Le journal du cnrs numéro 21 Avril 2008

Les alternatives au pétrole

Mieux vaudrait s'en passer, et vite. Du pétrole, mais aussi de ses compagnons de route, le charbon et le gaz naturel. Tout le monde a en effet pris conscience qu'il était urgent de freiner notre boulimie d'énergie fossile, pour ne pas voir la planète s'asphyxier sous les milliards de tonnes de CO₂ rejetées par nos voitures et nos usines, mais aussi pour éviter une crise économique sans précédent. Seulement voilà, la demande en énergie n'a jamais été aussi grande et pourrait doubler d'ici à 2050. « La situation est tout à fait inédite. Nous n'avons jamais été aussi nombreux ni eu autant d'impact sur la Terre », constate Bernard Multon, du laboratoire « Systèmes et application des technologies de l'information et de l'énergie » (Satie) (Laboratoire CNRS / ENS Cachan / Cnam Paris / Université Cergy-Pontoise). Alors que faire ? La réponse paraît simple : développer massivement les énergies propres et surtout, faire des économies d'énergie. « Les problèmes d'énergie ne peuvent pas uniquement être résolus par des progrès scientifiques. Il faut aussi être efficace d'un point de vue économique, législatif et sociétal. Si nous n'obtenons pas l'adhésion des usagers, ça ne peut pas marcher », affirme Jean-Bernard Saulnier, responsable du programme Énergie au CNRS. Petit tour d'horizon des énergies alternatives qui ont réussi à tirer leur épingle du jeu, et feront partie de l'éventail des énergies de demain. C'est à la fin des années 1970, à la suite des chocs pétroliers, que les énergies alternatives sont propulsées une première fois sur le devant de la scène. Mais nombre de décideurs hésitent à se lancer dans l'aventure, influencés par les baisses transitoires du prix du baril de pétrole. Dix ans plus tard, c'est au tour des climatologues de donner l'alerte : la Terre se réchauffe, il faut stopper les émissions de gaz à effet de serre. Cette fois, les pays industrialisés s'engagent à prendre les mesures nécessaires en signant le protocole de Kyoto (1997). Mais l'inertie est grande : en trente ans, la part du pétrole diminue de 11 % dans la production mondiale d'énergie, cette dernière restant tributaire des énergies fossiles à 80 %. Une certitude : les énergies propres n'ont jamais suscité autant d'intérêt qu'aujourd'hui.

Nucléaire, le retour

Avec ses faibles émissions de CO₂ et ses coûts concurrentiels, l'énergie nucléaire est l'un des premiers acteurs de la lutte contre le changement climatique. Elle représente 6 % de la production mondiale d'énergie et pourrait doubler sa part d'ici à 2030. Après une phase de déclin, consécutive à la catastrophe de Tchernobyl, la demande semble repartir. Des dizaines de réacteurs se construisent à travers le monde, notamment en Asie pour répondre aux besoins grandissants de la Chine et de l'Inde. Un bémol à cette croissance annoncée : la disponibilité du combustible, qui laisse envisager un siècle d'approvisionnement en l'état actuel des choses. « Les technologies nucléaires nous rendent bien service, il ne faut pas le nier. Mais ce n'est pas une solution durable : l'uranium est une matière première qui va se raréfier et devenir de plus en plus chère, exactement comme le pétrole. Je me demande d'ailleurs comment on pourra approvisionner toutes les centrales qu'on projette de construire », s'interroge Bernard Multon. Pour tenter de prolonger la durée de vie des stocks d'uranium, un forum international baptisé « Génération IV » a été créé en 2000 sous l'impulsion des États-Unis. Il regroupe 13 membres, parmi lesquels le Japon, la Chine, la Russie et la France, actrice de longue date dans le domaine du nucléaire. « Ces pays ont sélectionné six types de réacteurs à neutrons rapides pour étudier leur potentiel. L'uranium 235, actuellement utilisé pour produire l'énergie nucléaire, ne constitue que 0,7 % de l'uranium naturel. Le reste, c'est de l'uranium 238. Les réacteurs à neutrons rapides sont justement capables d'exploiter cette nouvelle ressource, mais aussi le thorium », explique Claude Stephan, de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPN) (Institut CNRS / Université Paris-XI). Autres objectifs pour ces réacteurs de 4^e génération, qui doivent remplacer autour de 2040 la troisième génération, dont font partie les European Pressurized Reactors (EPR) en cours de développement : être plus sûrs et produire moins de déchets radioactifs. « Les jeunes sont très sensibles à la dangerosité du nucléaire, beaucoup plus que leurs parents ou leurs grands-parents, qui considèrent parfois la catastrophe de Tchernobyl comme un “accident de parcours”, fait remarquer Christine Meunier-Castelain, sociologue au Centre d'analyse et d'intervention sociologiques (Cadis) (Centre CNRS / EHESS) et co-auteure d'une étude sur la problématique de l'énergie. Pour eux, enfouir les déchets nucléaires n'est pas une solution. »

De quel bois se chauffer ?

Autre issue de secours face au réchauffement de la planète : les énergies renouvelables. Ces énergies vertes – le bois et l'énergie hydraulique en tête – assurent aujourd'hui 13 % de la production mondiale d'énergie et là, aucun problème d'approvisionnement. L'Europe a, pour sa part, clairement affiché ses ambitions lors du conseil européen du 9 mars 2007 : produire 20 % d'énergies renouvelables d'ici à 2020, contre 7 % en 2008, et réduire de 20 % ses émissions de CO₂. Des objectifs confirmés lors d'un vote au Parlement européen le 7 octobre dernier. « C'est peut-être la région du monde qui se préoccupe le plus du développement durable. Certains accusent l'Europe de prendre de l'avance sur ces technologies pour avoir une avance économique. Mais c'est plutôt vertueux », estime Bernard Multon.

Dans l'eau et dans le vent

Après le bois, qui présente un bilan équilibré en matière d'émissions de CO₂, l'énergie hydraulique est la source d'énergie renouvelable la plus utilisée. Elle assure 16 % de la production d'électricité dans le monde et 12 % en France. Et lorsque les centrales hydrauliques sont associées à des retenues d'eau, elles ont l'énorme avantage de pouvoir adapter la production d'électricité à la demande du réseau. De son côté, l'industrie du vent n'en demeure pas moins florissante. « Grâce à une politique incitative, il y a eu un développement très spectaculaire de l'éolien. Au milieu des années 1990, il n'y avait quasiment aucun parc éolien et aujourd'hui, la puissance installée dans le monde est de 100 GW (moins de 1 % de l'énergie produite dans le monde). L'Allemagne, les États-Unis et l'Espagne concentrent la moitié de cette production, suivis par la Chine et l'Inde », expose Michel Deshaies, du Centre d'études et de recherche sur les paysages (Cerpa) de l'université de Nancy-II. Un succès largement attribué à la loi sur les énergies renouvelables, instaurée en Allemagne en 2000 et reprise dans plus de 40 pays. En France, à travers cette loi, « on garantit aux producteurs d'électricité d'origine renouvelable des tarifs de rachat plus élevés que ceux du marché et ce, pendant quinze à vingt ans. C'est idéal pour attirer les investisseurs », estime Dominique Finon, directeur du Laboratoire d'analyse économique des réseaux et des systèmes énergétiques (Larsen) (Groupement d'intérêt scientifique CNRS / EDF / Université Paris-Sud-XI). Deux facteurs empêchent toutefois l'éolien de s'imposer sur le marché : son encombrement, et surtout son irrégularité de production. « Les parcs éoliens tournent environ un tiers de l'année et pas forcément au moment de pointes de consommation. Pour éviter les ruptures de production, des pays comme l'Allemagne, l'Espagne ou le Danemark disposent d'importants parcs de centrales thermiques à côté de leurs parcs éoliens. Lorsqu'ils s'arrêtent, les centrales à charbon, qui sont des systèmes assez souples, prennent le relais. Paradoxalement, ces pays qui produisent beaucoup d'électricité renouvelable émettent donc aussi d'importantes quantités de CO₂ ! », fait remarquer Michel Deshaies. La parade ? Pouvoir stocker massivement l'électricité et la restituer en fonction des besoins. Plusieurs solutions sont à l'étude (batterie électrochimique, stockage thermique…) et restent très attendues par toutes les filières du renouvelable.

L'enjeu du charbon propre

Quid justement du charbon, qui représente actuellement 26 % de la production mondiale d'énergie ? Ce combustible demeure une ressource abondante, certes non renouvelable mais relativement bon marché et facile à exploiter pour produire de l'électricité mais aussi des carburants de synthèse. La Chine et l'Inde ont d'ailleurs largement retenu cette option pour assurer leurs besoins croissants en électricité. L'enjeu pour les décennies à venir est donc de réussir à exploiter le charbon proprement, sans rejeter de gaz à effet de serre (GES) supplémentaires dans l'atmosphère. En Allemagne et aux États-Unis, des unités de « lavage » de fumées permettent de limiter les émissions d'azote et de soufre des centrales à charbon. Et côté CO₂ ? « Les États-Unis ont installé plus de 1 000 km de pipelines pour transporter le CO₂ et l'injecter dans des cavités naturelles. Mais cette solution est encore très coûteuse. De plus, il faut arriver à maîtriser le stockage et s'assurer que, dans plusieurs centaines d'années, le CO₂ séquestré ne va pas remonter en surface », souligne Jean-Bernard Saulnier.

Les promesses du solaire

Le solaire photovoltaïque, qui permet de transformer l'énergie solaire en électricité et qui a lui aussi bénéficié du soutien des pouvoirs publics, est sans conteste le plus prometteur. La puissance de 10 GW installée dans le monde reste modeste mais pourrait dépasser les 1 000 GW d'ici à 2030, selon un rapport récent de l'European Photovoltaic Industry Association. Une croissance qui peut aller encore plus loin, et bénéficier à plus de pays, si l'on en croit Daniel Lincot, de l'Institut de recherche et de développement sur l'énergie photovoltaïque (Irdep) ( Institut CNRS / EDF / ENSCP) : « La quantité d'énergie solaire qui arrive sur Terre chaque année est considérable, 10 000 fois supérieure à la consommation énergétique totale de l'humanité. » La priorité ? Faire baisser le coût de production du photovoltaïque. Pour cela, deux solutions : accélérer son développement, ce qui induira des réductions de coût par effet d'échelle, et diminuer la quantité de silicium des cellules photovoltaïques dont la transformation est onéreuse. Grâce à ce type de leviers, avance Daniel Lincot, « le photovoltaïque a déjà vu son coût divisé par 20 en dix ans, et l'électricité photovoltaïque devrait devenir compétitive d'ici une dizaine d'années en Europe ». D'autres sources d'énergies figureront sans aucun doute en bonne place dans le paysage énergétique de demain. Et notamment la chaleur du sous-sol. En plein essor et objet de nombreuses recherches, la géothermie présente l'avantage de jouer sur deux tableaux : elle permet la production d'électricité, mais aussi le chauffage direct de bâtiments. Autre source d'énergie qui se « renouvelle » sans cesse, et pour cause : les déchets. Récupération de la chaleur produite par leur incinération, production d'électricité, fabrication de biogaz exploitables pour l'industrie notamment… La valorisation des déchets a aussi une belle carte à jouer.

L'énergie des plantes

Passons à une catégorie issue de la biomasse : les biocarburants. Ceux-ci comportent deux familles : le biodiesel (huile extraite du colza, du tournesol…) et le bioéthanol (tiré de la fermentation des sucres contenus dans les betteraves, le blé, le maïs…).Leur mission est de taille : il s'agit de se substituer au pétrole dans la fabrication des carburants. D'autant plus difficile que leur rôle dans la réduction des émissions de CO₂ semble marginal. « Avec le biodiesel, indique Didier Hauglustaine, du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE) (Laboratoire CNRS / CEA), cette réduction est d'environ deux tiers, mais avec le bioéthanol de maïs, elle est d'un quart seulement. Par ailleurs, la production intensive exige le recours à des quantités importantes d'engrais azotés, qui polluent les ressources en eau. » Dans le cas de la canne à sucre, 70 % de cet azote se retrouve dans les eaux et dans l'atmosphère où il se dégrade notamment en protoxyde d'azote (N₂O), un très puissant gaz à effet de serre. Les estimations de l'Allemand Paul Crutzen, Prix Nobel de chimie en 1995, montrent que « la production d'un litre d'agrocarburant pourrait contribuer jusqu'à deux fois plus à l'effet de serre que la combustion de la même quantité de combustible d'origine fossile, poursuit Didier Hauglustaine. Ces données ne sont pas à prendre pour argent comptant car on connaît encore mal le cycle de l'azote et l'émission de N2O qui résulte de ces pratiques agricoles ». Sans crier haro sur les biocarburants, Pierre Matarasso, directeur scientifique adjoint du département « Environnement et développement durable » du CNRS, insiste pour sa part sur la nécessité de ne pas mettre la charrue avant les bœufs. « On ne peut pas traiter la question des biocarburants sans réfléchir d'abord à notre usage de l'automobile et à la façon d'optimiser l'efficacité énergétique des transports dans leur ensemble, dit-il. Les biocarburants ne peuvent avoir un sens que lorsque nous aurons fortement accru les transports collectifs et mis en place des “micro-” ou “nanovéhicules” possédant une motorisation qui n'aura pas besoin de dépasser 10 kW ou encore des “microbus” jouant le rôle de taxis collectifs destinés aux transports individuels urbains et périurbains. » Il n'empêche que l'Europe s'est fixé une incorporation de biocarburants à sa consommation de carburants de 5,75 % en 2010 et de 8 % en 2015. L'évaluation du potentiel d'utilisation des énergies renouvelables en 2020 a été réalisée en 1992 par Benjamin Dessus, Bernard Devin et François Pharabod, membres de l'association de scientifiques Global Chance, à partir de données physiques, techniques et socio-économiques. Bien que certaines applications technologiques aient été abandonnées depuis et que d'autres soient apparues, la plupart des hypothèses émises il y a seize ans restent valables. (Source : Les cahiers de Global Chance, n° 15.)

Les économies ont la cote

Optimiser l'efficacité énergétique des appareils qui nous entourent : un point crucial de la transition énergétique. C'est ainsi que l'Europe se mobilise pour tenter de réduire sa consommation d'énergie de 20 % d'ici à 2020 et éviter l'émission de près de 800 millions de tonnes de CO₂ dans l'atmosphère. Dans ce domaine, les équipes du CNRS s'intéressent aux moteurs mais aussi à l'habitat, qui consomme 30 % de l'énergie mondiale : « Grâce au couplage du solaire photovoltaïque et thermique, à l'amélioration des isolants, à l'optimisation des chaudières, à l'élaboration de matériaux efficaces comme des vitres intelligentes… nous espérons, d'ici à dix ans, obtenir des bâtiments “zéro énergie” à des coûts raisonnables », annonce Jean-Bernard Saulnier. Mais ces économies d'énergie ne devraient-elles pas aussi venir… des usagers ? Un exemple, assez effrayant : le 17 décembre 2007, à 19 h, les Français ont atteint un pic de consommation électrique de près de 90 GW. Avec ses 58 réacteurs nucléaires, 28 centrales thermiques, 447 barrages hydroélectriques et 1 049 éoliennes… la France n'a pas réussi à satisfaire la demande et a dû importer de l'électricité des pays voisins. « La plupart des adultes renâclent à l'idée de prendre des mesures d'austérité en matière d'énergie. Ils comptent davantage sur les grandes décisions politiques pour changer le monde, dit Christine Meunier-Castelain. Les jeunes accordent beaucoup plus d'importance à leurs gestes quotidiens. Leurs pratiques, leurs aspirations, leurs recherches d'emploi… sont davantage tournées vers l'environnement. » La jeune génération annoncerait-elle le début d'une nouvelle société, moins énergivore ?

Plaidoyer pour l'énergie solaire

« Je vois depuis des années les sciences et l'industrie progresser dans le domaine du solaire photovoltaïque et, à côté de ça, beaucoup de préjugés persister sur sa rentabilité », confie Daniel Lincot, de l'Institut de recherche et de développement sur l'énergie photovoltaïque (Irdep). Lorsque la présidence de la 23^e conférence européenne de l'énergie solaire photovoltaïque (Espagne) lui est confiée, le chercheur décide donc de lancer un appel international, baptisé « l'appel de Valence », pour accélérer le développement de l'énergie solaire. « En général, les chercheurs alertent sur des risques, comme à Kyoto, mais notre rôle est aussi d'alerter quand il y a des solutions. » Lors de la conférence, qui a réuni en septembre des milliers de scientifiques et d'industriels, l'intuition du chimiste s'est trouvée confortée. L'European Photovoltaic Industry Association révèle en effet que le photovoltaïque pourrait assurer jusqu'à 12 % de la production d'électricité en Europe en 2020, soit quatre fois plus que les objectifs européens. « Maintenant, il faut y aller ! », conclut Daniel Lincot.

À quand la fin de l'or noir ?

Quatre mille millions de tonnes de pétrole consommées dans le monde en 2006. Pour certains experts, cette production a atteint son maximum et va bientôt commencer à diminuer. Pour d'autres, le pétrole a encore de belles années devant lui et ne devrait atteindre son pic de production qu'aux alentours de 2030 avant de décroître progressivement. « Les estimations sont très variables, nuance Dominique Finon, directeur du Larsen. Si l'Arabie Saoudite, l'Iran, le Mexique ou le Venezuela bloquent l'accès libre à leurs ressources, ce pic de production peut arriver beaucoup plus rapidement que prévu. À l'inverse, on peut imaginer que les progrès techniques nous permettront d'exploiter les gisements à 60 ou 70 % contre 25 % actuellement. » Une chose est sûre, la transition énergétique s'accompagnera d'une hausse des prix et sera beaucoup plus difficile à franchir pour alimenter en énergie les transports et la pétrochimie. Et pour cause, aucune matière ne peut aujourd'hui se substituer massivement au pétrole dans la fabrication des carburants, des plastiques ou encore des textiles. « Dans ces domaines, le remplacement du pétrole devra se faire avec des technologies ou des vecteurs assez proches. Pour les transports, par exemple, il faudra rester dans une trajectoire de carburant liquide : facile à transporter, qui nécessite peu de changements au niveau des moteurs et permet de faire un plein en trois minutes. C'est pour cela que les agrocarburants ont un avenir. Malgré tout, cette substitution se fera assez lentement : à la fin du XXI^e siècle, plus de la moitié des voitures consommeront vraisemblablement encore de l'essence ou du gazole », conclut le chercheur.

Laurianne Geffroy

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