La transition énergétique nécessite un effort de guerre

La transition énergétique, l’urgence climatique, la contradiction entre protection de l’environnement et capitalisme, tout ceci a de nouveau fait l’actualité en France il y a un mois avec le départ de Nicolas Hulot, et son constat d’échec et d’incapacité à faire prendre conscience de l’enjeu à ses collègues du gouvernement.

Ces sujets nous sont chers et nous souhaitons leur faire une place importante sur ce blog, pour réfléchir avec vous à la construction de modèles alternatifs qui tiendront compte des contraintes environnementales. Ça tombe bien, nous avons été contactés par un chercheur dans le domaine des énergies renouvelables, qui nous a proposé une première contribution pour lancer la série !

Il analyse la possibilité technique et financière à long terme et au niveau mondial d’un mix entièrement renouvelable pour couvrir tous les usages énergétiques (électricité, transport, froid, chaleur). Les hypothèses prises, issues d’une étude récente américaine, peuvent bien entendu être discutées, mais les conclusions sont très intéressantes et de nature à lancer la réflexion sur cette thématique.

N’hésitez pas à réagir, commenter, et contactez-nous si vous travaillez dans le domaine et souhaitez contribuer dans les prochaines semaines.


Dans cet article, nous supposerons que le lecteur est déjà convaincu de l’urgence climatique et de l’impérieuse nécessité d’atteindre la neutralité carbone le plus vite possible [1]. Nous nous intéressons à la traduction pratique de ce que signifie la conversion d’une économie basée sur le carbone [2] vers une économie décarbonée. Nous montrerons que la transition énergétique est parfaitement faisable d’un point de vue technique, tant du point de vue du potentiel énergétique des sources renouvelables, de l’occupation d’espace, des ressources naturelles et de l’intermittence. Par contre, en raison de la transformation radicale de la production d’énergie qu’elle représente, par son coût, et par son ampleur, d’aucuns considèrent [3] que la transition énergétique nécessite une mobilisation générale des sociétés humaines et des outils industriels, c’est-à-dire l’équivalent d’un effort de guerre.

Comme point de départ, repartons de la consommation d’énergie finale dans le monde [4]. Elle est actuellement de l’ordre de 110 000 TWh [5]. Sa croissance moyenne a été de 1,7% sur les dix dernières années [6]. En 2016, 18% de la consommation d’énergie finale ont été fournis par des sources renouvelables (principalement biomasse, hydraulique, éolien, solaire). Bien que la production des renouvelables ait augmenté considérablement sur les dix dernières années, la part des renouvelables n’a progressé que d’un peu plus de 2% en raison de l’augmentation globale de la consommation.

Les sources d’énergies renouvelables sont-elles suffisantes pour couvrir les besoins énergétiques de l’humanité ?

Bonne nouvelle : oui, largement. Le lecteur pourra s’en rendre compte sur la Figure 1. Dans cette figure, le rond blanc indique la consommation (finale) d’énergie en 2016. Il apparaît que la ressource solaire (disque jaune) comme la ressource éolienne (disque vert) pourraient largement suffire. En fait, le soleil nous fournit en une heure  l’énergie que nous, humanité, consommons en une année. Pour la ressource éolienne, elle correspond à la conversion d’environ 1,5% de l’énergie solaire. La consommation de l’humanité représente ainsi 3 jours de vent.

Bien sûr, la technologie ne permet pas de capter toute la ressource. En effet, par exemple, toute l’énergie solaire n’arrive pas au sol à cause des nuages ; et le rendement des panneaux photovoltaïques n’est que de 15 à 20%. Les turbines éoliennes ne permettent pas de récupérer l’énergie du vent en haute altitude [7], et panneaux solaires comme éoliennes ne peuvent pas être déployés en haute mer [8], etc. La prise en compte de l’ensemble des contraintes techniques conduit à définir le potentiel technique exploitable, c’est-à-dire l’énergie qui pourrait être produite en déployant au maximum les technologies d’aujourd’hui. Elle est matérialisée par les ronds en pointillés sur la figure 1. Seconde bonne nouvelle : les potentiels techniques exploitables du solaire comme de l’éolien peuvent permettre de couvrir, respectivement, 270 et 7 fois les besoins énergétiques de l’humanité.

Figure 1 : gisement et potentiel technique exploitable pour les sources d’énergies renouvelables et non-renouvelables sur Terre.

A quoi ressemblerait un mix énergétique 100% renouvelable à l’échelle de la planète ?

Qu’est-ce que cela représenterait en pratique, de couvrir les besoins énergétiques de l’humanité avec des renouvelables, en termes de nombres d’éoliennes, de kilomètres carrés de panneaux photovoltaïques, de barrages hydrauliques et de systèmes de stockage pour pallier la variabilité des sources intermittentes, etc ? Cet exercice a été fait récemment par des chercheurs des universités de Stanford, de Californie et d’Aalborg [9]. Ils ont pris soin de dimensionner les systèmes de stockage pour que la production d’énergie réponde à la demande, heure par heure, sur une durée de cinq années. Le tableau 1 montre les résultats pour l’un des scénarii (les ordres de grandeur sont similaires dans les autres scénarii).  Dans ce scénario que nous prendrons en référence par la suite, rien moins que 18 000 GW d’éolien (environ 4 000 000 de turbines éoliennes), 33 000 GW de solaire (environ 185 000 km²) et 1 000 GW d’hydraulique sont nécessaires.

Tableau 1 : capacité installée en 2050 pour couvrir 100% des besoins énergétiques dans 139 pays du monde dans le scénario A de Jacobson et al. (2018)

En sommes-nous loin ?

En 2017, la puissance installée dans le monde pour l’hydraulique était de 1 114 GW [10], soit déjà plus que nécessaire dans le scénario de référence. Mais, malheureusement, elle n’était que de 539 GW pour l’éolien (environ 350 000 turbines) et 408 GW pour le solaire. Pour atteindre les objectifs, il faudrait donc multiplier par 45 la capacité éolienne, et 61 la capacité solaire.

« Impossible ! », peut-être vous-direz-vous ? Pourquoi impossible ? Certes, la capacité supplémentaire installée en 2017 n’a été que de 52 GW en éolien et 99 GW en solaire. A ce rythme, il faudrait plus de 300 ans pour atteindre les capacités nécessaires dans le scénario de référence. Mais si l’on compare la capacité éolienne de 2017 à celle de 2012, elle a été multipliée par 2 [11]. Quant à la capacité solaire, elle a, elle, été multipliée par 4 sur la même période. En fait, ces deux filières connaissent une croissance à deux chiffres depuis le début des années 2000. En supposant que cette croissance se maintienne, les capacités prévues dans le scénario de Jacobson seront atteintes en moins de 30 ans pour l’éolien, et moins de 20 ans pour le solaire. Voilà qui est encourageant.

« Optimisme naïf ! » s’écrieront sans doute certains experts, dont l’expertise semble parfois se limiter à leurs conservatismes. Et pourquoi donc ? Y a-t-il des limites physiques qui pourraient empêcher la poursuite de la croissance de ces filières renouvelables ?

Y aurait-il assez d’espace ?

Effectivement, si il nous fallait plus d’une planète pour installer toutes les capacités nécessaires, nous aurions un problème. C’est loin d’être le cas. La capacité solaire couvrirait une surface d’environ 185 000 km². La surface totale à consacrer pour le solaire est donc de l’ordre de 0,1% de la surface des terres émergées (150 000 000 km²), Figure 2. Pour les 4 millions de turbines éoliennes, l’espace impacté serait de 2 100 000 km², soit 1,5% des terres émergées. De plus, remarquons que dans le cas de l’éolien, une partie des turbines peut être installée en mer, et que d’autres usages de l’espace sont possibles dans l’espace occupé par les machines (production agricole par exemple). Au final, l’espace occupé n’est donc pas un problème [12].

Figure 2 : Espaces occupés pour la production d’énergie solaire et éolienne pour le scénario A de Jacobson et al.. Rappelons que l’espace occupé par les éoliennes est compatible avec d’autres usages comme l’agriculture.

Peut-on gérer l’intermittence ?

Solaire et éolien sont des sources d’énergie intermittentes. En fait, elles sont plutôt variables : la production varie au cours du temps, en fonction de la force du vent ou de l’ensoleillement. Mais comme ni le vent ni l’ensoleillement ne s’arrêtent aussi brusquement qu’une ampoule qu’on éteint, et comme les prévisions météorologiques sont de nos jours d’excellente qualité, la problématique du stockage n’est pas aussi critique que certains voudraient bien le faire croire. L’étude de Jacobson et al. inclue ainsi le déploiement d’une combinaison de moyens de stockage (stockage de chaleur basse température, de froid, power-to-gas) et de pilotage de la demande pour une capacité de 8 500 GW [13]. Cette capacité est suffisante pour équilibrer offre et demande sur une base horaire pour les cinq années qu’ils ont considérées.

Y a-t-il assez de ressources minérales sur Terre ?

Quid des matières premières et matériaux nécessaires à la construction des éoliennes, des capteurs solaires et du stockage? Tout d’abord, il n’est probablement pas inutile de rappeler que dans l’immense majorité des cas (plus de de 90% du marché), panneaux solaires et éoliennes ne contiennent PAS de terres rares. Pour les panneaux solaires mono-cristallins, ils sont essentiellement constitués de silicium pour les cellules et le verre de protection, et d’aluminium pour le cadre [14]. Le poids d’un panneau solaire est de l’ordre de 70 g/W, correspondant essentiellement au poids du verre. Le silicium étant le second élément le plus répandu sur terre après l’oxygène, et l’aluminium le troisième, la ressource disponible pour ces matériaux n’est pas plus un problème que l’espace occupé [15]. Pour les éoliennes (terrestres), elles nécessitent environ 86 t/MW d’acier, 11 t/MW d’alliages, 10 t/MW de matériaux composites [16] et 500 t/MW de béton pour les fondations. Pour 18 000 GW d’éolien, les quantités nécessaires sont environ 2 milliards de tonnes d’acier, 200 millions de tonnes d’alliages, 200 millions de tonnes de matériaux composites (fibre de verre et résine époxy), et 9 milliards de tonnes de béton. Les réserves mondiales de fer sont estimées à 83 milliards de tonnes. Pour les alliages, les réserves de cuivre sont de 790 millions de tonnes. Pour les matériaux composites, la fibre de verre est principalement issue du silicium, et la résine époxy de la chimie du pétrole [17]. Pour le béton, les réserves mondiales de granulats sont considérées comme abondantes.

Pour le stockage, Jacobson et al. considèrent l’installation d’une combinaison d’une grande diversité de solutions (stockage de chaleur à haute et basse température, stockage de froid et de glace, power-to-gas, hydraulique, et batteries). La majeure partie du stockage est du type low-tech. Il ne devrait donc pas présenter d’enjeu majeur par rapport aux ressources naturelles. Pour les batteries – notamment nécessaires pour la conversion du secteur du transport vers des véhicules électriques – les réserves connues de lithium (16 millions de tonnes) permettraient d’en produire pour 2 à 3 milliards de véhicules. Rappelons que les batteries Li-ion se recyclent très bien, avec un taux de récupération du Lithium proche de 100%.

Si les quantités de ressources naturelles disponibles sur Terre apparaissent suffisantes, ce qui pourrait par contre poser problème est le rapport entre la quantité de matériaux consommées et la production mondiale. En effet, en supposant pour les prochaines années un taux de croissance identique au taux moyen sur les cinq dernières années pour l’éolien et le solaire, la production mondiale – au rythme actuel – ne suffirait pas à fournir pour le silicium, le verre et le cuivre à l’horizon de 2027-2028 pour le solaire, et 2042 pour l’éolien (Tableau 2). Cependant, il y a fort à parier que, si l’Humanité décidait de s’inscrire dans cette trajectoire, les productions de ces matériaux croitraient en proportion des besoins.

Tableau 2: Production mondiale actuelle de ressources naturelles et matériaux nécessaires pour la production de panneaux photovoltaïques et d’éoliennes, capacité maximale produite par an en supposant l’utilisation de 100% de ces ressources, et année où la production serait insuffisante en supposant le même taux de croissance qu’actuellement pour l’augmentation des capacités solaire et éolien.

Pour conclure sur les matières premières et matériaux, les réserves disponibles et le rythme de  production apparaissent n’être pas plus un problème que l’espace occupé.

Est-ce que ça serait vraiment écologique ?

Concernant les émissions de gaz à effet de serre, la figure 3 montre les émissions pour les différentes sources de production. Pour les renouvelables, ces émissions correspondent essentiellement aux émissions liées à l’énergie utilisée pour l’extraction et la transformation des matières premières nécessaires, la fabrication et l’installation des systèmes. En retenant un niveau d’émission de 20 g de CO2par kWh sur cycle de vie (Figure 3), les émissions liées à la production d’énergie seraient d’environ 2 milliards de tonnes par an, soit 10% des émissions de 1990. Remarquons que cette estimation peut paraître particulièrement conservative car, dans un système de production d’énergie décarbonée, les phases de fabrication deviennent elles aussi faiblement émissives. Disons que cette hypothèse permet de compenser le fait que la figure ne prend pas en compte les émissions liées au besoin de stockage.

Enfin, remarquons qu’atteindre un niveau d’émission de 2 milliards de tonnes par an dans une trentaine d’années permettrait, d’après les prospectives de l’IPCC, d’atteindre l’objectif de limiter le réchauffement à moins de 2°C.

Et après ?

Au delà d’éviter le suicide climatique, il y a au moins deux autres bénéfices induits par cette transformation pour les populations. Le premier est en terme d’emploi. D’après Jacobson et al. (2017), la transition énergétique conduirait à une création nette [18] de 24 millions d’emplois. Un second est la sécurité des approvisionnements énergétiques. Nul doute que bien des conflits, et bien des attitudes ambiguës des démocraties occidentales, seraient évités sans l’addiction aux combustibles fossiles.

Combien ça coûterait ?

Du point de vue du coût de l’énergie, les énergies renouvelables sont aujourd’hui largement compétitives lorsqu’il s’agit d’installer de nouvelles capacités, voir Figure 3. Il convient bien sûr d’ajouter les surcoûts liés au stockage et la gestion de la variabilité. C’est ce qu’on fait Jacobson et al. Ils obtiennent un coût de l’énergie de l’ordre de 0,10 €/kWh, tout à fait comparable au niveau actuel.

Ils ont également estimé les investissements nécessaires pour les moyens de production d’énergie et de stockage. Ils obtiennent un total d’environ 120 000 milliards d’euros. C’est deux fois le PIB mondial de 2017. Cependant, en supposant que l’effort est réparti sur 25 ans, l’investissement nécessaire représenterait l’équivalent 8% du PIB mondial par an. C’est évidemment gigantesque. Pour donner un ordre d’idée, le PIB de la France était de 2 100 milliards d’euros en 2018. 8% correspond à 170 milliards d’euros, soit la moitié du budget de l’Etat français. Le financement : c’est là sans doute que le bât blesse.

Figure 3 : coût et émission de gaz à effet de serre pour les sources énergétiques fossiles et renouvelables.

Conclusion

En conclusion, il apparaît qu’il est techniquement tout à fait possible de couvrir l’ensemble des besoins énergétiques de l’Humanité à partir des sources d’énergie renouvelable, et dans un calendrier compatible avec la limitation du réchauffement climatique à moins de 2°C.

Cependant, l’ampleur de la transformation est considérable. Les capacités installées en éolien et solaire doivent être multipliées par, respectivement 45 et 61. Concrètement, le nombre de turbines devraient passer de 340 000 aujourd’hui à environ 4 millions [19]. L’extraction de certaines ressources naturelles devraient augmenter fortement. Nombre de travailleurs.ses des industries des énergies fossibles devraient changer d’emploi. Enfin, la transformation aurait un coût gigantesque. Il faudrait y consacrer l’équivalent de 8% du PIB mondial chaque année, pendant 25 ans.

Ce dernier aspect est sans doute le principal problème. Comment trouver le financement dans un cadre économique conventionnel ?

Le respect du cadre doit-il nous contraindre au suicide climatique ? L’Histoire des sociétés humaines nous montre que les Etats peuvent prendre des mesures exceptionnelles, et les peuples les accepter, lorsque tous ont conscience du péril. Etat d’urgence en France lors des attentats de 2015. Planification et gestion des forêts au Japon à l’époque Edo. Mobilisation générale et économie de guerre pendant les guerres mondiales du siècle dernier. Aux Etats-Unis, quelques jours après Pearl Harbor, le gouvernement américain déclara l’interdiction de produire des voitures individuelles. Deux mois plus tard, l’ensemble des usines d’automobiles était converti à la production de véhicules militaires. L’effort de guerre fut financé à moitié par l’impôt et à moitié par la dette. Nous savons tous à quel point les Etats-Unis d’Amérique sont sortis puissants de cet épisode.

Nous pensons que la mise en oeuvre de la transition énergétique appelle ce type de cadre : une économie de guerre, planifiée, pour le climat et la survie de notre civilisation.


[1] Au delà de la hauteur maximale en bout de pale d’éolienne, c’est-à-dire environ 200 m.

[2] Au delà d’une centaine de kilomètres du rivage, à cause des coûts de raccordement et d’ancrages.

[3] Pour les autres, ils sont invités à se renseigner. Je suggère par exemple la lecture de : IPCC (2014) Climate change : synthesis report. Contribution of working groups I, II and III to the Fifth Assessment report of the intergovernmental panel on climate change , et J. Diamond (2009) Effondrement: comment les sociétés décicent de leur disparition ou de leur survie, Gallimard Eds.

[4] Actuellement, 80% de la production d’énergie est basée sur le charbon, le pétrole et le gaz naturel.

[5] Et j’en fais partie. Voir aussi par exemple : https://www.theclimatemobilization.org/

[6] Pour l’ordre de grandeur du besoin, nous avons fait le choix de considérer la consommation d’énergie finale (final energy consumption), et pas la production d’énergie primaire (total primary energy supply). En effet, la production d’énergie primaire ne prend pas en compte les rendements dans la chaine de conversion jusqu’à l’usage final de l’énergie. Elle conduit donc à surestimer la contribution des ressources peu efficaces (charbon, pétrole & gaz, nucléaire) dont les rendements sont faibles (~30%) et à sous-estimer la contribution des sources qui fournissent directement l’énergie dans sa forme finale (solaire photovoltaïque ou hydraulique). Ca ressemble fort à une manipulation de la part des acteurs ayant intérêt à souligner l’importance de leurs contributions. Pour mieux comprendre, voir le début de cette conférence :http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/video-html5/fs2014/multon. Notons cependant que la consommation d’énergie primaire est actuellement de l’ordre de 170 000 TWh, donc d’un ordre de grandeur similaire à celui de la consommation d’énergie finale.

[7] href=”https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2017.pdf”>https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2017.pdf, page 34

[8] http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/06/17-8652_GSR2018_FullReport_web_final_.pdf, page 31

[9] M.Z. Jacobson, M.A. Delucchi, M.A. Cameron, B.V. Mathiesen (2018) Matching demand with supply at low cost in 139 countries among 20 world regions with 100% intermittent wind, water, and sunlight (WWS) for all purposes. Renewable energy, Vol. 123, pp. 236-248. Notons que l’étude ne couvre que 139 pays sur les 193 pays du monde, mais que les pays couverts comptent les plus gros consommateurs (Chine, Etats-Unis, Union Européenne, Russie, Australie, Brésil, …)

[10] http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/06/17-8652_GSR2018_FullReport_web_final_.pdf, page 19

[11] IRENA (2017) Renewable capacity statistics

[12] Pour peu que les habitants des territoires impactés soient favorables à la présence des centrales de production.

[13] Soit 16% de la capacité éolien + solaire installée

[14] L’argent est aussi utilisé dans les panneaux solaires pour les connexions entre cellules. A l’heure actuelle, le besoin est d’environ 0.07 g/Wc. Pour 33 000 GW, la quantité d’argent nécessaire est 2 300 000 tonnes, ce qui excède les réserves connues (530 000 tonnes). Cependant, l’argent peut et sera sans doute prochainement remplacé par d’autres métaux (aluminium ou cuivre).

[15] https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2018/mcs2018.pdf

[16] P.D. Andersen, A. Bonou, J. Beauson, P. Bronsted (2014) Recycling of wind turbines, DTU International Energy Report 2014

[17] Ce qui n’est pas un problème à court terme si le pétrole n’est plus gaspillé comme carburant dans les véhicules. Par ailleurs, d’après wikipedia, il semblerait que les composants de la résine peuvent être bio-sourcés.

[18] Emplois créés dans les renouvelables et le stockage moins emplois détruits dans les énergies fossiles.

[19] Le lecteur attentif aura remarqué que passer de 340 000 à 4 000 000 correspond à un facteur de 11.7, pas 45. La raison est que les premières turbines éoliennes étaient nettement moins puissantes et moins productives que les éoliennes modernes.

Une réponse

  1. remigs dit :

    merci pour cette contribution ! quelques questions/remarques pour approfondir :

    – prévisions de croissance de la filière
    “En supposant que cette croissance se maintienne, les capacités prévues dans le scénario de Jacobson seront atteintes en moins de 30 ans pour l’éolien, et moins de 20 ans pour le solaire”
    gloups ! ça ne va pas inciter les gouvernements et populations à réaliser un “effort de guerre”, si on peut y arriver en continuant simplement comme aujourd’hui ?

    – le potentiel d’économies d’énergie
    l’article montre la possibilité de convertir la production d’énergie en renouvelable à consommation constante (si j’ai bien compris), mais si on estime qu’on économise 30% ou 50% d’énergie (cf. scénario négawatt), on divise d’autant l’effort à réaliser (ou quel coût des économies d’énergie) ?

    – la mobilisation et l’effort de guerre
    une difficulté concernant la transition énergétique est l’absence de signes visibles qui permettrait une mobilisation immédiate et émotionnelle, contrairement à la “bonne vieille guerre”
    mais est-ce qu’il faut utiliser les ressorts habituels de la guerre (la peur, les bons gros méchants désignés et un patriotisme exacerbé), ou arriver à mobiliser autrement sur l’aspiration à un monde meilleur et l’appel à l’humanité en chacun de nous (ce qui apparaît à première vue beaucoup plus difficile) ?
    cela peut aussi rappeler une autre guerre… intérieure : “le sort du monde dépend d’une lutte qui a lieu chaque jour à l’intérieur de nous-même” selon Gandhi ?

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