Énergie, choix de développement et futur climatique
Cours · enseignement scientifique (terminale), chapitre 6 · terminale, enseignement scientifique · le début du chapitre, la suite sur Adloun
6.1 Introduction : de combien d'énergie vivons-nous, et à quel prix ?
Un adulte au repos dissipe environ watts — la puissance d'une vieille ampoule. C'est tout ce dont notre corps a besoin pour vivre. Et pourtant, chaque être humain mobilise en moyenne, pour se déplacer, se chauffer, se nourrir, s'équiper et se soigner, une puissance de l'ordre de watts : vingt-quatre fois son propre métabolisme. Dans les pays riches, le facteur atteint la centaine.
Cette énergie ne vient pas de nulle part. Aux quatre cinquièmes, elle vient encore aujourd'hui de la combustion de charbon, de pétrole et de gaz naturel — c'est-à-dire de carbone qui dormait sous terre depuis des dizaines ou des centaines de millions d'années, et que nous remettons dans l'atmosphère en quelques décennies. Le lien entre la question de l'énergie et celle du climat n'est donc pas une association d'idées militante : c'est une identité de sujet. Parler de notre consommation d'énergie, c'est parler du carbone ; parler du carbone, c'est parler du climat.
Ce chapitre est le plus « politique » du livre, et c'est justement pourquoi il doit être le plus rigoureux. Il ne vous dira pas ce qu'il faut faire. Il vous donnera de quoi comprendre ce dont on parle, et surtout de quoi distinguer en permanence deux registres qui, dans le débat public, sont continuellement mélangés :
- ce qui relève de la mesure et du modèle — combien d'énergie consommons-nous ? d'où vient le carbone ? quelle masse de dioxyde de carbone libère un kilowattheure de charbon ? de combien la température montera-t-elle si les émissions suivent telle trajectoire ? Ces questions ont des réponses, assorties d'incertitudes que l'on sait quantifier ;
- ce qui relève de la décision — que faut-il faire ? qui doit payer ? à quelle vitesse ? quel risque accepte-t-on, et pour qui ? Ces questions-là n'ont pas de réponse scientifique. Elles ont des réponses politiques, que la science éclaire sans les dicter.
Confondre les deux registres produit deux erreurs symétriques : croire que la science impose un programme, ou croire qu'un désaccord politique autorise à contester les mesures. Ni l'une ni l'autre n'est tenable.
Le bilan radiatif de la Terre, l'effet de serre et la notion de forçage ont été établis dans le thème 1 de ce livre et dans le programme de première ; nous ne les réexposons pas, nous les utilisons. De même, les moyens d'obtenir de l'électricité sans combustion ont été détaillés au chapitre précédent. Ce chapitre-ci porte sur l'énergie en général — dont l'électricité n'est qu'une partie, de l'ordre du cinquième de l'énergie finale consommée dans le monde.
6.2 Compter l'énergie : unités et ordres de grandeur
6.2.1 Un même contenu, cinq unités
Rien n'embrouille davantage le débat sur l'énergie que ses unités. Le joule est l'unité légale, mais on parle en kilowattheures sur les factures, en tonnes équivalent pétrole dans les statistiques internationales, en calories en diététique et en barils sur les marchés. Toutes mesurent la même grandeur.
- Le joule (J) est l'unité du système international.
- Le kilowattheure (kWh) est l'énergie consommée en une heure par un appareil de kilowatt :
- La tonne équivalent pétrole (tep) est, par convention internationale, l'énergie libérée par la combustion d'une tonne de pétrole brut de référence :
- La calorie vaut J ; la Calorie des diététiciens est en réalité la kilocalorie, kJ.
- Le baril de pétrole (environ litres) libère de l'ordre de kWh.
La tonne équivalent pétrole est une unité conventionnelle, choisie par les agences statistiques parce qu'elle rend commensurables des ressources aussi différentes qu'un stère de bois, un mètre cube de gaz et un kilogramme d'uranium. Elle ne correspond à aucune tonne de pétrole réelle : les pétroles bruts n'ont pas tous le même pouvoir calorifique. C'est un cas intéressant d'unité fabriquée pour les besoins de la comparaison, et il faut savoir qu'elle transporte des conventions — notamment sur la façon de compter l'électricité d'origine nucléaire ou hydraulique, qui n'est pas la même selon les organismes.
Méthode : Utiliser et convertir les unités d'énergie
- Ne jamais mélanger énergie et puissance. Le watt est une puissance, le wattheure une énergie. « Une centrale de MW » et « une production de MWh » ne disent pas du tout la même chose. Le test : .
- Choisir l'unité adaptée à l'échelle. Le joule pour un calcul de physique, le kWh pour un logement, le TWh pour un pays, l'exajoule ( J) ou la Gtep pour le monde.
- Convertir par un facteur, pas par une formule. Retenir kWh MJ et tep kWh ; tout le reste s'en déduit par proportionnalité.
- Contrôler l'ordre de grandeur du résultat avant de l'écrire : un ménage français consomme quelques milliers de kWh par an, pas quelques millions.
Conversion d'unités, proportionnalité, puissances de : une conversion d'unité est une multiplication par un coefficient constant, donc une situation de proportionnalité. Poser le calcul en notation scientifique évite les erreurs de facteur mille.
(a) Un ménage consomme kWh d'électricité par an. En joules : J. En tep : tep.
(b) La consommation mondiale d'énergie primaire est de l'ordre de J par an. En tep : tep, soit environ milliards de tep.
(c) Un litre d'essence libère environ MJ, soit kWh. Un plein de litres transporte donc kWh — davantage que ce qu'une batterie de voiture électrique de kWh contient, d'un facteur sept. C'est toute la difficulté de l'électrification des transports, et cela ne se comprend qu'en comparant des énergies massiques.
6.2.2 Savoir-faire : situer des ordres de grandeur
Méthode : Comparer des ordres de grandeur d'énergie et de puissance
- Ramener tout à la même unité, de préférence le watt pour les puissances et le kWh ou le joule pour les énergies.
- Écrire en notation scientifique et ne retenir que l'exposant : comparer des ordres de grandeur, c'est comparer des puissances de .
- Placer sur une échelle logarithmique. Sur une telle échelle, des écarts égaux représentent des rapports égaux : c'est le seul moyen de faire tenir sur une même figure une ampoule et le Soleil.
- Formuler la comparaison en facteur, jamais en différence : « le flux solaire reçu par la Terre représente environ fois la puissance consommée par l'humanité », et non « moins ».
- Se demander ce que le facteur signifie. Un facteur ne dit pas que le problème énergétique est résolu : il dit seulement que la ressource ne manque pas, ce qui laisse entières les questions de captation, de stockage et de matériaux.
Puissances de , ordres de grandeur ; lectures graphiques : l'échelle logarithmique est l'outil qui rend visible ce que l'échelle linéaire écrase.
couvrant dix-huit ordres de grandeur. Chaque graduation représente un facteur mille. L'humanité entière consomme dix mille fois moins de puissance que la
Terre n'en reçoit du Soleil : la ressource n'est pas ce qui manque.6.3 D'où vient l'énergie du monde, et qui la consomme
6.3.1 Le savoir : une ressource dominante, une répartition très inégale
L'énergie utilisée dans le monde provient d'une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent. Leur consommation est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus. La croissance de la consommation globale (doublement dans les dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés. En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l'habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.
Trois faits, donc, qu'il faut tenir ensemble.
Les fossiles dominent, et de très loin.
Charbon, pétrole et gaz naturel fournissent ensemble environ quatre cinquièmes de l'énergie primaire mondiale. Cette part a très peu bougé en cinquante ans : les énergies bas carbone se sont ajoutées à la consommation plutôt qu'elles ne s'y sont substituées. C'est l'un des constats les plus dérangeants du dossier énergie-climat, et il est purement factuel.
La consommation a doublé en quarante ans.
Non parce que chaque individu consommerait deux fois plus, mais parce que la population a augmenté et que des centaines de millions de personnes sont entrées dans un mode de vie industriel. Le lien est direct : produire des biens, les transporter, chauffer et refroidir des bâtiments, nourrir huit milliards d'humains, tout cela demande de l'énergie.
La répartition est très inégale.
Un habitant d'Amérique du Nord consomme de l'ordre de vingt fois plus d'énergie qu'un habitant d'Afrique subsaharienne. Cette inégalité est au cœur de toutes les négociations climatiques : les pays qui ont le plus émis historiquement ne sont pas ceux qui subiront le plus les conséquences, et ceux qui souhaitent aujourd'hui se développer n'ont pas émis grand-chose.
mondiale ; à droite, la consommation par habitant selon les régions (ordres de grandeur du milieu des années ). Quatre cinquièmes de l'énergie mondiale sont d'origine fossile, et un habitant d'Amérique du Nord en consomme
plus de vingt fois davantage qu'un habitant d'Afrique subsaharienne.En moyenne mondiale, l'énergie finale se répartit à peu près ainsi : le secteur industriel (production de matériaux, chimie, sidérurgie) en absorbe environ , les transports environ , l'habitat et le tertiaire (chauffage, cuisson, éclairage, appareils) environ également, et l'agriculture quelques pour cent — chiffre qui paraît faible mais qui néglige l'énergie contenue dans les engrais azotés et dans la transformation des aliments, comptées ailleurs. Les trois premiers secteurs sont donc du même ordre : il n'y a pas de « coupable » unique, ce qui interdit les solutions à un seul levier.
6.3.2 Stocks et flux : deux natures de ressources
Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (radiatif solaire, géothermique et des marées).
Une ressource de stock existe en quantité finie, constituée dans le passé ; en prélever diminue ce qui reste. Une ressource de flux est renouvelée en permanence par un processus extérieur ; en prélever ne diminue pas ce qui sera disponible demain. La distinction n'est pas une question de quantité : un stock peut être énorme, un flux peut être faible.
Trois flux seulement alimentent la Terre en énergie, et ils ont trois origines physiques distinctes.
- Le flux radiatif solaire, W interceptés par la planète, est de loin le plus important. Il alimente non seulement le photovoltaïque et le solaire thermique, mais aussi, indirectement, le vent, le cycle de l'eau (donc l'hydraulique) et la photosynthèse (donc la biomasse).
- Le flux géothermique, de l'ordre de W, vient de la chaleur interne du globe, elle-même entretenue par la radioactivité naturelle des roches et par la chaleur résiduelle de la formation de la Terre.
- Le flux des marées, quelques W, vient de l'énergie de rotation du système Terre-Lune. Il est le seul dont l'origine soit gravitationnelle.
flux se renouvelle. Toute la question de la transition énergétique tient dans le passage de la colonne de gauche à celle de droite — sachant que l'uranium est un stock et que la biomasse, renouvelable, ne l'est qu'à la vitesse où elle
repousse.L'uranium est un stock : les réserves connues se comptent en dizaines d'années au rythme actuel, davantage si l'on développe des réacteurs capables d'utiliser l'uranium 238 ou le thorium. Le nucléaire est donc bas carbone sans être renouvelable — deux propriétés distinctes que le débat public confond souvent. La biomasse, elle, est un flux tant qu'on ne la prélève pas plus vite qu'elle ne repousse ; au-delà, elle redevient un stock que l'on épuise. C'est exactement ce qui s'est produit dans l'Europe préindustrielle, où les forêts ont reculé jusqu'à ce que le charbon prenne le relais.
Méthode : Exploiter des données de production et d'utilisation d'énergie
Devant un tableau ou un graphique de données énergétiques :
- Lire le titre et l'unité. Énergie primaire ou finale ? Électricité seule ou énergie totale ? Les deux se confondent constamment dans la presse, et l'électricité ne représente qu'environ un cinquième de l'énergie finale mondiale.
- Repérer l'échelle : monde, pays, région, individu. Une valeur par habitant et une valeur absolue racontent deux histoires différentes — la Chine est le premier émetteur du monde et se situe pourtant sous la moyenne européenne pour les émissions cumulées par habitant.
- Distinguer part et valeur absolue. La part du charbon dans le mix mondial a baissé alors que la quantité de charbon brûlée a augmenté : les deux affirmations sont vraies simultanément.
- Chercher la période. Une évolution sur cinq ans et une évolution sur quarante ans ne se comparent pas.
- Rapporter à un ordre de grandeur familier pour donner du sens : une tep, c'est environ un an de consommation électrique d'un ménage français.
Organisation et exploitation de données ; lectures graphiques ; grandeurs quotients : passer d'une donnée totale à une donnée « par habitant » est une division qui change radicalement le classement.
6.4 Le cycle du carbone : d'où viennent les combustibles fossiles
6.4.1 Le savoir : des réservoirs, des flux, et des durées
Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels. L'élément carbone circule entre ces différents réservoirs terrestres, constituant le cycle du carbone. Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone contenu dans la matière organique des êtres vivants, résultant de la réduction du par photosynthèse il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d'années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont qualifiées de non renouvelables.
Un réservoir est un compartiment où un élément séjourne : l'atmosphère, l'océan, les sols, la biomasse, les roches. Un flux est une quantité transférée d'un réservoir à un autre par unité de temps ; il se mesure ici en gigatonnes de carbone par an (GtC/an). Un cycle biogéochimique est l'ensemble des réservoirs et des flux d'un élément à l'échelle de la planète — « bio » parce que le vivant y intervient, « géo » parce que la géologie aussi.