Energie : production, consommation, où en est-on ?

Aucun pays n’est aujourd’hui autonome sur le plan énergétique, qu’il s’agisse de la maîtrise des sources d’énergie ou des techniques de production et de transformation. Le marché de l’énergie reflète l’équilibre stratégique et économique international.

Un état peut privilégier certaines sources d’énergie. Ainsi, pour répondre au premier choc pétrolier (1973-1974) la France s’est engagée dans la production d’électricité d’origine nucléaire. Celle-ci représente aujourd’hui 78 % de la consommation nationale d’électricité.

Mais quelles que soient les volontés politiques, les évolutions sont difficiles. Ainsi, le pétrole fournit actuellement 98 % de l’énergie consommée pour les transports. Utiliser une autre source d’énergie pour les voitures n’aurait de résultats significatifs qu’après le renouvellement de la plus grande partie du parc (seize années sont nécessaires au renouvellement de 90 % du parc).

Il est possible de tirer avantage localement de certaines sources d’énergie qui restent marginales au niveau national. La chaleur libérée par l’incinération des déchets ménagers peut par exemple être récupérée au profit du chauffage urbain ou des industries locales.

L’optimisation de la consommation est un enjeu essentiel de la politique énergétique nationale et mondiale, sur laquelle des interventions sont possibles à l’échelon local. Elle fait l’objet d’un autre dossier intitulé « Les économies d’énergie : choix ou nécessité ? »

L’énergie

Q : Que recouvre le mot énergie ?

R : L’énergie est difficile à définir simplement autrement qu’à travers ses effets et ses variations : chauffer l’eau, faire avancer un vélo ou une voiture, etc. Son étude est à la base de la physique. Les physiciens ont construit au fil des siècles des systèmes de mesures adaptés aux différentes formes d’énergie (chaleur, mouvement, électromagnétisme, etc.). Celles-ci peuvent se transformer les unes dans les autres : par exemple, l’énergie chimique de nos cellules est transformée dans nos muscles en énergie mécanique qui produit un mouvement.

L’homme utilise l’énergie sous forme de chaleur, de lumière ou de mouvement. La maîtrise de l’énergie est donc le moteur de l’activité humaine. L’homme doit la stocker, la transporter, ce que certaines formes d’énergie permettent mieux que d’autres. Pour ces raisons, il peut être conduit à transformer l’énergie. La découverte de l’électricité a ainsi constitué une révolution : toutes les formes connues d’énergie peuvent être transformées en énergie électrique. L’électricité peut ensuite être elle-même facilement transportée puis transformée en mouvement (moteur par exemple) ou en chaleur (radiateur par exemple) pour l’utilisateur final.

La quantité totale d’énergie ne varie pas quand l’énergie change de forme, mais une partie de l’énergie se transforme en chaleur et est le plus souvent perdue pour l’utilisateur. Le rendement d’une transformation est le pourcentage de l’énergie restant disponible pour l’utilisateur. Ce rendement est de 38 % pour une centrale électrique thermique, de 20 % pour un moteur de voiture et de 10 % pour une centrale électrique géothermique. Le rendement d’une opération de transformation dépend de la source d’énergie et des progrès techniques permettant l’amélioration des procédés industriels de cette transformation. Elle est limitée par des caractéristiques physiques non modifiables en l’état actuel des connaissances.

L’unité utilisée par les physiciens pour mesurer l’énergie est le joule (J). Les économistes utilisent plutôt la tonne d’équivalent pétrole (tep), les médecins nutritionnistes la calorie (cal).

Q : Quel est le lien entre puissance et énergie ?

R : Puissance n’est pas synonyme d’énergie. La puissance fait intervenir un facteur supplémentaire qui est la durée pendant laquelle une quantité donnée d’énergie est consommée. L’unité de puissance est le watt (W) et correspond à une consommation d’énergie de 1 joule en une seconde. On emploie couramment les multiples suivants : 1 kW = 1000 W, 1 MW = 1 million de W.

A partir d’une même quantité d’énergie peuvent être produites des puissances de niveaux très différents :

- L’énergie nécessaire pour gravir une pente donnée est toujours la même, en revanche, la puissance à fournir augmente avec la vitesse. Plus on monte vite, plus on développe une grande puissance.

- Quarante litres d’essence contiennent une quantité d’énergie de 500 kWh (kilo watt heure). Si ces 40 litres sont consommés en 5 heures par une voiture, la puissance développée par la voiture est de 100 kW (kilo watt). S’ils sont brûlés en 10 secondes, la puissance dégagée est alors de 180 000 kW.

Q : Que sont les énergies fossiles ?

R : Le charbon (houille, lignite, tourbe), le pétrole et le gaz naturel sont les énergies fossiles. Ils proviennent de la transformation de la biomasse (arbres, plantes, animaux, micro-organismes) enfouie depuis plusieurs milliers ou millions d’années. Lors de la combustion des énergies fossiles, l’énergie solaire qui a permis la croissance de la biomasse (à partir de l’eau, du gaz carbonique - CO₂ - et de l’azote de l’air) est restituée sous forme de chaleur tandis que du CO₂ (gaz à effet de serre) est libéré dans l’atmosphère.

Ces énergies fossiles ne sont pas renouvelables. Au rythme actuel de leur consommation, le temps nécessaire à leur reconstitution dépasse largement le temps nécessaire aux hommes pour utiliser totalement les stocks existants.

Q : Qu’est-ce que l’énergie géothermique ?

R : L’énergie géothermique est la chaleur fournie par la Terre. Elle provient principalement de la désintégration des éléments radioactifs naturellement présents dans les roches du sous-sol. A la surface de la Terre, cette énergie est en moyenne 10 000 fois plus faible que l’énergie fournie par le soleil. L’énergie géothermique n’est donc utilisable que dans des zones particulières où elle s’est accumulée.

L’énergie géothermique est récupérée sous forme d’eau chaude (sources thermales, puits artésiens, geysers). Son utilisation la plus répandue est le chauffage (habitations, serres, etc.) efficace avec de l’eau à température modérée (à partir de 15 ou 20° C). Le chauffage par géothermie est utilisé par exemple en région parisienne et en région bordelaise.

La production d’électricité par géothermie demande une eau beaucoup plus chaude (plus de 150° C). Elle ne se rencontre qu’au voisinage des zones volcaniques actives (en Guadeloupe ou en Islande par exemple).

L’énergie géothermique n’est pas une énergie renouvelable. Lorsqu’ils sont exploités, les gisements d’eau chaude se tarissent ou se refroidissent.

Q : Que sont les énergies renouvelables ?

R : Une énergie est dite renouvelable quand, sur une centaine d’années, on n’en consomme pas plus que la nature n’en produit. Le caractère renouvelable ou non d’une source d’énergie dépend de la rapidité avec laquelle elle est utilisée.

La plupart des énergies renouvelables proviennent directement ou indirectement du soleil :

- Energie solaire. Elle est utilisée directement par les chauffe-eau solaires (panneaux solaires) et les piles solaires.

- Energie hydraulique. Cette énergie provient essentiellement du passage de l’eau à travers les barrages. Elle est issue du cycle de l’eau : le soleil provoque l’évaporation de l’eau qui se condense pour former les nuages. La pluie libérée par ceux-ci contribue à la création des cours d’eau qui à leur tour alimentent les barrages. La puissance des centrales hydroélectriques dépend de la vitesse de l’eau et de son débit. L’énergie des marées est une forme d’énergie hydraulique mise à profit dans les usines marémotrices.

- Energie éolienne. Elle utilise la force du vent. Celui-ci est dû à des différences de pressions atmosphériques locales qui résultent de différences d’échauffement de l’air par le soleil.

- Energie de la biomasse (arbres, plantes, animaux, micro-organismes). Elle provient de sa combustion. L’énergie solaire permet la croissance de la biomasse à partir de l’eau, du gaz carbonique (CO₂) et de l’azote de l’air. Lors de la combustion de la biomasse (biocarburants compris) ou des déchets organiques qui en sont issus, l’énergie solaire est restituée sous forme de chaleur et le CO₂ libéré dans l’atmosphère.

Q : Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ?

R : L’énergie nucléaire est l’énergie liant les constituants du noyau d’un atome. L’éclatement (fission nucléaire) de certains atomes lourds comme l’uranium ou le plutonium en atomes plus petits libère de la chaleur. Dans les centrales nucléaires, cette chaleur est utilisée pour produire de l’électricité. C’est la source d’énergie la plus concentrée utilisable actuellement. L’énergie nucléaire n’est pas issue de la matière organique. Elle ne produit pas de gaz à effet de serre (gaz carbonique, etc.). En revanche, elle génère des déchets radioactifs.

En France, l’énergie nucléaire produit 400 milliards de kWh d’électricité par an (78 % de l’électricité produite).

L’énergie nucléaire peut aussi être produite par fusion d’atomes légers. L’énergie solaire provient d’une telle réaction de fusion au coeur du soleil. Des recherches sont en cours pour produire de l’électricité à partir de ce processus.

Q : Quelle est la durée de vie d’une centrale nucléaire ?

R : Initialement, les centrales devaient fonctionner pendant 30 ans. Un examen régulier des centrales existantes montre qu’elles peuvent fonctionner sans risque pendant 60 ans. Malgré tout, 104 réacteurs ont été arrêtés dans le monde entre 1950 et 2003, dont onze en France (pour mémoire, EDF exploite actuellement 58 réacteurs d’une puissance unitaire d’environ 1000 MW sur 19 sites). Il s’agit de réacteurs qui avaient atteint la fin de leur durée de vie prévue ou dont le coût de production d’électricité était notablement plus élevé que celui des réacteurs modernes.

Les grands opérateurs nucléaires, dont EDF, ont engagé des programmes de démantèlement à une échelle industrielle. Ce sont des opérations très complexes. En effet, si 75 % des déchets sont des gravats ordinaires, les matériaux situés près du réacteur sont devenus radioactifs au cours du fonctionnement de la centrale (de l’ordre de 20 000 tonnes de matériaux radioactifs, dont 500 tonnes de matériaux très radioactifs).

Le coût de démantèlement est estimé à 15 % du coût de construction d’une centrale neuve. En France, les pouvoirs publics ont prévu qu’EDF provisionne les montants nécessaires et répercute ce coût sur le prix de l’électricité. La longue durée nécessaire aux travaux (environ 25 ans) rend cependant difficile l’évaluation précise des coûts et donc l’adéquation des financements prévus.

Q : Comment utiliser l’énergie éolienne ?

R : L’énergie éolienne est l’énergie du vent. Elle est utilisée aujourd’hui pour produire de l’électricité. Une éolienne fonctionne avec un vent soufflant entre 20 km/h (force 4 sur l’échelle de Beaufort) et 90 km/h (force 9).

La puissance fournie varie considérablement en fonction de la vitesse du vent : actuellement, la plupart des éoliennes industrielles peuvent produire 750 kW avec un vent de 54 km/h mais leur puissance n’est que de 28 kW quand le vent souffle à 18 km/h. En raison des variations de la vitesse des vents, la puissance moyenne annuelle d’une éolienne atteint au mieux le quart de sa puissance potentielle.

L’expérience allemande a montré qu’à l’échelle d’un pays, la production totale d’électricité éolienne pouvait varier de 30 % en une heure, entraînant des sautes de puissance de un à deux mille MW (soit la puissance de un ou deux réacteurs nucléaires). En raison de ces sautes de puissance, l’électricité éolienne ne peut venir qu’en complément d’autres sources d’électricité. Il faut pour cela un réseau de distribution robuste et, dans la mesure du possible, la possibilité de stocker l’énergie.

Le Danemark (fournisseur d’électricité éolienne) et la Norvège (où 69 % de l’électricité est hydroélectrique) ont prévu une combinaison exemplaire. En période de vents forts, l’électricité éolienne en excès serait acheminée vers les barrages de Norvège et utilisée pour pomper l’eau et la remonter en amont des barrages. En période de vents faibles, l’ouverture des vannes des barrages restituerait rapidement l’énergie stockée et de l’électricité serait acheminée vers le Danemark.

Q : Comment utiliser les biocarburants ?

R : Les biocarburants sont des produits de l’agriculture pouvant se substituer à l’essence, au gazole ou au fioul domestique. Ils sont utilisés purs ou mélangés aux produits pétroliers. Il existe trois grands types de biocarburants : l’alcool, l’ETBE (éthyl-tertiobutyl éther) et les EMHV (esters méthyliques d’huiles végétales).

L’alcool est fabriqué à partir du sucre (betterave en France, canne à sucre au Brésil) ou de l’amidon (maïs aux Etats-Unis, blé en France). Il peut remplacer l’essence.

L’ETBE est un produit dérivé de l’alcool. Il offre l’avantage de se mélanger plus facilement à l’essence que l’alcool.

Les EMHV (esters méthyliques d’huiles végétales) appelés aussi biodiesel sont principalement tirés d’huiles de colza. Ils remplacent le gazole et le fioul.

L’incorporation au carburant traditionnel de faibles quantités de biocarburant (15 % pour l’alcool ou l’ETBE, 5 % pour les EMVH) ne modifie pas le fonctionnement des moteurs. Tous les biocarburants peuvent aussi être utilisés purs dans des véhicules ordinaires, mais ceci nécessite un réglage spécifique du moteur.

Bien que le prix de revient de l’alcool ait baissé de 50 % en vingt ans, il est encore quatre fois plus élevé que celui de l’essence.