Consommation et transformation d'énergie

Index
1 – Introduction
2 – Énergie primaire – Énergie secondaire – Transformation d’énergie
2.1 – Consommation d’énergie primaire
2.2 – Énergie secondaire – Cas de l’électricité
3 – Évolution et prévision de la consommation d’énergie
3.1 – L’énergie primaire
3.2 – L’électricité
4 – Conclusion

1 – Introduction

 Pendant des millénaires, fruits, gibier, puis céréales et plus généralement l’agriculture, ont été les sources d’énergie que l’homme a utilisées pour les transformer en force musculaire….et un peu en énergie cérébrale! Ce n’est qu’à une époque relativement récente qu’il a utilisé la force des animaux domestiques …ainsi que celles des esclaves lorsque des structures sociales plus élaborées le lui ont permis. Plus tardivement encore, l’usage des moulins d’abord, puis de la vapeur ont apporté à l’homme une capacité supérieure à sa seule force musculaire. Puis ce fut l’ère des combustibles fossiles, charbon d’abord puis pétrole et plus récemment gaz naturel. Ensuite, très récemment à l’échelle de l’évolution humaine, l’usage de l’énergie électrique a facilité le transport de l’énergie et son arrivée au point d’utilisation. Enfin, depuis à peine 50 ans, on a réussi à se dispenser des énergies fossiles pour produire de l’électricité[1], grâce à l’énergie nucléaire.

Une source d’énergie abondante et bon marché est, certes, la condition nécessaire du progrès et d’une certaine libération de l’homme, par la réduction de la pénibilité des tâches, la réduction de la durée et des risques du travail, ainsi que celles des risques sanitaires, mais jusqu’où peut-on aller? Les statistiques de durée moyenne de vie dans les différents pays du globe ont montré qu’il y a corrélation entre la durée moyenne de vie et la consommation d’énergie, au moins jusqu’à l’atteinte d’un minimum qui semble être aux alentours de 1,5 à 2 tep (tonnes équivalent pétrole) par habitant et par an (France 4,2 tep, Afrique 0,7 tep, États Unis 7,9).

 

2 – Énergie primaire - Énergie secondaire – Transformation d’énergie

 Les spécialistes distinguent généralement les sources ou formes d’énergies primaires et les énergies secondaires. Les énergies dites primaires sont celles qu’offre la Nature sans intervention humaine pour les créer. Ce sont donc le bois, les combustibles fossiles, l’énergie hydraulique, l’énergie géothermique, solaire ou éolienne, l’énergie de fission (et peut-être, un jour, de fusion) contenue dans le combustible nucléaire, etc. Les énergies secondaires sont le résultat d’une transformation apportée par l’homme à une énergie primairepour faciliter son utilisation; c’est le cas par exemple de l’électricité, de l’essence ou l’énergie thermique de la vapeur obtenue après combustion d’un combustible fossile, ou encore de l’hydrogène obtenu après craquage de l’eau (pour ce dernier, on dit souvent que c’est un vecteur d’énergie). Cette transformation s’effectue, dans tous les cas, avec un certain rendement, donc avec une certaine perte d’énergie. Pour un pays ou un groupe de pays donné, les consommations d’énergie primaire seront donc toujours supérieures à celles d’énergie secondaire, ces dernières reflétant mieux les besoins réels des populations, tandis que la connaissance des premières sera nécessaire pour la gestion des ressources à l’échelle du pays ou du globe.

On utilise quelquefois le terme «vecteur d’énergie» au lieu d’énergie secondaire; on trouve encore le terme «énergie finale» pour indiquer que c’est celle qui est finalement utilisée (pensez à l’essence ou tout autre fuel utilisé dans les transports, pensez à l’électricité, etc.)

Regardons d’abord comment ces énergies sont consommées:

• suivant leur source,
• d’un point de vue géographique, dans le monde, en Europe, en France, etc.
• quels secteurs de l’économie consomment cette énergie.

La question des réserves, à l’échelle du globe ou d’un pays, est abordée dans la rubrique Ressources

On examinera particulièrement les tableaux qui suivent en essayant d’en tirer quelques enseignements.

2.1 La consommation d’énergie primaire

2.1.1 Répartition selon les sources d’énergie primaire:

TABLEAU 1
CONSOMMATION D’ÉNERGIE PRIMAIRE DANS LE MONDE SELON LES SOURCES
(année 2004,source AIE, Agence Internationale de l’Énergie)

	Pétrole	Charbon	Gaz	Nucléaire	Hydraulique	Biomasse -essentiel bois-	Autres Renouvelables
Mtep ou équivalent	3793	2775	2311	719	243	1172	44
Mt (millions de tonnes)	3300[2]	4162	1964	0,06 MtU	n.a.	2930	n.a.
TWh Térawatts.heure(soit 109 kWh)	1169	6945	3420	2738	2809	ε	366

N.B. On rappelle que Mtep signifie millions de tonnes équivalent pétrole (Mtoe en anglais); approximativement 1Mtep = 1,5 Mtec (charbon) = 0,85 Mt de gaz naturel = 11,63 TWh d’électricité; ces valeurs d’équivalence sont celles recommandées par l’ONU pour effectuer des comparaisons.
MtU; millions de tonnes d’uranium. n.a.: non applicable

On notera:

• la proportion importante des énergies des combustibles fossiles (plus de 80%)
• le rôle plus que modeste des énergies renouvelables autres que l’hydraulique et la biomasse (dont plus de 95% est du bois de chauffage)

Quelques remarques sur l’évolution possible des tendances:

• la part du pétrole plafonnera à plus ou moins court terme, quel que soit le désir de son utilisation, en raison de la limitation des capacités et la tendance à l’épuisement,
• l’emploi du gaz devrait augmenter pendant encore quelque temps mais se trouver lui aussi borné quelques années après le pétrole,
• le charbon peut voir sa part accrue surtout si des pays en plein développement (Chine, Inde) continuent d’y faire appel de manière massive. Cela risque de poser un problème environnemental sérieux tant que l’on n’aura pas trouvé de solution industrielle au devenir du CO₂ émis.

Il est par ailleurs difficile d’imaginer, à court et même moyen terme, une croissance importante des énergies renouvelables (solaire, éolien, géothermie) sauf peut-être en ce qui concerne le solaire thermiquepour le chauffage des habitations; et l’hydraulique est proche de son plafond! Quant au nucléaire, la taille des investissements et les délais de réalisation font que la croissance (souhaitable) de ce mode de production d’énergie ne peut être que progressive, même si les résistances sociétales s‘atténuent ou disparaissent.

Voilà, en termes simples, le problème posé au monde d’aujourd’hui. Tous ceux qui refusent de voir la réalité et se réfugient derrière des arguments fallacieux sur les potentialités des énergies renouvelables, celles des économies d’énergie, ou qui minimisent l’effet du CO₂ sur le réchauffement de la planète, ne font que tromper l’opinion publique. Non seulement on aura besoin de toutes les énergies (y compris un développement important du nucléaire et les économies d’énergie), mais en plus il faudra apprendre à séquestrer le CO₂ si on veut continuer à utiliser massivement le charbon

Voyons maintenant qui consomme cette énergie

2.1.2. Répartition géographique de la consommation:

TABLEAU 2
CONSOMMATION D’ÉNERGIE PRIMAIRE DANS QUELQUES PAYS OU GROUPES DE PAYS
(année 2004, source agence internationale de l’énergie)

ZONE	MONDE	OCDE	USA	EUROPE des 27	CHINE	AFRIQUE	FRANCE
Mtep	11059	5520	2460	2669	1625	586	260

TABLEAU 3
CONSOMMATION D’ÉNERGIE PRIMAIRE PAR HABITANT ET RAPPORTÉE AU PNB
(source ONU, key world energy statistics 2004)

Ce tableau permet de comprendre que, durant les décennies à venir, la consommation mondiale d’énergie primaire ne peut que croître de manière importante. Si l’ensemble des pays consommait en moyenne 4tep/hab. (c’est la consommation actuelle européenne), la consommation mondiale serait supérieure de 225 %à celle que nous constatons en 2004!!

On constate – ce qui ne surprendra personne - que la consommation d’énergie primaire est extrêmement disparate selon les zones examinées. Le record de consommation individuelle (pour un grand pays, car quelques pays du Golfe Persique sont encore plus gourmands en énergie) est détenu par les Etats-Unis[3], tandis que la consommation est particulièrement faible en Afrique. On trouve le même reflet si l’on rapporte cette consommation au PNB des divers pays ou zones. On remarque d’ailleurs que la consommation, dans un premier temps, croît avec la valeur du PNB/hab. mais qu’elle tend ensuite vers une asymptote[4]. De toute manière, un grand nombre de pays représentant une population importante, voire majoritaire (la Chine + l’Inde représentent à elles seules 35% de la population mondiale en 2004), sont en pleine phase de développement et entrent dans une phase de croissance forte de leur consommation d’énergie.

2.1.3. Secteurs d’utilisation:

Enfin, à quoi sert cette énergie? Elle est utilisée dans un grand nombre de secteurs de la vie courante ou industrielle, les transports, le chauffage etc. Il est intéressant d’en noter la répartition:

TABLEAU 4
SECTEURS D’UTILISATION DE L’ÉNERGIE PRIMAIRE - Exemple de la France
(source, observatoire de l’énergie 2005)

Secteur (% du total de consommation primaire)	Agriculture	Industrie	Tertiaire	Transports	Résidentiel	Alimentation
%	1,6	23,7	15	25,2	26	8,5

Notas: 1) La France consomme annuellement 260 Mtep d’énergie primaire, mais la consommation finale réelle n’est pourtant que de 170 Mtep, compte tenu des rendements pour obtenir l’énergie secondaire finalement utilisée, notamment l’électricité.

2) Les transports dépassent maintenant les besoins industriels, tandis que le résidentiel et tertiaire ont considérablement augmenté au cours des 30 dernières années. Noter la faible part de l’agriculture.

3) Dans le monde, selon l’ONU, 26,9% de la consommation en énergie primaire est utilisé par l’industrie, 25,8% par les transports, 8% pour l’agriculture, le restant (39,3%) étant pour le résidentiel et le tertiaire.

2.2. Énergie secondaire; cas de l’électricité

L’une des formes d’énergie secondaire les plus courantes parce que très simple d’utilisation, est l’énergie électrique. Elle présente des avantages indéniables de souplesse et de qualité environnementale, bien que présentant un certain nombre d’inconvénients:

• elle ne se prête pas au stockage, du moins pas de manière importante et pratique, ce qui fait que, pour l’essentiel, le producteur doit «suivre» la demande en ajustant sa production en permanence en fonction de la demande instantanée; c’est la raison pour laquelle il faut avoir des capacités de production excédentaires pour pallier un pic imprévu de la demande ou l’absence inopinée de moyens de production et/ou de distribution, sous peine de pannes généralisées par «effet domino».
• il faut l’amener au consommateur final (au contraire de l’essence pour laquelle c’est le consommateur qui se déplace vers la pompe de distribution), ce qui pose des problèmes d’investissement dans les cas d’habitats dispersés, voire environnementaux (lignes à haute tension),
• la deuxième loi de la thermodynamique (principe de Carnot) conduit à des rendements faibles (35 à 45% selon les technologies) lorsque l’on passe de l’énergie primaire à la vapeur pour produire, via une turbine, l’électricité. Et quand on pense que, dans certains cas, on utilise l’électricité pour refaire de la chaleur pour du chauffage ou de la cuisson (même si dans ce cas le rendement est excellent)!

TABLEAU 5
PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ(2004)
(source AIE)

ZONE	MONDE	OCDE	USA	EUROPE des 27	CHINE	AFRIQUE	FRANCE
TWh	17450	10121	3920	2950	2234	1518	470

Nota:TWh, mille milliards de watt.heure ou 1 milliard de kWh

Il s’agit là de la production d’électricité, sachant que la conso mmation finale est d’environ 10% plus faible, compte tenu des pertes en ligne et la consommation interne des moyens de production. En outre il faut tenir compte du solde exportations/importations (cas de la France, nette exportatrice d’électricité)

TABLEAU 6
CONSOMMATION D’ÉLECTRICITÉ PAR HABITANT (2004)
(Source AIE)

ZONE	MONDE	OCDE	USA	EUROPE des 27	CHINE	AFRIQUE	FRANCE
kWh/hab. et par an	2516	8204	13338	6565	1607	547	7689

On retrouve, de manière accentuée, la disparité de consommation constatée pour l’énergie primaire entre les zones géographiques tant pour ce qui est de la consommation totale que pour la consommation par habitant. L’ONU estime que près de deux milliards d’hommes n’avaient pas accès à l’électricité en 2004.

Enfin, voyons quelle est l’origine primaire de cette production d’électricité.

TABLEAU 7
ORIGINE PRIMAIRE DE LA PRODUCTION MONDIALE D’ÉLECTRICITÉ (2004)
(source, DGEMP, statistiques mondiales)

On constate qu’une fraction très importante (66%) de l’électricité consommée dans le monde reste produite à partir de combustibles fossiles. Si l’on tient compte, d’une part des rejets en CO₂ qui en résultent et d’autre part du faible rendement de la conversion en énergie électrique, on ne peut qu’être réservé sur ce mode de production dans l’avenir.

En dehors de l’hydraulique et de certaines énergies renouvelables (solaire et éolien), l’électricité est produite par l’intermédiaire de la vapeur: c’est ce qui fait que, si la consommation mondiale en énergies primaires est de 11059 Mtep (en 2004), la consommation finale (énergie effectivement utilisée) n’est que de 7644 Mtep (69,1%). Cela est bien sûr une source d’erreurs et de confusion: regardez bien les hypothèses quand vous consultez des données publiées (c’est comme pour les contrats d’assurance: il faut bien lire les petits caractères!).

Pour l’électricité aussi, on a une situation analogue: si la production mondiale (en 2004) était de 17450 TWh, la consommation finale était de 15985 TWh (91,6%); la différence est due à l’électricité consommée par les organes de production et de distribution (centrales, transformateurs, etc.) et surtout aux pertes en ligne, haute, moyenne et basse tensions.

C’est pour essayer d’éviter de gâcher cette énergie primaire qui ne sert à rien, sauf à chauffer les petits oiseaux et les poissons, qu’ il y a beaucoup d’efforts de recherche en cours pour augmenter les rendements dans tous les domaines de la production et de la distributiond’énergie: les centrales au gaz et celles dites «combinées» participent à cet effort, comme d’ailleurs les programmes de R & D sur les réacteurs nucléaires de génération IV; dans tous les cas on veut s’affranchir des limites imposées par la deuxième loi de la thermodynamique qui limite le rendement pratique de production d’électricité à partir de vapeur aux alentours de 35- 40%; deux grandes voies sont suivies (elles ne sont pas incompatibles entre elles):

1. augmenter la température d’entrée de la turbine, ce qui impose vite de passer au gaz (hélium en général), en lieu et place de la vapeur,
2. utiliser le fluide de sortie de la turbine pour d’autres applications (chauffage, dessalement d’eau de mer, production d’hydrogène…), ce qui suppose que le moyen de production électrogène soit proche d’un utilisateur du fluide de sortie.

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3 – Évolution et prévision de la consommation d’énergie 3.1 – L’énergie primaire 3.2 – L’électricité 4 – Conclusion

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[1] Tout au moins à grande échelle, car l’hydroélectricité existe depuis plus de 50 ans.
[2] Certains pourront s’étonner que cette valeur ne soit pas identique à celle immédiatement au-dessus ; c’est que pour des questions de normalisation et comparaison avec les autres combustibles, la tep retenue par les instances internationales est la masse d’un pétrole théorique assez lourd alors qu’aujourd’hui beaucoup de pétroles plus légers sont extraits (notamment au Moyen Orient).
[3] Consommation d’énergie primaire aux USA en 2004 : 2460 Mtep dont près de 30% pour produire 3920 TWh d’électricité (cette production atteindra 4300 TWh en 2020)
[4] -Le Monde-25/01/2000- La nouvelle économie protège l’environnement. Enquête parue en 12/99 de Global & Technology Foundation. De 97 à 2007, l’intensité énergétique (définie comme étant la consommation d‘énergie par $ de PIB) américaine va baisser de 1,5 à 2% (de 20000 BTU/$1992 de PIB dans les années 50, elle est passée à 12500 en 1997). La croissance [de l’économie, ndr] provient de l’informatique et des nouvelles technologies, peu consommatrices d’énergie. Des logiciels optimisent la consommation d’énergie des ménages, le commerce électronique économise en magasins et transports, (ex. vente d’un livre en librairie traditionnelle : 0.44$ de consommation énergétique pour 100$ de vente, par Amazon.com, 0.03$), moins de papier, etc.