L’usage de l’Energie

Thème essentiel lorsque l’on parle des questions environnementales, l’énergie. Son utilisation au fil du temps par les civilisations humaines a grandement amplifié leur niveau de vie. En contrepartie, l’usage des énergies fossiles a contribué à accentuer l’effet de serre.  

Pour pouvoir comprendre l’influence de nos modes de vie et envisager des pistes d’amélioration, penchons-nous sur notre usage de l’énergie.     

Qu’est-ce que l’énergie ?

Au sens scientifique du terme, l’énergie est une grandeur qui caractérise le changement d’état d’un système. Plus concrètement, j’ai besoin de faire bouger un objet, de lui faire changer de température ou encore de pression, je souhaite me déplacer, j’utilise de l’énergie.

L’unité de base de l’énergie est le Joule (J), mais on retrouve dans la vie courante plus régulièrement le kilowattheure (kWh), c’est par exemple l’unité qui figure sur votre facture d’électricité.

On retrouve également la calorie (c), plutôt dans le domaine de l’alimentation, ou encore le cheval-vapeur (cv) pour les moteurs.

Energie primaire, finale et utile

Parmi les sources d’énergie disponibles sur Terre il y a celles dites ‘primaires’, qui se trouvent à l’état naturel. C’est le cas du charbon, du pétrole, mais également du soleil ou du vent. Les Humains peuvent utiliser ces énergies en l’état, comme le vent par exemple, ou avoir besoin de les transformer pour créer une énergie dite ‘finale’.

Le schéma ci-dessous reprend les énergies primaires et finales

On parle d’énergie ‘utile’ pour caractériser l’énergie qui rend réellement un service comme déplacer un objet ou produire du chauffage. Cette énergie utile s’obtient après avoir retiré toutes les pertes en énergie lors des étapes d’extraction, de transport, de transformation, etc.

A titre d’exemple pour l’électricité produite dans une centrale nucléaire, sur le potentiel énergétique de l’Uranium au départ seuls 24% de l’énergie sont utilisés par les consommateurs. Le reste est perdu lors de la production (66%), ou de la distribution électrique notamment (8%).

Sur le schéma vous voyez apparaitre les termes ‘énergies renouvelables’ opposées aux ‘énergies non renouvelables’. Vous avez certainement entendu parler de ce distinguo et des énergies ‘vertes’, qui nous permettraient de supprimer les énergies fossiles productrices de gaz à effet de serre (GES).

Les énergies renouvelables

Parmi les sources d’énergies dont les humains peuvent disposer, il y a les énergies renouvelables. On y retrouve l’énergie solaire, le vent, la biomasse, l’eau, et la géothermie.

En premier lieu l’Homme absorbe de l’énergie provenant de la biomasse (les aliments), pour restituer une énergie mécanique en marchant ou en soulevant un objet par exemple. Cette biomasse peut également être utilisée pour produire de l’énergie à travers de la combustion (bois), ou de la transformation comme la méthanisation de déchets organiques.

L’eau est utilisée depuis des siècles pour produire une énergie mécanique via les moulins à eau, plus récemment pour produire de l’électricité via des systèmes de barrages. Les marées et les courants marins sont également une source intéressante d’énergie.

Le vent est lui aussi utilisé via les moulins depuis un certain temps, et nous voyons apparaitre sur le même principe de plus en plus de champs éoliens sur notre territoire.

Le solaire est utilisé principalement pour la production électrique au moyen de panneaux photovoltaïques. On peut également obtenir directement de la chaleur par le rayonnement solaire.

Enfin la plus récemment exploitée est la géothermie, le principe étant de capter la chaleur présente dans le sol de notre planète pour restituer une énergie thermique ou électrique.

Ces différentes énergies sont obtenues soit sans aucune consommation de ressource (eau, vent, soleil, géothermie), soit en utilisant des ressources au renouvellement ‘rapide’ (biomasse).

Les énergies non renouvelables

On les appelle également énergies fossiles, et elles doivent leur terme ‘non renouvelables’ au fait que leur renouvellement est très lent. A titre d’exemple la création du pétrole, suivant les conditions du sol, est de l’ordre de 30 millions d’années.

On comprend donc que le renouvellement de ces énergies n’est pas à une échelle de temps humaine et que le stock dont l’humanité pourra disposer est figé au moment où nous commençons à en consommer.

Quatre types d’énergies non renouvelables sont aujourd’hui majoritairement utilisées, le pétrole, le charbon, le gaz et l’uranium. On les utilise pour produire de l’électricité, de la chaleur, transporter des objets (carburant), faire fonctionner nos machines, etc.

Une des raisons qui nous poussent à remettre en question notre usage de ces énergies est bien entendu leur capacité à produire des GES. A l’exception de l’uranium qui possède un bilan carbone faible, les trois autres sources d’énergie sont très émettrices de GES lors de leur combustion.

Bien entendu leur disponibilité décroissante et la hausse de leur coût sont également des facteurs essentiels à prendre en compte. Réduire sa dépendance aux énergies fossiles c’est réaliser un gain économique et également assurer la pérennité de son activité.

Les humains et l’Energie

Comme évoqué ci-dessus, les humains utilisent de l’énergie depuis leur apparition il y a environ 7 millions d’années. Le plus basique de ses déplacements comme se lever ou marcher nécessite une énergie qu’il puise dans son alimentation.

Combien d’énergie produit un humain ?

Puisque nous sommes en capacité de produire un travail mécanique, regardons ce que cela représente en termes d’énergie.

Tout d’abord l’être humain a besoin de se nourrir et d’absorber une énergie provenant de la biomasse. Cette quantité d’énergie varie entre 2,5 et 6,5 kWh par jour, suivant que vous allez avoir une activité physique ou non.

Prenons le cas où vous allez devoir travailler manuellement pendant la journée, vous absorbez donc 6,5 kWh d’énergie. Vous restituez, lors de votre journée de travail manuel avec vos bras, environ 0,05 kWh. Votre rendement est alors de 1%, c’est-à-dire que vous n’avez restitué que 1% de l’énergie absorbée, la majorité du reste étant dégagée sous forme de chaleur.

Si on se place dans le cas de l’utilisation des jambes, une journée d’un cycliste par exemple, la production est plus élevée avec 0,5 kWh par jour (dix fois plus tout de même). Votre rendement reste néanmoins de 10% par rapport à ce que vous avez absorbé.

A titre de comparaison, votre plaque électrique fait bouillir 8L d’eau en quelques minutes en produisant 1kWh. Soit énergétiquement ce que 2 cyclistes ont produit dans la journée.

Combien consomme-t-il d’énergie ?

Nous avons vu combien nous étions capables de produire d’énergie avec nos bras et nos jambes, voyons combien nous en consommons.

En moyenne sur Terre, un humain consomme plus de 20.000 kWh d’énergie par an. Si on cible l’Union Européenne, pour avoir une vue plus proche du niveau de vie des Français, c’est environ 36.000 kWh par an et par Européen.

Si on ramène cette donnée à une année en divisant par 365 jours, cela revient à environ 100 kWh par jour.  Sachant que nous sommes capables avec nos bras d’en produire 0,05 kWh, il faudrait le travail manuel de 2.000 humains pour atteindre les besoins énergétiques d’un seul.

Puisque notre efficacité est 10 fois supérieure avec l’usage de nos jambes, si l’énergie était produite par ce biais il faudrait 200 humains qui pédalent tous les jours, pour produire les besoins énergétiques d’un autre.

On comprend aisément que la consommation énergétique des humains n’est pas compatible avec ce qu’ils sont capables de produire seuls.

Les machines comme solution

Ce qui permet actuellement aux humains, notamment ceux vivant dans des pays les plus riches, de pouvoir consommer autant d’énergie, ce sont les machines. On les retrouve dans tout ce que nous faisons, de la voiture au fer à repasser en passant par les machines de production ou l‘ordinateur qui me permet de rédiger cet article.

Les machines ont envahi notre quotidien et c’est bien elles qui nous permettent de décupler l’énergie dont nous disposons. Grâce à leur usage, chaque Français dispose de l’équivalent de plusieurs centaines de bras humains à son service.

Or une machine c’est quoi ? Des matériaux principalement métalliques ou plastiques. On y intègre des moteurs, des batteries, des lumières ou encore des cartes électroniques. Concrètement une machine c’est un concentré d’énergie fossile.

Si nous devions extraire manuellement les matériaux nécessaires, les transporter sans usage d’énergie fossile ou même les faire fonctionner sans pétrole, sans charbon et sans gaz, cela nécessiterait une ressource humaine considérable.

Ce qui a permis aux humains de se doter d’un gigantesque parc de machines, et ainsi d’accroitre considérablement son niveau de vie, ce sont les énergies fossiles. Ce qui implique une dépendance au pétrole, au charbon et au gaz.

Cette dépendance est un risque pour votre activité car la disponibilité des énergies fossiles n’est pas garantie. De même leurs coûts sont fluctuants et se reposer sur leur usage est risqué. La réalisation d’un Bilan Carbone vous permettra d’évaluer les enjeux économiques et stratégiques associés à votre usage de l’énergie.

La transition énergétique

C’est un terme que vous avez certainement déjà entendu, l’humanité doit opérer une transition énergétique. Le principe étant de pouvoir conserver son niveau de vie actuel, voire de continuer à croitre, en substituant les énergies fossiles par du renouvelable. On parle également de ‘croissance verte’.

Un coup d’œil dans le rétroviseur

Avant d’évoquer les possibilités de transition énergétique, regardons par le passé notre usage de l’énergie. Le début de l’exploitation des énergies fossiles peut être placé dans la seconde moitié du 19^ème siècle : la révolution industrielle.

C’est la ‘découverte’ de ces énergies, leur exploitation et la prise de conscience de leur potentiel, qui lance la révolution industrielle. Car bien entendu, les Hommes avant cette période auraient également entamé une révolution industrielle et augmenté leur niveau de vie, s’ils avaient eu l’énergie nécessaire.

Les humains utilisent donc les énergies fossiles depuis 150 ans. J’ai évoqué précédemment l’âge de l’espèce humaine (environ 7 Millions d’années) pendant lesquelles les humains, à l’exception des 150 dernières années, vivent à 100% aux énergies renouvelables.

Si la question subsistait de savoir si nous pouvions vivre dans un monde totalement alimenté aux énergies renouvelables, la réponse est oui car c’est le monde d’où l’on vient.

On pourrait penser que c’est à partir du 19^ème siècle que les inventeurs, de par le monde, ont conçu le moteur à explosion, les automobiles, les avions, etc. En réalité les principes physiques pouvant permettre l’usage de ces techniques étaient connus depuis des siècles.

A la fin du 15^ème siècle Léonard de Vinci, célèbre peintre et inventeur Florentin, concevait le premier aéronef à hélice. Il s’agissait d’un plateau tracté par une hélice dont la rotation devait lui permettre de décoller.

La seule contrainte qu’il n’avait pas pu vaincre à l’époque, c’est comment donner une vitesse de rotation suffisante à son hélice, autrement dit il manquait d’une énergie suffisante. Il faudra attendre la fin du 19^ème siècle pour que deux inventeurs Français produisent le premier prototype volant d’hélicoptère à vapeur.

Ce même Léonard de Vinci a produit dès le 15^ème siècle des études sur une voiture sans chevaux. Plusieurs prototypes verront le jour les siècles suivants, d’avantage considérés comme des jouets que des moyens de locomotion. La première véritable automobile à vapeur ne sera commercialisée qu’en 1863.

Ces deux exemples illustrent que le niveau des connaissances et des techniques n’était en aucun cas un frein pour lancer la révolution industrielle plus tôt, ce qui déclenche ce changement c’est l’usage des énergies fossiles.

Il est difficile de se représenter cela car l’humain a une vision à son échelle de temps (une centaine d’années maximum) et vous comme moi sommes nés dans un monde disposant déjà d’une grande capacité en énergie fossile. Nous prenons donc pour acquis cette abondance énergétique mais c’est en réalité un épisode très récent, et également amené à être très bref, dans l’Histoire des Hommes.

Il est donc raisonnable d’anticiper un retour de nos civilisations vers une disponibilité énergétique plus faible. Une adaptation de nos activités à cette nouvelle donne est de fait indispensable, c’est l’une des raisons d’être de la méthode Bilan Carbone.

L’avènement des énergies fossiles

Le graphique ci-dessous reprend les usages énergétiques dans le temps depuis les prémices de la révolution industrielle jusqu’à notre époque :

En abscisse on retrouve l’échelle de temps allant jusqu’à 2019, en ordonnée la consommation énergétique mondiale en EJ/an soit en Exajoules par an (10 puissances 18 joules).

Avant le démarrage de la révolution industrielle, à la moitié du 19^ème siècle, l’humanité utilise 100% de son énergie via la biomasse (bois notamment). Puis apparait tout d’abord le charbon, le pétrole, le gaz, le nucléaire, les énergies hydrauliques et les énergies renouvelables les plus récentes.

L’usage de moulins à eau à cette période est bien une énergie renouvelable mais était tout à fait anecdotique, raison pour laquelle cela ne figure pas sur le schéma.

L’usage de ces énergies fossiles change radicalement les possibilités des humains en l’espace d’à peine 150 ans. Car si on ne considère pas les deux derniers ajouts en bleu qui sont des énergies renouvelables, les humains passent d’une consommation annuelle d’environ 25 EJ/an à 550 EJ/an. Soit une multiplication par 22 de la consommation énergétique.

De cette abondance nait le monde dans lequel nous vivons. Des déplacements fréquents, sur de longues distances, des vêtements produits en large quantité, parfois à l’autre bout de la Terre, des bâtiments sur plusieurs étages ou des villes très grandes sans aucune terre agricole. Tout cela n’est possible que grâce aux énergies fossiles.

Autre constat qui met à mal la notion de transition énergétique, à la lecture du schéma il est clair que les énergies se superposent et ne se substituent pas les unes aux autres. La production énergétique via la biomasse (courbe verte) est quasiment stable depuis 150 ans.

De même l’apparition des dernières techniques de production d’énergie renouvelable (panneaux solaires, éoliennes, etc.), n’a pas fait diminuer l’exploitation du pétrole ou du charbon. Au contraire leur usage a largement augmenté ces dernières dizaines d’années.

Moins d’énergie fossile et plus de renouvelable

Puisque le problème vient des énergies fossiles et que nous disposons d’énergies renouvelables, pauvres en émissions de GES, il nous suffit de remplacer les unes par les autres ? La solution parait simple, sa mise en application beaucoup moins.

D’un point de vue quantitatif, il s’agirait de remplacer les courbes noire, rouge et jaune sur le schéma précédent soit environ 550 EJ sur les 650 EJ totales. Il faudrait alors être capable de passer de la centaine de EJ produits par an au renouvelable et au nucléaire, à 650 EJ pour compenser le non usage des énergies fossiles. Soit une multiplication par 6,5 de la production actuelle en énergie renouvelable.

Dans le cas de la France par exemple, voici la consommation énergétique annuelle (énergie primaire) :

En 2020 la consommation totale des Français est de 2.650 TWh (2650 milliards de kWh). Pour limiter le réchauffement climatique, il nous faut remplacer les 419 TWh produits au gaz naturel, les 745 TWh produits au pétrole et les 66 TWh produits au charbon, par du renouvelable.

Soit au total 1.230 TWh qu’il faudrait produire avec de l’éolien, du solaire, de la biomasse ou de la géothermie. Je laisse de côté l’hydraulique car c’est une filière déjà très développée en France et qui n’offre pas un potentiel très supérieur à ce que nous avons.  

Le nucléaire est un cas à part, il ne peut pas être considéré comme une énergie renouvelable même si ses émissions de GES sont faibles. La filière se heurte à d’autres réserves notamment en termes de sécurité, justifiées ou non, qui ont poussées nos décideurs à ne plus envisager la croissance de sa production.

Admettons que ces 1.230 TWh je veuille les produire avec de l’éolien terrestre (par opposition à l’éolien offshore).

La production d’une éolienne dépend de sa taille, de sa puissance, de la force du vent, etc. Pour avoir une production régulière elles sont implantées par groupes, avec des orientations différentes, et produisent en moyenne 20 GWh par km² d’implantation.

Si je divise mes 1.230 TWh, donc 1.230.000 GWh par 20 GWh au km², j’obtiens 61.500 km². La France métropolitaine fait 543.940 km², on parle donc d’une implantation d’éoliennes sur environ 9% du territoire.

Pour donner une image, cela revient à recouvrir entièrement toute la surface de la région Pays de Loire et de la région Bretagne avec des éoliennes.

Bien entendu cela reste un exemple fictif car l’énergie serait produite par diverses sources et pas uniquement par de l’éolien. Mais cela donne un ordre de grandeur de la quantité d’énergie produite actuellement aux énergies fossiles, et de ce que cela représente avec une alternative renouvelable.

On se rend facilement compte que même en ayant une couverture très forte du territoire avec des éoliennes, la quantité d’énergie produite ne sera pas comparable à celle produite au pétrole ou au gaz.

Il faut, en plus de cela, déduire l’énergie nécessaire pour produire ces éoliennes. Il faut extraire des métaux (non disponibles en France), les transporter, les transformer, les assembler, pour obtenir l’équipement final. Ensuite il faut réaliser un socle en béton, et monter l’éolienne dessus. Actuellement ces étapes se font au moyen d’énergies fossiles.

Le but de mon propos n’est pas de dénigrer la filière éolienne, ou tout autre filière d’énergie renouvelable, c’est simplement de mettre en perspective ce qu’elle est capable de rendre comme service par rapport aux énergies fossiles.

Le même constat peut être réalisé en prenant comme exemple la filière solaire, la biomasse (limitée en ressource) ou la géothermie.

De fait si une société veut réellement s’adapter au manque à venir en énergies fossiles, elle doit tout simplement revoir son usage de l’énergie. Cela lui permettra à la fois de réduire le coût associé mais également d’être préparée aux changements en cours.

Les perspectives

Le niveau de vie des humains a drastiquement augmenté depuis 150 ans et ce grâce aux énergies fossiles. Dans le même temps les autres types d’énergie n’ont pas disparu et il n’y a eu qu’une superposition des énergies les unes avec les autres, augmentant nettement le total consommé.

Il faudrait donc, pour conserver notre niveau de vie actuel tout en limitant l’effet de serre, disposer de la même ressource énergétique en limitant fortement l’usage du gaz, du charbon et du pétrole.

Nous avons vu au chapitre précédent que substituer les énergise fossiles par des énergies renouvelables pose en premier lieu un problème de quantité produite. D’autres aspects qui n’ont pas été développés dans cet article viennent s’ajouter à la problématique, comme la flexibilité de la production, le transport, la disponibilité, etc.

Si un monde tel que nous avons aujourd’hui était possible aux énergies 100% renouvelable, nos ancêtres ne s’en seraient pas privé. Ce qui a permis de le rendre possible c’est encore une fois l’usage des énergies fossiles.

Elles ont permis à nos sociétés de croître, d’avoir de plus en plus de biens à disposition, rapidement, à un coût faible, de pouvoir se déplacer, partir en vacances, avoir un téléphone, un logement, etc. Cette croissance n’aurait pas eu lieu sans cette manne énergétique, et ne pourra pas continuer sans elle.

Si les humains veulent décarboner leurs activités et limiter l’effet de serre et ses conséquences, ils doivent réduire leur consommation d’énergie. Le type d’énergie utilisée pour la partie non évitable sera ensuite déterminant.

Afin d’adapter son entreprise à ce changement d’usage de l’énergie et rendre sa structure plus résiliente, le premier pas est d’engager une démarche Bilan Carbone.