Le futur des énergies

La consommation d’énergie joue un rôle essentiel dans le développement des sociétés humaines. Depuis la révolution industrielle, ce dernier s’est appuyé largement sur les combustibles fossiles dont l’utilisation est la principale cause du changement climatique. Produire de l’énergie sans contribuer au changement climatique ou à la dégradation de la planète est devenu un enjeu majeur de la transition écologique.

Il est essentiel d’identifier les effets, sur la production de gaz à effet de serre, de la fabrication puis de l’usage de tout produit de consommation. L’identification d’autres effets collatéraux, notamment sur l’environnement et la santé, est importante.

Dans le secteur de l’énergie, l’électricité joue depuis deux siècles un rôle particulier. Produire de l’électricité sans contribuer au réchauffement climatique, en concevoir le stockage sous d’autres formes, assurer son transport, sont des enjeux fondamentaux à prendre en compte dans un contexte de transition écologique.

Deux siècles d’énergie électrique

Depuis le XIXe siècle, les progrès de la recherche scientifique fondamentale et de l’invention technique ont conduit à développer des générateurs électriques performants.

Historiquement, le développement des techniques d’obtention d’énergie électrique s’est appuyé sur des découvertes expérimentales et des avancées théoriques qui furent souvent le résultat de recherches dont ce développement n’était pas le but premier. Il est ainsi fréquent que les résultats de la recherche fondamentale aboutissent à des innovations technologiques non anticipées.

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle.

Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement proche de 1.

Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle avec la mécanique quantique, qui traite du comportement fondamentalement probabiliste de la nature à l’échelle microscopique.

L’exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est une conséquence.

Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l’énergie radiative et la convertissent partiellement en énergie électrique.

Conversion et transport de l’énergie électrique

L’énergie électrique joue un rôle central aujourd’hui et présente plusieurs avantages : une distribution sûre, des réseaux de distribution étendus, des convertisseurs de bon rendement permettant d’obtenir l’énergie électrique ou de la transformer en d’autres formes d’énergie.

L’existence de procédés d’obtention d’énergie électrique sans combustion justifie son importance actuelle et future.

Trois méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter de combustion :

- la conversion d’énergie mécanique, soit directe (dynamos, éoliennes, hydroliennes, barrages hydroélectriques), soit indirecte à partir d’énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires thermiques, géothermie) ;

- la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques) ;

- la conversion électrochimique (piles ou accumulateurs conventionnels, piles à hydrogène).

Ces méthodes sans combustion ont néanmoins un effet sur l’environnement et la biodiversité ou présentent des risques spécifiques (pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, etc.).

Au cours du transport, une partie de l’énergie électrique, dissipée dans l’environnement par effet Joule, ne parvient pas à l’utilisateur.

L’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée.

Le réseau de transport de l’électricité est maillé au niveau européen. En cas de déséquilibre entre l’offre et la demande, il est nécessaire de mobiliser des réserves d’énergie, de diminuer la consommation ou la production ou de stocker de l’énergie.

Pour faire face à l’intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, une possibilité est de convertir l’énergie électrique sous une forme stockable :

- énergie chimique ;

- énergie mécanique ;

- énergie électromagnétique.

Énergie, choix de développement et futur climatique

La consommation mondiale d’énergie, en forte augmentation, fait majoritairement appel aux combustibles fossiles dont l’utilisation est la principale cause du changement climatique.

Les activités humaines modifient de manière rapide certains flux associés au cycle du carbone. Dans ce contexte, l’estimation d’une empreinte carbone est essentielle pour élaborer des scénarios et fixer des objectifs de réduction.

Les différents scénarios de l’évolution globale du climat dépendent des stratégies que l’humanité mettra en œuvre.

La notion de risques étudiée au collège et en classe de seconde est convoquée.

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 40 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.

Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (radiatif solaire, géothermique et des marées).

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 CO2 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.

La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone, également des aérosols et d’autres substances (N2O, O3, suies, produits soufrés) qui affectent la qualité de l’air inhalé et la santé.

L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.

Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus vulnérables. Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision.

Dans le domaine énergétique, le choix des mesures d’adaptation et d’atténuation doit tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, effets (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales.

Les durées longues, liées à l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l’urgence de l’action.

La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique (recherche de diversification ou d’évolution des ressources, mix énergétique, etc.) et sur l’évolution des comportements individuels et collectifs (consommation, déplacements, etc.).

Activité : le lien entre l’économie et le changement climatique

Activité : le cycle du carbone

Activité : les polluants atmosphériques et la santé humaine

Activité : choix du mix énergétique : une prise de décision complexe

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Sondage : quel mix énergétique pour la France ?

Activité : empreinte carbone

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I - L’augmentation des gaz à effet de serre et ses causes

Depuis deux siècles, les activités humaines ont profondément modifié la composition de l’atmosphère, entraînant une augmentation rapide des gaz à effet de serre, en particulier du CO₂. Cette hausse est directement liée à l'’industrialisation et à la croissance économique, avec une forte disparité entre les pays en fonction de leur niveau de développement.

Cette augmentation du CO₂ dans l’atmosphère perturbe l’équilibre naturel du carbone sur Terre. Pour comprendre les conséquences de ces émissions et leur impact sur le climat, il est essentiel d’analyser le cycle du carbone et les échanges entre ses différents réservoirs.

II - Le cycle du carbone : comprendre l’accumulation du CO₂ atmosphérique

Le carbone circule entre différents réservoirs terrestres (atmosphère, sols, océans, biosphère, roches) à travers divers processus naturels tels que la photosynthèse, la respiration et la fossilisation.

Toutefois, l’activité humaine, par la combustion des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), perturbe le cycle du carbone en libérant dans le réservoir atmosphère du carbone (sous forme de gaz à effet de serre) qui était stocké depuis des millions d’années.

Les combustibles fossiles ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont dites non renouvelables.

Ainsi, la combustion des énergies fossiles, contribue au réchauffement climatique, mais elle engendre également des pollutions de l'air qui affectent la santé publique.

III - Pollution de l’air et impacts sanitaires des énergies fossiles

La combustion des énergies fossiles ne libère pas seulement du CO₂, mais aussi d’autres polluants tels que les oxydes d'azote (NOx), l’ozone (O₃) et des particules fines.

Ces polluants proviennent principalement des centrales thermiques (produisant de l’électricité par la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz) et des moteurs de véhicules.

Ces émissions ont un impact direct sur la qualité de l’air et représentent un risque pour la santé humaine, pouvant provoquer des problèmes respiratoires, cardiovasculaires, des cancers pulmonaires et des maladies chroniques.

Si certains polluants diminuent depuis 2000, d’autres continuent d’augmenter, soulignant la nécessité de réduire les émissions liées aux énergies fossiles pour protéger la santé publique.

L'utilisation des combustibles fossiles comme source d'énergie a des impacts importants sur le climat et la santé publique. Afin de limiter ces effets, une transition vers des sources d’énergie est envisagée.

IV - Comment remplacer les énergies fossiles ?

Le remplacement des énergies fossiles passe par l’électrification de la production d’énergie.

A - Le fonctionnement des centrales électriques

Le point commun des centrales thermiques (charbon, gaz, pétrole, biomasse), nucléaires, hydroélectriques et éoliennes est qu’elles produisent de l’électricité grâce à la mise en rotation d’une turbine qui entraîne un alternateur, permettant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique.

Selon le type de centrale, la turbine peut être mise en rotation :

• par une chute d’eau (cas des barrages hydroélectriques) ;

• par le vent (cas des éoliennes) ;

• par de la vapeur d’eau obtenue en faisant chauffer de l’eau (cas des centrales thermiques et nucléaires).

En revanche, dans le cas de l’énergie solaire, le principe est différent. Le panneau solaire permet la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique.

B - Les critères de choix des modes de production d’énergie

1 - Les émissions de GES

La combustion des ressources fossiles (charbon, gaz, pétrole) pour produire de l’électricité est responsable d’émissions de CO₂ dans l’atmosphère. En revanche, l’hydroélectricité, l’éolien, le solaire, la biomasse et le nucléaire sont des énergies décarbonées.

Toutefois, aucune source d’énergie n’est totalement neutre en carbone lorsqu’on prend en compte l’ensemble de son cycle de vie.

Le cycle de vie complet d’un moyen de production d’électricité comprend :

• l’extraction des matériaux nécessaires à construire la centrale ;

• le transport des matériaux vers le lieu de construction ;

• la construction de la centrale ;

• l’approvisionnement en combustible (pour le charbon, le gaz, le pétrole, la biomasse, le nucléaire) ;

• le fonctionnement de la centrale ;

• l’entretien de la centrale ;

• le traitement des déchets ;

• le recyclage de la centrale en fin de vie…

2 - Le coût des différentes énergies

Le coût d’une énergie s’évalue en analysant l’ensemble de son cycle de vie et en estimant son prix par kilowattheure produit. 

3 - Le caractère pilotable ou intermittent des différentes énergies

Certaines centrales sont pilotables, c'est-à-dire qu’elles peuvent ajuster leur production en fonction de la demande (énergies fossiles, nucléaire, hydroélectricité).

D’autres, comme l’éolien et le solaire, dépendent des conditions climatiques (vent, ensoleillement), elles sont sont intermittentes et nécessitent des solutions de stockage ou de complémentarité pour assurer une fourniture continue.

4 - Les avantages et inconvénients de chaque moyen de production d’électricité

Chaque source d’énergie présente des avantages et des inconvénients en matière d’émissions, de coûts, de pilotabilité et d’impact environnemental.

Ainsi, bien des alternatives aux énergies fossiles offrent des solutions pour réduire les impacts sur le climat, l'environnement et la santé humaine, elles apportent leurs propres défis qu'il est crucial de prendre en compte dans la construction d'un futur énergétique durable.

Le choix d’un mix énergétique adapté, tenant compte de ces contraintes, est un défi majeur pour les sociétés impliquant des prises de décisions complexes pour répondre aux besoins tout en minimisant les impacts environnementaux.