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Combien d’énergie pour produire de l’énergie ?

Publié en ligne le 16 novembre 2019 - Environnement - Charbon - Climat

Avoir un appétit d’oiseau, cela se dit d’une personne qui mange peu, n’est-ce pas ? Pourtant, si l’on rapporte la ration quotidienne d’un oiseau à son poids, l’image est bien différente. Dans les régions tropicales, cette proportion est de l’ordre de 10 %, et elle peut monter à 20 % dans les régions tempérées. Imaginez un individu de 70 kg qui engloutirait 14 kg de nourriture par jour ! Comment expliquer que l’évolution ait produit de tels gloutons ? Simple : les oiseaux sont des animaux à sang chaud (température du corps de 40 à 45 °C suivant les espèces) et de petite taille pour la plupart. La perte de chaleur est proportionnelle à la surface, la production d’énergie par le métabolisme est proportionnelle au volume, le rapport des deux, qui caractérise les pertes thermiques, est d’autant plus grand que l’animal est petit. Le métabolisme doit également assurer le remplacement des cellules mortes et le travail des muscles, sans oublier que chanter consomme aussi de l’énergie. Bref, les oiseaux doivent manger sans arrêt (et digérer vite !), de sorte que l’énergie associée aux diverses transformations chimiques que subit dans le corps cette matière première qu’est la nourriture compense les dépenses énergétiques journalières. Parmi ces dépenses, certaines sont directement investies dans la recherche de nourriture (voler), d’autres pas (fabriquer un nid, se reproduire, chanter).

Le rapport de l’énergie totale produite par le métabolisme à l’énergie dépensée dans l’obtention de la nourriture doit être supérieur à un, sans quoi l’animal dépérit et finit par mourir. C’est ce rapport que l’on désigne sous le terme « taux de retour énergétique ». On conserve souvent l’acronyme anglais ERO(E)I : Energy Return On (Energy) Invested, ou plus simplement EROI. C’est ce que nous ferons ici.

L’énergie nécessaire à sa propre production et l’énergie reversée aux autres secteurs d’activité

Phlogophilus hemileucurussur Paphinia cristata
John Gould (1804-1881)

Projetons-nous tout de suite à l’échelle d’une société humaine. Elle consacre une partie de ses ressources annuelles au secteur énergétique qui, après avoir prélevé ce qu’il lui faut pour fonctionner, met à la disposition des autres secteurs d’activité l’excédent d’énergie. Pour avoir une première idée de l’ordre de grandeur de l’EROI moyen d’une société développée (disons, les pays de l’OCDE), on peut utiliser la part du PIB (produit intérieur brut) associée au secteur énergétique. En effet, toute activité peut être évaluée de deux manières : l’une en termes énergétiques, l’autre en termes monétaires. La seconde est représentative de la première [1]. Aujourd’hui, le secteur énergétique contribue pour environ 7 à 10 % du PIB. Il en résulte que l’EROI moyen global est de l’ordre de 10 à 15 : sur 100 unités d’énergie produites par le secteur énergétique, 7 à 10 sont consommées par le secteur énergétique lui-même. Autrement dit, pour une unité investie dans le secteur énergétique, celui-ci produit de 10 à 15 unités d’énergie.

On a donc besoin d’énergie pour en produire : pour extraire un baril de pétrole du sol, il faut de l’énergie pour forer, tuber, extraire le pétrole, le transporter, le raffiner, le re-transporter, nourrir les ouvriers et les transporter, et disposer d’un réseau de distribution. Si l’énergie investie dans ces différentes opérations est égale à l’énergie récupérable lors de la combustion de ce baril, aucune énergie n’est rendue disponible pour les autres activités de la société : industrie hors secteur énergétique, agriculture, éducation, santé, activités artistiques. On appellera énergie nette le surplus d’énergie disponible pour ces autres activités.

Il est très instructif de tracer la part d’énergie nette relative en fonction de l’EROI (encadré). Pour chaque valeur de l’EROI, la partie rouge représente la fraction de l’énergie totale consommée par le secteur énergétique, la partie bleue la fraction versée aux autres activités de la société. On voit que pour des valeurs de l’EROI au-dessus d’environ vingt, l’énergie nette relative varie assez peu. Mais une évolution rapide se dessine lorsque l’EROI passe en dessous de dix : l’énergie nette relative varie beaucoup, et s’effondre en dessous d’environ cinq. La plus grande partie de l’activité économique est alors consacrée à la production d’énergie, ce qui représente un changement radical par rapport au fonctionnement d’aujourd’hui et, en fait, contradictoire avec celui-ci.

L’énergie restant disponible en fonction du niveau d’EROI

Représentation de la part d’énergie nette relative en fonction de l’EROI (en suivant l’excellente présentation de Euan Mearns [1]). La partie supérieure (en rouge) correspond à la fraction de l’énergie consommée par le secteur énergétique, la partie inférieure (en bleu) à la fraction utilisable par les autres secteurs d’activité.

Appelons Ein l’énergie investie dans les opérations de production d’énergie et Eout toute l’énergie récupérable. L’EROI est le rapport entre ces deux valeurs.

On appellera énergie nette Enet la différence Eout – Ein, c’est-à-dire l’énergie restant disponible pour d’autres usages que la production d’énergie. Rapportée à l’énergie produite (Enet,r), elle s’exprime en fonction de l’EROI :


Référence


^[1]Energy Matters”, EROI for beginnners. Sur euanmearns.com

Énergies de stock, énergies de flux : sources pilotables, sources intermittentes

Charbon, pétrole, gaz et uranium constituent des stocks qui, à l’échelle de l’espèce humaine, ne se renouvellent évidemment pas. Les trois premiers ont mis quelques centaines de millions d’années à s’accumuler au sein de la croûte terrestre. L’uranium fait partie de la matière première dont est fait le système solaire, il a été formé par nucléosynthèse au sein d’étoiles massives lors de leur phase terminale de supernovæ. Dans tous les cas, le stock de ces matières premières peut être considéré comme fixe. S’agissant de stocks finis qui ne se renouvellent pas, ils vont nécessairement s’épuiser et par conséquent, tendanciellement, la production de chacun passera, au-delà des fluctuations d’origines diverses, par un maximum – un pic – avant de décroître. On s’attend, en conséquence, à ce que l’EROI d’un système fondé sur une énergie de stock commence par augmenter, passe par un maximum puis décroisse. En effet, au début de l’exploitation, la découverte de nouveaux gisements et les économies d’échelle améliorent le rendement énergétique, mais à mesure que les ressources s’amenuisent, l’énergie investie augmente (les gisements sont plus difficiles à atteindre, à exploiter, ils sont moins riches) et même si des progrès technologiques peuvent reculer un temps l’échéance, l’EROI diminue nécessairement 1. Au début du XXe siècle, l’EROI du pétrole a cru jusqu’à environ 100, mais il est aujourd’hui de l’ordre de 30, et l’EROI des sables bitumineux du Canada, qui nécessitent des traitements thermiques pour en extraire des hydrocarbures utilisables, ont un EROI inférieur à 5 [3] 2.

Stoneferry, John Ward of Hull (1798-1849)

Les autres sources d’énergie dont nous disposons sont des énergies de flux : énergie solaire, énergie éolienne, énergie marine, énergie hydraulique, biomasse, géothermie, toutes ces formes d’énergie sont inépuisables (à l’échelle humaine en tout cas, d’où leur nom d’énergies renouvelables), mais leur flux, c’est-à-dire la quantité d’énergie disponible chaque année – et même à chaque instant – est imposé par la nature. Personne ne commande au Soleil, aux vents, aux courants marins, aux précipitations, à la photosynthèse ou au flux d’énergie provenant du centre de la Terre 3. Dès lors, l’utilisation de ces sources d’énergie dépend des caractéristiques de ces flux – intenses ou pas, réguliers ou pas – et des possibilités pratiques de les transformer pour nos usages (chaleur, travail, électricité…). Cette transformation, tout comme pour les énergies de stock, requiert l’usage de matériaux qui, eux, constituent des stocks finis et ne sont pas renouvelables (ainsi, les « énergies renouvelables » ont bien une composante non renouvelable, même si les possibilités de recyclage, très variables selon les matériaux, permettent de limiter leur consommation).

Le calcul de l’EROI des énergies de flux pour produire de l’électricité pose une difficulté supplémentaire. Dans la mesure où l’on ne sait pas stocker de grandes quantités d’énergie, les réseaux électriques fonctionnent en assurant à chaque instant et en tout lieu du réseau l’égalité entre la production et la consommation. De ce point de vue, une source d’énergie intermittente n’est pas équivalente à une source d’énergie garantie (on dit encore : pilotable). En effet, une source intermittente peut fournir de l’énergie lorsqu’on n’en a pas besoin, alors qu’elle peut être défaillante lorsque le besoin est là (typiquement, le Soleil ne brille pas le soir ou la nuit). On est donc amené à considérer deux valeurs de l’EROI : celle correspondant à la production d’une électricité fluctuante, non consommable comme telle par le réseau, et celle intégrant les dispositifs permettant de gérer les fluctuations de cette production. La seconde est évidemment plus petite que la première. C’est ce qui apparaît dans la figure 2.

Analyse en cycle de vie

Le concept d’EROI peut évidemment être utilisé pour une technologie particulière de production d’énergie. Un calcul complet comporte plusieurs aspects, dont certains font l’objet de débats contradictoires. Prenons, pour fixer les idées, le cas d’une centrale électrique.

D’une part, il faut considérer, dans l’énergie investie, l’ensemble des composantes nécessaires sur l’ensemble de la durée de vie de l’installation : l’énergie associée à sa construction, à son fonctionnement pendant la phase de production d’électricité (matière première et entretien) et à son démantèlement.

Les chutes du Niagara, Thomas Chambers (1808-1869)

D’autre part, comme indiqué plus haut, un réseau électrique doit assurer à chaque instant et en tout lieu l’égalité entre production et consommation. De ce point de vue, un réseau ne peut fonctionner qu’avec des moyens de production garantissant une certaine puissance instantanée (personne n’accepterait qu’un système ne mette à disposition de l’énergie qu’au gré de l’ensoleillement ou des vents). Or, dans le cas de sources d’électricité variables ou intermittentes ‒ comme le solaire photovoltaïque (PV) ou l’éolien ‒, la puissance délivrée garantie ne représente qu’une petite partie de la puissance installée. En effet, dans le cas du solaire photovoltaïque, les fluctuations de la production sont de l’ordre de grandeur de la puissance maximale, puisque la puissance délivrée varie entre 0 (la nuit), et une puissance proche du maximum à midi (quand le soleil n’est pas masqué). Quant à l’éolien, en Europe, en cas de conditions météorologiques anticycloniques, la production peut être pendant plusieurs jours de l’ordre de quelques pourcents seulement de la puissance installée. Tant que ces sources, dont on ne contrôle pas les flux, ne représentent qu’une faible partie du mix électrique, les fluctuations de la production peuvent être gérées par les moyens déjà mis en place pour gérer les fluctuations de la demande. En France, ce sont principalement les centrales hydrauliques qui assurent cette fonction. En Allemagne, ce sont des centrales au charbon, au lignite ou au gaz. Mais si le taux de pénétration des sources intermittentes augmente 4, de nouveaux moyens de production, dits de back-up, doivent être mis en place, et dans ce cas la dépense énergétique associée à ces moyens de production doit être incluse dans le calcul de l’EROI de ces sources d’énergie de flux (renouvelables). Il résulte de cette analyse que l’EROI de ces sources dépend des moyens de back-up nécessaires et donc de leur taux de pénétration. Cet exemple illustre le fait que le calcul de l’EROI dépend du périmètre choisi pour calculer l’énergie investie (Ein).

Prenons un autre exemple, celui du pétrole. On peut s’intéresser à la seule activité d’extraction. Pour un baril de pétrole extrait (159 litres), on mesurera l’énergie dépensée pour l’extraire, et l’EROI de cette activité sera le rapport entre l’énergie du pétrole extrait et l’énergie dépensée pour l’extraire. Mais le pétrole sous forme de baril n’a pas d’utilité ; il ne l’acquiert qu’une fois transformé, par exemple sous la forme d’essence. Pour calculer l’EROI correspondant, il faudra tenir compte de l’énergie consommée par le transport du pétrole et son raffinage. Mais, à nouveau, l’essence en tant que telle n’a pas d’usage, elle ne l’acquiert que si existe un réseau de distribution auprès duquel les consommateurs peuvent s’approvisionner. On définira donc un nouvel EROI pour caractériser l’ensemble des transformations allant du puits de production au consommateur. Les EROI successifs vont évidemment en décroissant puisque l’énergie investie augmente au fur et à mesure, alors que l’énergie produite est évidemment toujours la même 5.

Une étude publiée en 2012 [5] a ainsi montré que l’EROI du solaire PV espagnol passe de 8 (une unité d’énergie investie pour huit unités d’énergie électrique produite) à 2 si on prend en compte toute la chaîne comprenant le transport des matériels de construction, les fondations, les liaisons au réseau, l’entretien et la maintenance, la main-d’œuvre et la compensation des variations de production (nuit, mauvais temps, etc.) par des centrales à gaz déjà existantes 6.

Un EROI inférieur à cinq est bien inférieur à l’EROI moyen des pays développés, tel que nous l’avons estimé à partir de la contribution du secteur énergétique au PIB. Autrement dit, de telles technologies ne sont pas en mesure aujourd’hui de prendre le relais des combustibles fossiles.

Les déchargeurs de charbon, Claude Monet (1840-1926)

Elles ne peuvent se développer que grâce à d’importants systèmes de subventions 7 et en s’appuyant sur des sources d’EROI plus grands. Les énergies de flux (dites renouvelables) peuvent tout de même contribuer à diminuer la dépendance aux combustibles fossiles, mais à condition de prendre en compte l’environnement énergétique dans lequel elles sont insérées. Développer massivement du solaire PV dans des régions tempérées où l’ensoleillement moyen est médiocre et présente de fortes variations saisonnières n’a pas grand sens. En revanche, il est particulièrement adapté dans les régions intertropicales où l’ensoleillement est deux à trois fois plus intense et constant au cours de l’année, où les réseaux électriques font défaut, et où, couplé à des batteries, le PV peut venir se substituer à des groupes électrogènes dépendant de l’importation de combustibles fossiles.

En France, en particulier, où l’électricité est déjà décarbonée à 95 %, implanter massivement de l’éolien et du solaire PV ne fait que renchérir la facture d’électricité – leur prix élevé reflète des EROI bas (figure 2) – sans contribuer aucunement à la diminution de nos émissions de gaz à effet de serre. Par conséquent, les « bons » dossiers que sont la rénovation thermique des bâtiments et la mobilité sont sous-financés. Dans ces conditions, il n’est pas étonnant que nos émissions aient augmenté dans ces deux secteurs, par rapport à la trajectoire qui était envisagée en 2015 [7] : 6 % dans le bâtiment, 11 % dans les transports et 3 % dans l’agriculture (3,6 % au total dans les trois dernières années).

L’EROI des systèmes de production d’électricité

Une étude complète a été publiée en 2013 par une équipe de physiciens allemands [8]. Les résultats sont synthétisés dans la figure 2. Pour chaque système, la première colonne correspond à la production brute, la seconde tient compte de l’énergie d’appoint ou du stockage permettant de lisser les fluctuations intrinsèques au mode de production et délivrer une puissance égale à la puissance moyenne de l’installation. Lorsque les deux colonnes sont égales, c’est que le système est « pilotable ». Pour le nucléaire, la durée de vie a été prise à soixante ans, et la technique d’enrichissement de l’uranium considérée est la centrifugation, qui consomme environ vingt fois moins d’énergie que la diffusion gazeuse. Le fait que le nucléaire ait un EROI aussi élevé est dû à la durée de vie des installations, et surtout au fait qu’il s’agit d’une forme d’énergie extrêmement concentrée : pour faire fonctionner une centrale électrique de 1 GW, il faut 27 tonnes d’uranium enrichi par an, alors qu’il faut environ 260 tonnes de charbon à l’heure.

Conclusion

Affiche datant de 1897, Lucien Lefèvre (1850- ?)

L’humanité est confrontée à un objectif qu’elle n’a jamais rencontré auparavant : substituer à des formes d’énergie disponibles et peu chères, mais néfastes, des sources d’énergie décarbonées. Auparavant, à chaque fois qu’une source d’énergie nouvelle était mise en place, elle venait s’additionner aux formes d’énergie antérieures. Ainsi, le charbon s’est ajouté à l’énergie hydraulique, le pétrole s’est ajouté au charbon et le gaz au pétrole. La consommation mondiale moyenne par habitant (convertie en puissance moyenne) est de 2 500 W, celle des pays de l’OCDE est de 5 600 W et celle des ÉtatsUnis de 11 200 W. Si l’on compare ces chiffres avec l’énergie correspondant au métabolisme humain, soit environ 120 W 8, on voit que nous disposons chacun, sous forme de machines, de centaines « d’esclaves énergétiques » assurant notre niveau de vie à travers d’énormes capacités de transformation de la matière. L’EROI des systèmes énergétiques fournit un indicateur caractérisant ces capacités.

Figure 2 : EROI des centrales productrices d’électricité (solaire CSP : solaire thermodynamique). L’EROI du nucléaire est calculé pour des réacteurs à eau pressurisée.

Comment tenir compte de la contrainte climatique, qui nous incite fortement à sortir des combustibles fossiles, tout en maintenant un EROI moyen de la société comparable à ce qu’il est aujourd’hui, dans un contexte global d’augmentation de la demande d’énergie mondiale ? La population mondiale augmente, les taux d’urbanisation augmentent, les pays émergents émergent et les pays pauvres tendent à devenir moins pauvres. Le problème sera tellement difficile à résoudre que toutes les sources d’énergie décarbonées doivent être considérées : énergie de flux (renouvelables) et énergie nucléaire. Les taux de pénétration des énergies intermittentes, en l’absence de capacités de stockage massives, sont limités par leurs fluctuations. L’implantation et la mise en œuvre des diverses technologies, y compris celles conduisant à une diminution de la consommation énergétique, dépendent du degré de développement et des ressources locales : il n’y aura pas une solution valable partout.

L’EROI, malgré les difficultés de son calcul, dues notamment aux diverses façons de prendre en compte l’environnement énergétique auquel telle ou telle technologie participe, devrait constituer un indicateur utile pour choisir la meilleure façon de faire évoluer un mix énergétique donné. L’EROI des sources intermittentes apparaît aujourd’hui trop faible pour qu’elles puissent, à elles seules, fournir l’énergie qui sera nécessaire à l’échelle mondiale au cours du siècle.

Références

^[1] Jancovici JM, « L’énergie, de quoi s’agit-il exactement ? ».Sur jancovici.com

^[2] « Science et énergie », séminaires de l’École de physique des Houches. Sur science-and-energy.org

^[3] Court V,  «  Energie, EROI et croissance économique dans une perspective de long terme  », thèse de l’université Paris-Ouest Nanterre La Défense, 2016. Sur theses.fr

^[4] Grand D et al., “Electricity production by intermittent renewable sources : a synthesis of rench and German studies”. The European Physical Journal Plus, 2016, 131 :329.

^[5] Prieto P, Hall C, Spain’s photovoltaic revolution, Springer, 2012.

^[6] Koppelaar R, “Solar PV Energy Payback and Net Energy”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 72 :1241-1255.

^[7] « Suivi de la Stratégie nationale bas-carbone  », Rapport, 2018. Sur ecologique-solidaire.gouv.fr

^[8] Weißbach D et al., “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants”, Energy, 2013, 52 :210-221.

1 On trouvera sur le site de la session de l’École des Houches de 2016 consacrée à l’EROI de nombreuses références sur l’évolution de l’EROI des ressources énergétiques [2].

2 Des sources avec un faible EROI peuvent être utilisées, mais elles s’appuient sur des sources avec de meilleurs EROI. Dans l’encadré précédent, il s’agit de l’EROI global de la société, qui fait fonctionner différentes sources. Le même problème se rencontre avec l’éolien ou le solaire, qui ont de faibles EROI et dont le développement s’appuie sur les fossiles.

3 L’énergie hydraulique et la biomasse sont les seules énergies de flux qui peuvent se stocker. Le flux d’énergie tiré de la biomasse est sensible à l’activité humaine : nous n’avons certes pas les moyens de contrôler le rythme de la photosynthèse des plantes, mais nous avons les moyens de déforester ou de planter.

4 On trouvera une étude détaillée des cas français et allemand dans [4].

5 Avec cette façon de calculer, la différence entre le numérateur et le dénominateur représente bien l’énergie nette mise à disposition des secteurs d’activités autres que le secteur énergétique.

6 Cet EROI de 2 a été contesté dans une méta-analyse [6]. Mais comme dans cette étude, les coûts énergétiques associés à la force de travail, au stockage et au réseau électrique n’ont pas été pris en compte, la conclusion ne paraît pas fondée.

7 Comparons deux sources d’énergie d’EROI différentes. Pour une même énergie investie, celle qui a l’EROI le plus grand rapportera plus que l’autre, puisqu’elle a plus d’énergie à vendre. L’autre ne pourra se maintenir que si elle dispose de subventions.

8 La ration alimentaire journalière est, exprimée en énergie, d’environ 2 600 kcal, soit 120 W.


Thème : Environnement

Mots-clés : Charbon - Climat

Publié dans le n° 329 de la revue


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L' auteur

Jacques Treiner

Chercheur associé au Laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain (Lied) et président du groupe d’experts du (...)

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