compléments

Je remercie notamment Jacques Treiner, et Pierre Guérin pour leurs relectures attentives et leurs suggestions constructives.


[1Voire là-dessus Énergie et ésotérisme

[2Jean-Marc JANCOVICI explicite : L’énergie, de quoi s’agit-il exactement ?

[3Pour en savoir un peu plus, voir ici

[4Jacques TREINER

[5Selon Jacques TREINER, physicien, La thermodynamique a permis notamment de donner une représentation et de quantifier les phénomènes concernant l’état macroscopique d’un système à grand nombre de constituants (molécules). On décrit l’état d’un gaz, par exemple, par un petit nombre de variables macroscopiques : pression, température, volume, nombre de constituants. Mais on ne cherche pas à spécifier la position et la vitesse de chaque molécule - ce qu’on appelle une configuration microscopique. Un état macroscopique peut être réalisé par un très grand nombre de configurations microscopiques différentes. Le second principe exprime que l’état macroscopique observé est celui qui est réalisé par le plus grand nombre de configurations microscopiques. Pour une pression et une température donnée, les particules pourraient avoir toutes la même vitesse (en module). Mais il existe beaucoup plus de configurations où les vitesses suivent une distribution gaussienne (distribution dite de Maxwell), avec des molécules lentes et d’autres rapides, et une valeur moyenne reliée à la température. Autrement dit, le système évolue vers l’état le plus probable compatible avec les contraintes auxquelles il est soumis, i.e. l’état réalisé par le maximum de configurations microscopiques.

[6Molécules de sucres, d’amidon, de graisses, de protéines, de cellulose, de lignine, etc.

[7Un kilowatt-heure = 1 kWh = 3,6.106 J. Un éclair délivre en quelques fractions de seconde l’énergie électrique qu’une centrale produit en des dizaines de secondes.

[11J-P Goussard, Le métabolisme aérobie, Licence STAPS 98-99, C1-M2, Cours de François Cottin, 24 octobre 1998.

[12Un grand sportif peut déployer entre 300 et 400 watts d’énergie mécanique. Avec un rendement d’environ 25 %, il aura besoin d’absorber plus de 1 000 kilocalories supplémentaire de nourriture par heure d’activité.

[13L’exploitation machiniste et industrielle de ressources fossiles est concomitante de la disparition progressive des sociétés esclavagistes. La notion d’Esclave énergétique a permis de chiffrer l’équivalent en énergie humaine apporté par les machines. Un Français aujourd’hui disposerait ainsi de plus de 400 "esclaves énergétiques".

[14Voire sur ce site Production de biomasse végétale

[153x1021 J/an = 3 000 milliards de milliards de Joules par an, soit environ 72 Gtep/an, soit enfin l’équivalent de 5 fois la totalité de la consommation annuelle d’énergie de l’humanité.

[16Soit 200 milliards de tonnes de gaz carbonique, fixé sous forme de macro-molécules carbonées organiques (voire note plus haut).

[17Voire sur ce site l’Utilisation de la biomasse

[19Selon que l’on intègre la seule part de la biomasse prélevée pour des usages énergétiques ou sa totalité et selon l’estimation de biomasse collectée

[21Cela paraît faible alors que la seule croissance attendue de la population serait d’environ 25 %

[23Lire la remarquable enquête journalistique sur Or noir — La grande histoire du pétrole, Matthieu AUZANNEAU

[24Sur son site, Energy Matters, Euan MEARNS consacre une page à expliquer l’EROI pour les débutants

[25Pour en donner une illustration, quelle part de l’énergie nécessaire pour entretenir les activités de recherche fondamentale et même appliquée de nos sociétés peut-on, doit-on, affecter à un EROI calculé sur le périmètre large de l’ensemble des activités nécessaires pour telle ou telle production énergétique ?

[26Voire l’article déjà mentionné plus haut

[27Euan MEARNS, dans son même article

[28En 2015, Paolo Bacigalupi publie un roman de climate-fiction, « The Water Knife ».

[31Sur ce seul site Internet, Sentiers, la recherche sur le mot « climat » retourne de nombreuses références dont les suivantes :

Le GIEC estime le forçage radiatif du aux divers gaz à effet de serre émis par l’humanité à 2,3 W/m2 (Voire notamment le graphique sur le Forçage radiatif anthropique du dernier rapport d’évaluation), soit 1 % de l’énergie solaire absorbée au sol. Cette énergie solaire captée représente 920 Gtep/an, 13 fois l’énergie captée et stockée par la photosynthèse, 16 fois le flux géothermique, 60 fois l’énergie primaire consommée par l’humanité (voire la 3ème ligne du tableau « Flux d’énergie sur Terre » .)

[32AFP, dans une dépêche parue le 12 janv. 2018 à 14h55 indique : GIEC : sauf action urgente, la température de la Terre aura atteint 1,5°C de réchauffement dès 2040. C’est l’alerte que le GIEC devrait notamment inscrire dans un rapport commandé dans le cadre de l’Accord de Paris en 2015 et à paraître à l’automne 2018

[33Objectif résumé sous le nom de Neutralité carbone

[34Voire là-dessus les recommandations de The Shift Project. La première est d’avoir fermé la totalité des centrales thermiques au charbon d’ici 2050 et de les avoir remplacées par des productions d’électricité sans émission de CO2 (avec capture et séquestration du CO2, nucléaire, éolien et solaire avec stockage, etc.)

[35Pour en savoir davantage sur le soleil et plus largement sur le système solaire.

[371 pétawatt, soit 1 PW = 1 millions de gigawatt = 1015 watts. 170 PW représentent donc 170 millions de milliards ou 1,7 ×  1017 joules par seconde

[381 zettajoule ou 1 ZJ = 1021 joules

[39Pour fournir quelques comparaisons : la photosynthèse capte 3 ZJ, le vent contient 2,2 ZJ, et l’ensemble des usages humains de l’énergie, 0,5 ZJ dont 0,06 ZJ sous forme d’électricité - Énergie solaire

[401 térawatt, soit 1 TW = 1 12 watts

[41Un livret de l’Académie de Sciences dresse un paysage des questions autour des énergies : Les énergies — Michel Combarnous

[42Tableau ajouté le 11 mars 2018. Il a été complété le 24 mai 2018 avec le flux supplémentaire absorbé au sol avec le forçage climatique lié aux gaz à effet de serre émis par les activités humaines (3ème ligne).

[43ZJ : ZettaJoule (Unité du système international), voire note plus haut

[47ONU - Objectifs de développement durable - 17 objectifs pour transformer notre monde

[48

Les chiffres proviennent des différentes sources qui font des projections de ce type. Daniel Lincot, par exemple, cite une estimation (optimiste) de 4 TW-crête de PV. Avec un facteur de charge de 0,15, cela fait une puissance moyenne de 600 GW, soit 5 256 TWhe. En énergie primaire (donc en multipliant par un facteur 2,58, cela équivaut à 1,1 Gtep d’énergie primaire. Pour l’éolien, multiplier par 10 l’énergie fournie aujourd’hui, c’est également pousser le curseur assez loin. Idem pour l’hydro et le bois. On peut donc estimer avec optimisme qu’en 2050 les EnR produiront au maximum entre 9 et 10 Gtep/an. — Jacques Treiner

[49Sur la situation mondiale de production d’électricité nucléaire, voire : Parc nucléaire mondial (production d’électricité)

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