Transition énergétique : mieux comprendre les controverses (partie 2)

Pour ses besoins en énergie, le monde dépend à près de 80 % des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz dit « naturel »). L’usage de cette énergie fossile est la source très majoritaire des émissions de dioxyde de carbone (CO₂) et contribue donc de façon majeure à l’augmentation de l’effet de serre. Aussi, sortir de la dépendance aux énergies fossiles est au centre de la lutte contre le réchauffement climatique. Mais la tâche s’annonce ardue.

Dans la première partie de notre dossier (Science et pseudo-sciences n° 339, janvier 2022), nous avons largement traité du lien entre énergie et activités économiques, des études prospectives visant à une « neutralité carbone » pour 2050 et des plans de transition énergétique mis en place, en particulier en France et en Allemagne.

Une très forte dépendance aux énergies fossiles qui ne faiblit pas

Si l’on observe l’évolution dans le temps de la consommation en énergie primaire (énergie disponible dans la nature avant toute transformation), on remarque que cette proportion de 80 % de combustibles fossiles à l’échelle mondiale est remarquablement inchangée depuis cinquante ans. En revanche, dans le même temps, la quantité totale d’énergie primaire a plus que doublé (voir encadré). Dit en d’autres termes, la consommation d’énergie continue de croître de façon très rapide et cette croissance se fait essentiellement grâce au recours aux énergies fossiles.

Sortir de la dépendance aux énergies fossiles

Réduire les émissions globales de gaz à effet de serre liées à la consommation énergétique peut se faire en agissant sur quatre principaux leviers (voir la première partie de notre dossier).

La démographie et les facteurs socio-économiques
À niveau de développement égal, une population qui augmente entraîne de façon mécanique une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Mais les liens entre démographie et développement sont complexes. Ainsi, par exemple, un meilleur niveau de vie contribue souvent à une limitation des naissances (voir par exemple [1]), et il est lui-même fortement corrélé au développement de l’économie, donc à la consommation d’énergie. Ainsi, dans son rapport de 2021 (Les bases scientifiques physiques [2]), le Giec fonde ses analyses sur cinq trajectoires socio-économiques possibles, chacune intégrant des hypothèses où la dimension démographique apparaît bien comme une conséquence des facteurs sociaux et économiques, en particulier le niveau d’éducation des femmes [3].

Évolution des sources d’énergie primaire depuis 1965

Consommation d’énergie primaire (en TWh par an) entre 1965 et 2019

Entre 1965 et 2019, la consommation mondiale d’énergie primaire a plus que triplé (premier schéma). Mais la proportion d’énergie issue de sources fossiles reste stable, de l’ordre de 80 % (second schéma). La biomasse traditionnelle désigne essentiellement le bois.

Source : “Energy Mix”, Our world in data.

Le niveau de consommation
Il s’agit là d’un élément très controversé car les implications sociales et économiques sont majeures. Face au péril du changement climatique, nombreux sont ceux qui appellent à une plus grande sobriété, à une diminution de la consommation. Cette sobriété peut s’appliquer au logement (surface occupée par personne), aux transports (kilomètres parcourus), aux habitudes de vie (température de confort, régime alimentaire) et aux achats (problématique de l’obsolescence, économie circulaire). La décider relève de choix politiques. Peut-on par exemple l’exiger des pays en développement, qui aspirent à un confort de vie similaire à celui des pays développés ? Les pays émergents sont ainsi les principaux moteurs de la hausse de la consommation mondiale.

L’efficacité des procédés industriels
Peut-on innover pour obtenir de meilleurs rendements énergétiques ou, dit autrement, peut-on consommer moins pour un service rendu équivalent (mesuré en contribution au PIB ¹ ou toute autre métrique) ? Ce « découplage » entre PIB et énergie est un des leviers d’action, il dépend largement des innovations technologiques et de leur diffusion. Dans les pays développés, l’efficacité énergétique progresse (estimée à environ 25 % entre 1990 et 2011 pour les pays de l’OCDE [4, 5]). Cependant, cette évolution est aussi due à l’externalisation dans des pays moins développés de l’industrie, plus gourmande en énergie par unité de PIB que les services. Ainsi, le découplage entre énergie et PIB à l’échelle mondiale reste discuté.

Une forte « décarbonation » des sources d’énergie finales
Enfin, le dernier levier concerne la « décarbonation » des sources d’énergie, c’est-à-dire le recours à des procédés qui n’émettent pas ou peu de gaz à effet serre. Cette évolution implique un abandon des sources d’énergies fossiles au profit des énergies renouvelables (biomasse, hydraulique, éolien, solaire, géothermie…) ou de l’énergie nucléaire. Ainsi, les bâtiments peuvent être chauffés avec de la biomasse ou de l’électricité (éventuellement avec une technologie de type « pompe à chaleur », très efficace) plutôt qu’au gaz ou au fuel, et les transports peuvent fonctionner avec des bio-carburants, de l’hydrogène ou des batteries plutôt que de l’essence ou du diesel.

Le rôle clé de l’électricité

L’électricité occupe une place spécifique dans ce tableau. À l’échelle mondiale, elle ne compte aujourd’hui que pour un peu moins de 20 % dans le total de l’énergie finale (l’énergie utilisée) et sa production est très fortement carbonée (environ un tiers des émissions de CO₂ sont liés à la production d’électricité). Toutefois, certains pays disposent déjà d’une électricité issue en grande partie de moyens peu émetteurs de gaz à effet de serre, que ce soit grâce à des ressources renouvelables (hydrauliques pour la plus grande part) ou du nucléaire. Plusieurs pays (Norvège, Costa-Rica, Suisse, Autriche, Islande…) ont une géographie particulière qui leur donne accès à des ressources hydrauliques importantes. La France est le pays le plus nucléarisé au monde si l’on analyse la fraction de nucléaire dans son mix électrique, mais cette fraction est importante dans d’autres pays (Slovaquie, Hongrie, Ukraine, Suisse, Belgique, Finlande, Corée du Sud…).

Décarboner la production d’électricité et électrifier des usages est une solution qui possède de nombreux avantages ; elle est donc mise en avant dans de nombreux plans de transition énergétique. Un déterminant des différents scénarios visant la neutralité carbone porte, nous l’avons vu, sur le niveau de consommation d’électricité et la part de « sobriété énergétique » à atteindre (voir la première partie de notre dossier). Cette question, objet de controverses, devient particulièrement sensible si l’on ajoute à l’électrification des usages une réindustrialisation du pays. Ainsi, l’Académie des sciences prévoit-elle pour la France « un niveau [de production d’électricité] de l’ordre de 700 à 900 TWh (terawatts-heure) en 2050, presque le double de notre production électrique actuelle » [6], là où la Stratégie nationale bas-carbone du gouvernement français ne prévoit que 600 à 650 TWh [7]. Dans les deux cas, une partie de l’électricité produite serait utilisée pour des conversions vers d’autres vecteurs d’énergie finale, tels que l’hydrogène.

Dans le cadre du plan d’investissement « France 2030 », le président de la République Emmanuel Macron a détaillé les orientations de la politique énergétique qu’il entend appliquer (discours tenu à Belfort le 10 février 2022) [8]. Ces orientations se placent dans le cadre des 40 % de réduction de la consommation finale d’énergie en 2050 considérés dans la Stratégie nationale bas-carbone [7] (via par exemple la rénovation des logements, le renouvellement du parc automobile et la décarbonation de l’industrie), mais elles proposent de « produire jusqu’à 60 % d’électricité en plus qu’aujourd’hui » en s’appuyant principalement sur « une stratégie plurielle » consistant à « développer tout à la fois les énergies renouvelables et le nucléaire ».

La production nucléaire
Le recours à l’énergie nucléaire fait l’objet de vives controverses dans la société. C’est la source d’énergie électrique émettant le moins de CO₂ quand on considère le cycle de vie complet (construction des installations, exploitation, démantèlement et extraction du combustible), quasiment à égalité avec l’éolien (voir [9] dans la première partie de notre dossier).

Si l’opinion publique en France tend à se montrer à nouveau favorable à la présence du nucléaire dans le mix énergétique [10], les principales inquiétudes portent sur les risques d’un accident (voir l’article de Jean-Jacques Ingremeau, « Sûreté nucléaire en France et conséquences radiologiques en cas d’accident ») et sur la question de la gestion du combustible usagé [11].

Cette question du combustible usagé est souvent réduite à celle de la gestion des déchets radioactifs et à la solution de stockage en couches géologiques profondes retenue par la France et la Finlande pour les déchets de haute activité à vie longue (voir notre dossier « La gestion des déchets radioactifs », avril 2018) [12]. Pourtant, le combustible usé peut aussi faire l’objet d’un recyclage permettant de produire le Mox (mixed oxyde) utilisé dans une part des réacteurs actuels avec une économie d’environ 10 % du minerai d’uranium. Le plutonium issu du retraitement pourrait être utilisé plus efficacement encore dans des réacteurs nucléaires dits de quatrième génération (pouvant être « surgénérateurs »). Cette option a été écartée en France pour des raisons politiques avec l’arrêt du réacteur Superphénix en 1997 et l’abandon du projet Astrid en 2019. Poursuivie dans d’autres pays, cette technologie met en œuvre la « fermeture du cycle » conduisant à limiter la quantité de déchets ultimes, et menant surtout à une très grande efficacité de l’utilisation de l’uranium. Ce type de réacteur permettrait l’utilisation du stock d’uranium appauvri (350 000 tonnes), disponible sur notre territoire comme sous-produit des opérations d’enrichissement, à même d’assurer notre approvisionnement en électricité pour des milliers d’années (voir l’article de Laurent Coudouneau, « Cycle du combustible : vers un nucléaire “durable” ? » et celui d’Hubert Flocard, « La filière Thorium est-elle l’avenir du nucléaire ? »).

Alors qu’il n’a pas mentionné ces réacteurs surgénérateurs, le président Emmanuel Macron a, dans son discours déjà évoqué, relancé la recherche sur les « petits réacteurs modulaires » (small modular reactors, ou SMR en anglais). Très peu connu du grand public, ce type de réacteur est pourtant étudié depuis plus de cinquante ans et pourrait avoir un large champ d’application (voir l’article de Paul Ferney, « Les petits réacteurs modulaires »). À plus long terme, la fusion nucléaire pourrait apporter une source d’énergie abondante, décarbonée et générant peu de déchets radioactifs. Mais elle constitue aujourd’hui un défi scientifique et technologique majeur (voir l’article de Greg De Temmerman, « Fusion nucléaire : entre longue histoire et progrès récents »).

Énergies intermittentes, flexibilité et stockage
L’intégration croissante d’énergies renouvelables (principalement éolien et solaire photovoltaïque) pour produire de l’électricité se trouve confronté au problème de l’intermittence, c’est-à-dire à la fluctuation de la production en fonction de l’ensoleillement et du vent. Cette fluctuation peut être compensée de différentes manières : (1) en modulant le niveau de production des centrales dites « pilotables » (nucléaire, thermique classique et hydraulique principalement), (2) en ajustant les échanges d’électricité avec les pays frontaliers, (3) en sollicitant les consommateurs pour qu’ils réduisent ou reportent certaines de leurs consommations et (4) en utilisant des capacités de stockage qui auraient été développées à cette fin.

Pour RTE, l’intermittence « constitue le principal défi à relever pour intégrer les énergies renouvelables au système électrique » [13]. Le gestionnaire du système électrique ne voit pas de « difficultés spécifiques » à l’horizon 2030-2035 sous réserve d’un système plus interconnecté avec ses voisins, et si les hypothèses de la programmation pluriannuelle de l’énergie [14] sont bien respectées, en particulier celles relatives au « développement progressif des effacements [flexibilité des consommations] et de la mobilité électrique, usage dont une partie est considérée comme flexible ». En revanche, à l’échéance 2050, RTE estime que cette conclusion n’est plus valable et nécessite donc le développement de moyens de stockage considérables.

Les scénarios du rapport RTE sont modulés suivant plusieurs versions dont un déterminant majeur est le niveau de consommation. Ainsi, les scénarios avec une part dominante d’énergies renouvelables sont plus « faciles » pour les bas niveaux de consommation et deviennent très ambitieux lorsqu’on vise, par exemple, une réindustrialisation de la France impliquant une forte consommation électrique.

Les besoins de flexibilité se déclinent en différentes modalités selon les échelles de temps considérées (journée, semaine, saison, année). Lorsqu’on parle spécifiquement de stockage, le public pense d’abord aux batteries. RTE rappelle bien que leur rôle attendu à l’horizon 2050 « consiste pour l’essentiel à stocker de l’énergie en milieu de journée lors du pic de production solaire et à la restituer en soirée et au cours de la nuit » et qu’elles sont « peu adaptées pour le stockage d’énergie sur des durées plus longues ». À ces échelles de temps plus importantes (de l’été vers l’hiver, par exemple), l’hydrogène apparaît comme un moyen de stockage nécessaire et fait l’objet de nombreuses annonces médiatisées. Il est ainsi particulièrement mis en avant dans les scénarios de transition énergétique comportant une part importante de renouvelable.

L’hydrogène comme vecteur énergétique
L’idée est de produire de l’hydrogène via l’électrolyse de l’eau, le stocker pendant la durée nécessaire et générer à nouveau de l’électricité à partir d’une réaction chimique d’oxydation de l’hydrogène. On profiterait alors des périodes de surplus d’électricité (faible consommation, fort ensoleillement ou période particulièrement venteuse) pour faire fonctionner les électrolyseurs, et on restituerait de l’électricité dans les périodes de déficit de production par rapport aux besoins. Le stockage d’hydrogène nécessite une infrastructure similaire à celle utilisée actuellement par le gaz naturel (la réutilisation des infrastructures existante est étudiée, mais a d’importantes limites techniques et économiques ; voir par exemple [15]). L’hydrogène peut également être utilisé dans les transports (véhicules ou train par exemple). Cependant, le sujet s’avère complexe et les potentialités réelles restent sujettes à discussion (voir l’article de Frédéric Livet, « L’hydrogène dans la transition énergétique »).

Enfin, cette technologie souffre d’un rendement global assez faible qui fait qu’une part importante de l’énergie injectée est perdue dans les différentes étapes de la transformation (voir l’article de Marc Fontecave et Dominique Grand,« Stockage d’énergie : les rendements problématiques de la stratégie Power-to-Gas-toPower »). Ce bas rendement conduit à un coût du kWh fourni qui reste élevé [16].

Conclusion

Ce dossier sur la transition énergétique (dont nous publions ici la seconde partie) traite de nombreux sujets mais est loin d’être exhaustif. Pour prétendre à une couverture complète, il faudrait évoquer d’autres thèmes comme les technologies de capture et de séquestration du carbone, le stockage par batteries, l’approvisionnement en métaux rares, les biocarburants, la biomasse forestière, les aspects sociologiques liés au niveau de sobriété énergétique acceptable, les facteurs dimensionnant de la consommation d’énergie (isolation des bâtiments, réindustrialisation...), etc.

La transition énergétique est un sujet hautement complexe, avec des dimensions techniques parfois pointues. Elle s’inscrit dans un ensemble de considérations géopolitiques (indépendance énergétique, accès aux matières premières, etc.) qui ont pris un tournant aigu avec la guerre en Ukraine. Aussi, notre ambition reste modeste : donner quelques clés de compréhension pour aider chacun à se forger une opinion et exercer son esprit critique dans un domaine où les assertions souvent contradictoires sont légion.