Ressources / Ressources énergétiques

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

05/12/2018

Résumé

Origine, exploitation et gestion des ressources à partir du cas des ressources énergétiques et de leur comparaison.


Déroulé d'une formation en ligne

Le parcours proposé ci-dessous est basé sur le contenu final de la formation en ligne délivrée du 14 septembre au 24 octobre 2018. Il a été relu et corrigé. Corrections, précisions et compléments d'information aboutissent, avec la reformulation de certains passages, à un parcours plus complet dont les commentaires proviennent essentiellement d'échanges avec les participants.

Étape 1 - Une ressource énergétique fossile : charbon ou pétrole

Ressources à (re)découvrir / parcourir et questions

Après avoir écouté ou plutôt parcouru les conférences ci-dessus avec leurs documents associés, voire avec l'aide de ressources complémentaires, répondez aux 3 questions suivantes pour, au choix, le charbon ou le pétrole.

  1. Rappelez succinctement l'origine et les conditions de formation de la ressource choisie.
  2. Pourquoi qualifie-t-on cette ressource de ressource énergétique « fossile » ?
  3. Quels sont les principaux usages de cette ressource dans le monde ? Qu'en est-il, qu'en a-t-il été, de son extraction en France ?

Éléments de réponse

Origine et conditions de formation de charbon et pétrole. Accumulation de matière organique qui échappe à la minéralisation par dépôt dans un milieu anoxique et/ou réducteur limitant la décomposition, puis enfouissement (apports sédimentaires dans un bassin subsident et/ou à forte capacité d'accueil – lac profond, plateau continental, delta…). Cet enfouissement amène à des conditions de pression et température permettant les réactions de maturation de la matière organique et, selon la composition initiale et les conditions extrêmes, à la formation de charbon et/ou pétrole et/ou gaz.

Pour le charbon, la matière organique végétale originelle est presque toujours riche en lignine, molécule “résistante”, et est concentrée lors du dépôt, ce qui aboutit à des couches exploitables.

Dans le cas du pétrole, la matière organique (essentiellement algues microscopiques et plancton) est dispersée dans le sédiment donnant la roche-mère. C'est après migration que le pétrole (et/ou le gaz) se retrouve piégé dans une roche-réservoir, sous un niveau imperméable, sauf dans le cas du pétrole (et du gaz) de schistes qui reste dans sa roche-mère.

Ressource énergétique fossile. Charbon et pétrole étant exploités pour fournir de l'énergie (mais pas seulement), cela justifie l'appellation de “ressource énergétique”. Quant au terme “fossile”, rappelons qu'un fossile est, d'après le Dictionnaire de géologie - 8e éd., un « reste, trace ou moulage naturel d'organisme conservé dans des sédiments ». La définition de l'adjectif “fossile” dans ce même ouvrage en élargit et en précise la portée en l'appliquant à tous les « objets, […] substances, […] structures, en général liés au monde vivant, conservés depuis longtemps dans les formations géologiques par divers processus ». Charbon et pétrole sont bien des ”substances” issues du ”monde vivant” (fossiles trouvés dans les charbons et molécules organiques complexes typiques) “conservées” car mise hors du cycle superficiel du carbone par des “processus” particuliers.

Usages et exploitation en France. Charbon et pétrole fournissent de l'énergie pour la production de chaleur, de carburant ou d'électricité. Ce sont aussi des matières premières : pétrochimie, carbochimie (coke…). La France n'est plus productrice de charbon depuis 2004 (fermetures des mines amorcées dès les années 1980). Quelques puits de pétrole, essentiellement dans le Bassin Parisien, fournissent à peine 1 % de la consommation annuelle française.

Commentaires

Attention à ne pas associer le charbon exclusivement au Carbonifère ! La conquête des terres émergées par les végétaux débutant à l'Ordovicien et les premières forêts de ligneux apparaissant au Dévonien, ce n'est qu'au Carbonifère que se forme les premiers dépôts houillers importants. Si les principaux gisements français sont carbonifères, tous ne le sont pas, comme par exemple le bassin de Provence dont les dépôts datent du Crétacé terminal. C'est au Permien que ce sont formés les principaux gisements de charbon extra-européens.

Il est faux de dire que « le pétrole remonte vers la surface parce que moins dense que la roche encaissante », même s'il est vrai, d'une part, que le pétrole quitte généralement sa roche-mère en remontant vers la surface, et, d'autre part, que le pétrole est moins dense que sa roche-mère et que les roches traversées. Un contre-exemple simple est le cas des gaz de schistes pour lesquels il est possible de remarquer que « le gaz n'est pas remonté vers la surface bien que moins dense que les schistes encaissants » ! Si le pétrole remonte c'est d'abord parce que des “passages” existent : pores connectés, fractures. Mais ce n'est pas suffisant. Quand le pétrole remonte, il ne laisse pas le vide derrière lui, il remonte parce qu'il est moins dense que l'eau présente dans la porosité, les fractures, et on peut tout aussi bien y voir de l'eau qui s'enfonce, coule dans le pétrole moins dense. Le pétrole remonte donc vers la surface tant qu'un “passage” rempli de fluide plus dense que lui est disponible. Illustration simple avec un bécher à moitié rempli de graviers. Injectez (seringue + tuyau) de l'huile au fond du bécher, et observez que l'huile ne remonte pas vers la surface bien que moins dense que les graviers. Versez de l'eau dans un second bécher à moitié rempli de graviers et injectez de l'huile au fond de ce bécher. L'huile, remplacée par l'eau, remonte alors au-dessus de l'eau non pas jusqu'à la surface des graviers mais jusqu'à être au contact de l'air, fluide moins dense que l'huile. Ce niveau de remontée est le niveau d'eau initial. L'huile n'atteint la surface des graviers que si les graviers étaient recouverts d'eau.

Soumise à des contraintes lithostatiques et/ou tectonique, la roche-mère (ou une roche-réservoir) peut être déformée, compactée et “expulser” du pétrole “sous pression” de manière analogue à une éponge gorgée d'eau dont l'eau est expulsée quand on presse l'éponge.

On peut prendre l'expression “énergie fossile” comme un raccourci de “ressource énergétique fossile”. On peut considérer que l'énergie chimique présente dans le pétrole et le charbon, libérée lors de la combustion, est de l'énergie chimique “conservée” grâce à des “processus” qui ont modifié les molécules initiales en préservant une partie de l'énergie. On aurait alors bien de l'énergie fossilisée. Par contre parler du pétrole ou du charbon comme étant de l'“énergie solaire fossile” est maladroit, car cela revient à considérer la photosynthèse comme un processus de fossilisation / conservation de l'énergie solaire plutôt que, avant tout, comme un processus fondamental de réduction du carbone permettant la fabrication de sucres sources de matière et d'énergie et bases de multiples réactions / processus biologiques.

Étape 2 - La géothermie : une énergie renouvelable ?

Ressource à (re)découvrir et questions

Après consultation de la ressource ci-dessus et d'éventuelles ressources complémentaires, répondez aux 3 questions suivantes.

  1. Quel est, dans le cas de la géothermie, le type d'énergie exploité ? Quelle est l'origine de cette énergie ?
  2. Distinguez les différents « gisements » et usages possibles.
  3. Expliquez ce qu'est une énergie dite « renouvelable ». La géothermie est-elle « renouvelable » ?

Éléments de réponse

Géothermie. . La géothermie est l'exploitation de la «  chaleur de la Terre », donc d' énergie thermique émise par la Terre, corps chaud dans un environnement froid, qu'on “capte” lors de son passage en (sub-)surface.

Au sens strict, il s'agit de chaleur interne avec essentiellement deux origines à parts quasi-égales : 1/ énergie d'accrétion/cristallisation de la Terre originelle, 2/ énergie libérée lors de la désintégration radioactive d'isotopes de l'uranium, du thorium et du potassium présents en faible quantité dans l'immense réservoir mantellique et en plus forte concentration dans les croutes océanique et encore plus continentale.

Le terme “géothermie” est souvent étendu à l'exploitation de la chaleur du sous-sol superficiel, chauffé par le Soleil et dont la température moyenne correspond à la température annuelle moyenne du lieu considéré. Il s'agit alors de stockage d'énergie solaire sous forme de chaleur dans un réservoir superficiel.

Gisements. Les flux géothermiques les plus forts correspondent géologiquement aux zones de dorsales, de rifts et d'activité magmatique.

L'énergie est exploitée par le biais d'un fluide “jaillissant” (sources chaudes), pompé puis réinjecté (nappe phréatique), injecté puis pompé… puis réinjecté (réservoir de roche chaude sèche, voire ayant circulé dans des canalisations de sub-surface).

L'énergie thermique extraite via une pompe à chaleur peut alimenter un chauffage individuel dans le cas de géothermie à (très) basse température (“géothermie de sub-surface”).

Dans le cas de géothermie à haute et moyenne température (eau tiède voire chaude mais non bouillante) il est possible d'alimenter des réseaux de chauffage plus importants : chauffage collectif, chauffage urbain, serres, piscines…

Dans le cas de géothermie à très haute température (eau à plus de 100°C), l'extraction de vapeur permet, de plus, l'alimentation d'une turbine et la production d'électricité.

Énergie renouvelable ? Une énergie est “renouvelable” si sa quantité accessible/exploitable ne diminue pas significativement à une échelle de temps “humaine” du fait de son exploitation, c'est-à-dire si son stock disponible ne s'épuise pas à une échelle de temps “humaine”.

L'usage intermittent de la géothermie à (très) basse température avec “recharge” naturelle hors période de chauffe, voire recharge accélérée en cas de climatisation en été, rend cette énergie “renouvelable”. Pour la géothermie à très haute température, l'importance du flux thermique a porté à très haute température une très grande masse de roche, et la réinjection de l'eau refroidie (mais encore très chaude) dans la nappe ou la roche assurent des temps théoriques d'exploitation si longs que cette énergie est “quasi-renouvelable”, bien qu'en quelques siècles la température de l'eau sortante diminuera. Par contre, la géothermie à haute et moyenne température, “épuise” le réservoir exploité ce qui en fait une énergie “non renouvelable”, même si les installations peuvent “tourner” 50 ans ou plus.

Commentaires

On parle aussi de « sources d'énergie renouvelables » ou d'« énergies d'origine renouvelable » pour qualifier les énergies dites “renouvelables”. Dans ces expressions « source » et « origine » ne désignent pas les processus producteurs d'énergie mais les stocks disponibles dans certains réservoirs / lieux. Ainsi, la fusion de l'hydrogène au cœur du Soleil est un processus irréversible (il n'y a pas de re-formation d'hydrogène) mais la masse du Soleil est telle que l'énergie émise par rayonnement à la surface du Soleil, “perdue” par le Soleil, est renouvelée et nous semble, à notre échelle de temps, inépuisable. Par contre, dans 5 milliards d'années, et après quelques soubresauts, le Soleil cessera de produire de l'énergie.

L'énergie géothermique peut être qualifiée de “non renouvelable” lorsque localement son exploitation épuise le stock disponible (le flux continu ne compensant pas l'énergie extraite du stock). Renouvelable ne signifie pas non plus « disponible en quantité illimitée » : si on recouvre un terrain de panneaux solaires thermiques, photovoltaïques ou combinés on ne pourra pas “produire” plus d'énergie qu'une quantité maximale dépendant de la surface couverte, de l'insolation locale et du rendement de l'installation. Cependant l'énergie récupérée un jour n'affecte en rien les capacités d'extraction du lendemain.

“Renouvelable” n'est pas le contraire de “fossile”. L'énergie nucléaire est issue de l'exploitation d'uranium, ressource “limitée” mais ni fossile ni renouvelable au rythme actuel d'exploitation. À l'extrême, s'il n'y avait aujourd'hui qu'une seule raffinerie de pétrole au monde pour des usages très particuliers, on pourrait, vu les réserves actuelles, qualifier de pétrole de ressource fossile renouvelable.

Compléments sur différentes ressources énergétiques

Sur Planet-Terre :

Sur d'autres sources :

Étape 3 - Puissance / Énergie : de quoi parle-t-on vraiment ?

Ressource à (re)découvrir et questions

Le barrage des Trois-Gorges (Chine) (à retrouver dans Impact des activités humaines sur l'érosion littorale ).

À partir de la ressource ci-dessus et d'éventuels compléments, répondez aux 3 questions et problèmes suivants permettant de rappeler des bases de physique de niveau lycée et de faire quelques calculs simples permettant de “manipuler” énergies et puissances.

  1. Rappeler les unités du système international (“mksa”) pour l'énergie et la puissance, ainsi que la relation entre énergie (E) et puissance (P). Qu'est-ce qu'une calorie ? Qu'est-ce qu'un Wh (Watt-heure) et quel est l'intérêt d'utiliser cette unité ?
  2. Soit une tonne d'eau qui chute de 50 mètres dans le champ de pesanteur terrestre. À quelle quantité d'énergie ce mouvement de masse correspond-il (on pourra prendre g=10 m.s-2 comme valeur approchée de la valeur moyenne de la pesanteur, 9,81 m.s-2) ? Considérant qu'une centrale hydroélectrique récupère 35 % de cette énergie, quelle quantité d'énergie électrique est-elle produite ? À quelle durée de fonctionnement d'une ampoule de 25 W ou d'un convecteur électrique de 500 W cette énergie produite correspond-elle ? En l'absence de pertes, quelle quantité d'eau cette énergie pourrait-elle permettre de chauffer de 15 à 16°C ?
  3. Soit une unité de production affichant une puissance électrique installée de 900 MW (ou 0,9 GW), quelle quantité d'énergie peut-elle théoriquement produire en 1 an (365 jours) ? En 2017, elle a produit 3,1 TWh (3100 GWh). Comment expliquer cette différence entre énergie “attendue” et énergie “produite” ? Quelle est la puissance moyenne effective de cette unité de production en 2017 ?

Éléments de réponse

Unités. Dans le système “mksa” (dont les unités de références, à partir desquelles sont définies les autres, sont le m ètre (longueur), le k ilogramme (masse), la s econde (temps) et l' a mpère (intensité du courant électrique)), l'unité d'énergie est le joule (J) et l'unité de puissance est le watt (W) défini par la relation 1 W = 1 J/s. Une puissance est une quantité d'énergie délivrée ou consommée par unité de temps. On écrit donc par définition : P = E / t, ou E = P × t.

La calorie est la quantité d'énergie nécessaire pour élever d'1°C la température d'1 g d'eau. Cette quantité variant quelque peu avec la pression et la température, on “fixe” généralement l'équivalence à 1 cal = 4,18 J (valeur correspondant aux alentours de 15°C sous pression atmosphérique). Unité encore utilisée en nutrition et pour les échanges de chaleur (chauffage, réfrigération), elle n'est souvent plus donnée qu'en illustration de données exprimées en (k)J ou en (k)Wh.

Le watt-heure est la quantité d'énergie délivrée ou consommée par un appareil de puissance 1 W fonctionnant pendant 1 heure. On a donc par définition : 1 Wh = 1 W × 1 h = 1 J/S × 3600 s, soit 1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ. Cette unité, ou plutôt son multiple le kWh (= 3,6 MJ), d'abord utilisée pour l'énergie électrique, facilite les calculs et comparaisons pour des consommations d'énergie / besoins de puissance en relation avec l'usage quotidien d'appareils domestiques (5 à 2000 W). Le kWh est l'unité de tarification des fournisseurs d'électricité, mais aussi de gaz et parfois de bois.

Chute d'eau. L'énergie cinétique (de mouvement) acquise par l'eau lors de sa “chute” correspond à la perte d'énergie potentielle de pesanteur (Ep). Comme Ep = m.g.h, la différence d'énergie potentielle lors de la chute est ΔEp = m.g.Δh, “g” étant pris comme constant pour de faibles variations d'altitude. Avec m = 1000 kg, g = 10 m.s-2 , Δh = 50 m, on obtient une énergie “libérée” ΔEp = 500 000 J = 500 kJ.

En récupérant 35% de cette énergie, une centrale hydroélectrique fournit donc 175 kJ, soit 48,6 Wh. E = P × t s'écrit aussi t = E ÷ P. Une ampoule de puissance 25 W consomme donc cette énergie en 48,6 ÷ 25 = 1,944 h ou 175 000 ÷ 25 = 7000 s, soit 1h56min40s. Un petit convecteur électrique de 500 W consomme cette énergie en 48,6 ÷ 500 = 0,0972 h ou 175 000 ÷ 500 = 350 s, soit 5min50s.

Comme 4,18 J permettent d'élever de 1°C la température de 1 g d'eau, 175 kJ permettent de chauffer de 15 à 16°C une masse d'eau de 175 000 ÷ 4,18 = 41866 g, soit ~ 41,8 kg.

Centrale électrique. La puissance installée est la puissance électrique instantanée maximale que peut délivrer une centrale. En fonctionnant à plein régime et en continu pendant une année (soit 365×24=8760h), une centrale électrique de 900 MW fournirait une quantité d'énergie de 900.106 × 8760 = 7,884.1012 Wh, soit 7,884 TWh. Si une telle centrale ne fournit “que” 3,1 TWh sur une année, soit 3,1 ÷ 7,884 ~ 39 % de son potentiel, c'est parce qu'elle n'a certainement fonctionné ni en continu, ni toujours à plein régime. La puissance moyenne annuelle effective de cette centrale est donc égale à 39 % de sa puissance installée, soit 351 MW, c'est la puissance permettant à une centrale fictive fonctionnant en continu et à plein régime pendant un an de produire la quantité d'énergie effectivement produite par la centrale réelle plus puissante mais à fonctionnement intermittent et/ou modéré.

On appelle “facteur de charge”, pour une unité de production et sur une certaine durée, le rapport énergie produite / énergie potentiellement produite à plein régime. Ce ratio n'a rien à voir avec le “rendement” de la centrale en question. Le rendement est, dans le cas présent, le rapport énergie électrique produite / énergie consommée pour la produire. Dans le cas d'une centrale thermique (charbon, pétrole, gaz, nucléaire), le rendement est de l'ordre de 30 à 40 %, ce qui signifie que pour produire 1 J d'énergie électrique il faut consommer 3 J d'énergie issue du combustible utilisé. La valeur de 39 % trouvée dans cet exercice de “facteur de charge”, pouvait cependant faire penser à une question de “rendement” à qui avait une idée de l'ordre de grandeur des rendements des centrales thermiques.

Commentaires

Si tout le monde comprend bien les principes et l'équation de base E = P × t, de nombreuses erreurs d'application, auxquelles s'ajoutent des étourderies, aboutissent à des résultats qui devraient faire réagir. S'il est difficile d'avoir une idée à priori du temps de fonctionnement d'une ampoule à partir de l'énergie tirée d'une chute d'eau (seules des durées extrêmes de quelques micro-secondes ou, à l'opposé, quelques années ou décennies doivent faire douter de la validité du résultat), nul ne devrait s'accommoder d'un résultat montrant qu'une centrale produit moins de 1 %, voire moins de 1 ‰, de l'énergie qu'elle peut théoriquement produire. Heureusement nul ne s'en accommode, mais il est alors difficile de trouver l'erreur de raisonnement ou de calcul car on croit refaire le calcul alors qu'on ne fait que relire ses erreurs (comme lorsqu'on relit un texte pour en corriger les fautes d'orthographes, de grammaire et de frappe, mais qu'en fait on le survole ou on se le récite). Sauf erreur “évidente”, il faut refaire les étapes de raisonnement et de calcul en vérifiant pas à pas leur validité.

L'erreur la plus classique est le mélange entre J et Wh. On peut choisir l'une ou l'autre unité d'énergie, mais il faut alors s'y tenir. En divisant des joules par des watts, on obtient une durée en secondes, mais en heures si on divise des watt-heures par des watts.

Erreurs d'étourderie parfois rencontrées avec les multiples : 1 MW = 106 W, 1 GW = 109 W, 1 TW = 1012 W. Poser les calculs avec les écritures en 10x et revenir aux multiples pour le résultat, si nécessaire.

Dans tous les calculs, attention aux unités, E = ΔEp = m.g.Δh P × t donne une énergie en joules ( J ) si on reste dans le système “mksa”, donc avec une masse exprimée en kg et une différence d'altitude en m .

Étape 4 - Comparer des ressources énergétiques… de manière aussi complète que possible

Données à (re)découvrir et questions

À partir de données officielles puis de vos connaissances et d'éventuels compléments, répondez aux 3 questions suivantes.

  1. La programmation pluriannuelle de l'énergie fixe des objectifs et les documents qui en découlent fourmillent de données réelles et prévisionnelles plus ou moins faciles d'accès. À partir de la synthèse basée sur les données de 2015 et fixant des objectifs pour 2018 à 2023 (document en ligne ou en version locale en cas d'indisponibilité), déterminez, pour les énergies renouvelables électriques, quel est le “rendement annuel” (énergie produite / énergie potentiellement attendue au vu de la puissance installée) de l'éolien terrestre (ou onshore ), de l'hydroélectricité et du solaire photovoltaïque (parfois noté “PV”). Commentez brièvement ces résultats. On fera par exemple les calculs avec les données de 2018 du graphique de la page 12 et du tableau de la page 13.
  2. Les fournisseurs d'énergie publient aussi de nombreux documents et données. Par exemple, EDF propose une carte de toutes ses implantations à partir de laquelle on accède à des données spécifiques. À partir du dossier de presse 2017 concernant la centrale nucléaire du Bugey (document en ligne ou en version locale en cas d'indisponibilité), déterminez, comme précédemment, le “rendement annuel” (énergie produite / énergie potentiellement attendue au vu de la puissance installée) de la centrale du Bugey. Commentez brièvement ce résultat. On pourra se contenter des données de la page 2 pour le calcul. Des informations au fil du document peuvent aider ceux qui voudraient étoffer les commentaires.
  3. À partir des documents divers consultés préalablement, de vos connaissances et de documents complémentaires éventuels, dressez un tableau comparatif aussi complet que possible des données concernant couts, disponibilités, usages, avantages/inconvénients économiques/écologiques… pour l'éolien terrestre, le pétrole (comme source d'énergie) et l'énergie nucléaire. On pourra se contenter sur certains points de données qualitatives (il peut être long de dénicher certaines données et/ou de comparer/comprendre des données apparemment contradictoires issues d'organismes à buts divergents).

Éléments de réponse

Appelons facteur de charge le rapport “énergie produite / énergie potentiellement attendue” plutôt que “rendement annuel”, terme impropre (même mis entre guillemets) à réserver aux études de transfert/transformation d'une forme d'énergie en une autre (par exemple, fraction de l'énergie chimique du gaz convertie en chaleur par combustion pour effectivement alimenter le chauffage d'une habitation).

Programmation pluriannuelle de l'énergie (PPE). Les productions escomptées en 2018 pour l'éolien terrestre (ÉT), le solaire photovoltaïque (PV) et l'hydroélectricité (HY) sont “lisibles” dans le graphique de la page 12 du PPE. Seule la production HY est aussi reportée dans le tableau de la page 13. On a alors les productions électriques suivantes : 30 TWh ÉT, 12 TWh PV, et 61 TWh HY.

Les puissances installées prévues pour 2018 et figurant dans le tableau de la page 13 sont : 15 000 MW ÉT, 10 200 MW PV, et 25 300 MW HY. Les productions électriques potentielles en 2018 (8760 h) sont donc : 131,4 TWh ÉT, 89,3 TWh PV, 221,6 TWh HY. Les facteurs de charge (“énergie produite / énergie potentiellement attendue”) sont donc : 22,8 % ÉT, 13,4 % PV, et 27,5 % HY.

Ces facteurs de charge rappellent que le vent et la lumière sont des sources intermittentes : le vent ne souffle ni tous les jours ni toujours dans la direction et dans la gamme de vitesses optimales ; à l'échelle de l'année, il fait nuit la moitié du temps. L'énergie hydro-électrique est limitée par l'apport d'eau nécessaire. Un barrage hydro-électrique tournant à plein régime abaisserait le niveau du barrage et, à terme, aboutirait à une production électrique “au fil de l'eau” (comme le sont les ouvrages hydroélectriques bâtis sur le Rhône ou le Rhin, qui s’appellent aussi barrages malgré l’absence véritable lac de retenue ; pour ces barrages la faible hauteur de chute est compensée par un important débit), c'est-à-dire à une production variable en fonction du débit du cours d'eau sur lequel il est implanté. Le grand intérêt des barrages avec réservoir est leur capacité de stockage (d'eau et donc d'énergie) et leur réactivité quasi-instantanée permettant la production d'énergie pour répondre rapidement à des pics de demande énergétique.

Centrale nucléaire du Bugey. La « fiche d'identité » de la centrale (page 2) nous informe qu'en 2017 la production a été de 23,9 TWh, pour une puissance installée de 3600 MW (4×900 MW). Une telle puissance installée donne une production potentielle de 31,5 TWh. Le facteur de charge pour 2017 a donc été de 75,9 %. Cela revient à dire que les réacteurs ont en moyenne tourné aux trois quarts de leur capacité… et même un peu plus si on relève (page 21) qu'il y a eu, au cours de l'année « redémarrage en toute sûreté de l’unité de production n° 5 après 23 mois d’arrêt ». La centrale a donc fonctionné un certain temps avec 3 réacteurs sur 4. Cette information nous rappelle aussi que l'une des causes de non-production d'une centrale électrique (nucléaire ou autre) est la nécessaire maintenance des équipements.

Le facteur de charge de l'ensemble du parc nucléaire français est de l'ordre de 75 %. Les centrales nucléaires étant très peu réactives, elles produisent la partie “prévisible” de l'énergie électrique consommée (390 TWh dont 6,3 % produits au Bugey, voir page 4). La différence entre production “nucléaire” et demande réelle instantanée est comblée par les autres sources en fonction de leurs disponibilités et facilités d'ajustement, en particulier l'hydraulique (hors centrales au fil de l'eau).

Comparaison éolien terrestre - pétrole - nucléaire. Tentons de regrouper dans un tableau les principaux éléments de comparaison donnés, et d'en discuter certains.

 

Éolien terrestre

Pétrole

Nucléaire

Cout

Énergie gratuite

Couts de construction, production et démantèlement connus

Prix variable - tendance à la hausse

Couts de construction, production et démantèlement connus

Prix du combustible relativement stable

Couts de construction, production connus (parfois à postériori), cout de démantèlement (aucun démantèlement achevé à ce jour) et de gestion des déchets sur 10 000 ans inconnus (et donc négligés ou sous-estimés)

Disponibilité

Partout mais par intermittence

~ 50 ans, au rythme actuel

Origine à 99% hors de France

~ 100 ans, au rythme actuel, avec les technologies actuelles

Origine à 100% hors de France

Usages

Électricité

Carburant - Pétrochimie - Électricité

Chaleur (cimenteries)

Électricité

Économie

Emploi diffus et étendu

Matériaux de construction recyclables / revalorisables à 90%

Emploi concentré sur le lieu de production

Emploi concentré sur le lieu de production, haute technicité, haut niveau de sécurité à maintenir

Écologie

Renouvelable

Pas d'émission de CO2 lors de la production

Impact sur la mortalité des oiseaux et des chauves-souris, surtout dans les couloirs de migration

Bruit au voisinage

Émissions CO2 (inévitables), SO2 et NOx (captables mais augmente les couts) lors de la production

Pas d'émission de CO2 lors de la production

Impact sur la biodiversité à l'aval du cours d'eau (rejet d'eau “chaude”)

Risque : aléa faible (accidents de type Tchernobyl et Fukushima rares) mais dégâts potentiels très importants (et non assurés, en cas de problème c'est la collectivité qui prend en charge les “réparations”)

Il est très difficile de trouver des chiffres fiables, les plus “honnêtes” pourraient être les chiffres comptables même si le cout de construction y est inclus en tant qu'amortissement ce qui “favorise”, par exemple, le “vieux” parc nucléaire, amorti, par rapport au parc éolien bien plus jeune en moyenne. De plus, aucun chiffrage ne prend en compte les couts futurs (ou alors de manière biaisée puisqu'aucun démantèlement de réacteur nucléaire n'a encore été achevé). Les couts cachés ne sont jamais pris en compte : entretien d'infrastructures d'accès, sécurité publique autour des sites et lors de trajets sensibles, couts de maintien de routes d'accès et de sécurisation des lieux de production hors de nos frontières…

Certains avantages ou inconvénients sont parfois donnés pour favoriser ou dévaloriser une filière. Il est nécessaire de prendre un peu de recul. Lorsqu'est évoqué la pollution visuelles des éoliennes qui “perturbent” le paysage, il s'agit en fait de la pollution non pas d'un paysage “vierge” mais d'un paysage “familier” : on verra la verrue que constituent les éoliennes dans un paysages ”vierge” qui comporte déjà des lignes électriques, des usines, des tours de refroidissement… Et les tours de la cathédrale de Chartres sont, dit-on, l'un des charmes de la Beauce…

Ce genre de comparaison à un instant donné permet de lister les avantages, les inconvénients de différentes technologies mais ne permet pas d'avoir une vue sur le long terme. Depuis quelques années se développent les notions d'étude sur cycle de vie et d'énergie grise… abordées à l'étape suivante.

Commentaires

Le rendement d'une centrale thermique est de l'ordre de 33%, c'est le rapport entre l'énergie électrique produite et l'énergie présente dans le combustible initial consommé (ce chiffre ne relève pas d'un problème technique car un rendement maximal théorique est fixé par les lois de la thermodynamique et son second principe). Pour l'éolien et le solaire, on ne consomme ni vent ni soleil, on capte une partie d'un flux énergétique qui “passe”. On parle de coefficient de conversion pour qualifier le rapport entre l'énergie “récupérée” et l'énergie interceptée. Pour le solaire on “capte”, en pleine production, environ 15% (10 à 20 selon les panneaux) de l'énergie en solaire photovoltaïque (électricité) et environ 40% en solaire thermique (eau chaude sanitaire et appoint chauffage).

Les calculs menés ci-dessus sont des calculs de facteur de charge qui rendent compte de la production effective par rapport non pas à l'énergie primaire consommée mais à une production maximale théorique qui ne se soucie ni de la disponibilité des sources, ni de l'entretien des unités de production, ni de la gestion des différentes filières pour répondre à la demande instantanée.

Attention au mythe de l'indépendance énergétique assurée par le nucléaire. Si la France possède la technicité et le savoir-faire dans le domaine du nucléaire (comme c'est aussi le cas pour le pétrole, de la prospection à la transformation), elle est à 100% dépendante pour le combustible depuis la fermeture de ses mines d'uranium (mais “seulement” à 99% pour le pétrole). En cas de rupture d'approvisionnement extérieur et même avec redémarrage instantané de l'extraction d'uranium en France, le “service” ne fonctionnerait pas longtemps au rythme actuel (environ 4 ans tout de même car il est plus aisé de stocker une quantité d'énergie donnée sous forme d'uranium – énergie “concentrée” – que sous forme de pétrole).

Il n'est pas honnête de miser sur des progrès attendus pour mettre en valeur une filière : on peut miser sur des coefficients de conversion de 50% pour le photovoltaïque, on en est à 20% aujourd'hui ; on peut vanter les réacteurs nucléaires du futur de quatrième génération, on peine aujourd'hui à mettre en place la troisième génération (EPR)… Si on peut souhaiter toutes ces avancées, on ne peut les intégrer dans une réflexion énergétique en les prenant pour des réalités actuelles et décisives. Rappelons, par exemple, l'échec de la filière au plutonium (Phoénix et Super-Phoénix) qui aurait permis un meilleur rendement de la filière nucléaire et une réduction du volume de déchets ultimes.

Étape 5 - Énergie grise, cycle de vie et gestion (durable) des ressources

Ressources à (re)découvrir et questions

Après lecture de la ressource ci-dessus et prise en compte des étapes précédentes répondez aux 3 questions suivantes.

  1. Qu'est-ce que l'énergie grise ? Comparer les “rendements” (en réalité des facteurs de charge) calculés à l'étape précédente pour le nucléaire et le photovoltaïque aux rendements sur cycle de vie calculés pour ces deux modes de production d'électricité dans l'article de Bernard Multon. Comment vous semble-t-il possible d'améliorer ces rendements ?
  2. En appliquant le raisonnement « sur cycle de vie » (figure 2 de l'article de B. Multon) aux ressources en général, listez les différentes étapes de réflexion et d'action possibles dans la gestion durable d'une ressource ou d'un service par les producteurs et les consommateurs. On pourra s'appuyer sur un exemple concret : pétrole, eau, chauffage, ciment, coton…
  3. Expliquez l'expression « l'énergie la plus propre est celle qu'on ne consomme pas » (on peut remplacer “énergie” par “ressource”). À priori, quelle quantité d'une ressource donnée est-il “raisonnable” de consommer ?

Éléments de réponse

Énergie grise et rendement sur cycle de vie. L'énergie grise est l'énergie consommée pour l' extraction des matières premières , la construction , le fonctionnement , la maintenance et le recyclage d'un bien ou d'un service.

Pour une centrale électrique, cela comprend donc l'énergie nécessaire à l'extraction des matières de construction (bâtiment, turbines…) et d'alimentation (extraction, transformation, transport du combustible), à sa maintenance et à ses réparations ainsi qu'à son démantèlement et au recyclage de ses composants.

Le rendement sur cycle de vie (rcv) compare donc l'énergie fournie à l'énergie totale (hors énergie renouvelable) nécessaire à cette production, et pas seulement à l'énergie primaire alimentant le système de conversion (rendement / taux de conversion – r./t. conv), ou à l'énergie qui pourrait être fournie si le système fonctionnait à plein régime et en continu (facteur de charge – fc).

Pour améliorer le rcv, on peut bien sûr travailler à augmenter l'efficacité de la conversion (amélioration des rendements / taux de conversion), on peut aussi développer la récupération d'une partie de la chaleur “perdue” et augmenter ainsi l'énergie utile (électrique + thermique), ce qui se développe avec les panneaux solaires combinant photovoltaïque et thermique, et existe pour quelques centrales nucléaires qui fournissent de la chaleur du circuit de refroidissement à des installations proches (par exemple des serres). Notons que, comme la chaleur “se transporte mal” sur de longues distances, cette combinaison électrique + thermique est surtout adaptée aux panneaux solaires installés sur des habitations (ayant des besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire). Mais, les Islandais arrivant très bien à transporter de la chaleur sur des dizaines de kilomètres, un peu de bonne volonté de la part de certains acteurs devrait permettre de transporter la chaleur de certaines centrales nucléaires vers des villes déjà dotées de réseaux de distribution de chaleur… Mais, surtout, les choix effectués à la conception sont importants : choix des matériaux et procédés de construction, choix technologiques pour le cœur du système, choix qui pourront impacter le cout énergétique du démantèlement. Ainsi un matériau ou un alliage plus couteux à mettre en œuvre peut être un bon choix si ce surcout initial est compensé, par exemple, par un recyclage plus performant.

Remettons en perspective les différents “rendements” rencontrés pour une centrale nucléaire et un parc photovoltaïque.

Une centrale nucléaire qui fournit 1 000 kWh d'électricité  : a consommé 3 030 kWh de combustible nucléaire (r. conv 33 %) en perdant 2 030 kWh de chaleur ; aurait pu fournir 1 333 kWh d'électricité en fonctionnant en continu et à plein régime… sans maintenance ni recharge en combustible (fc 75 %) ; nécessite au total la consommation de 3 058 kWh d'énergie non renouvelable (rcv de 32,7 %).

Un parc photovoltaïque qui fournit 1 000 kWh d'électricité  : a intercepté 7 143 kWh d'énergie solaire (t. conv 14 %) en laissant filer 6 143 kWh d'énergie solaire non convertie ; aurait pu fournir 7 463 kWh d'électricité en fonctionnant en continu et à plein régime… avec du soleil 24h/24 pile en face des panneaux (fc 13,4 %) ; nécessite au total la consommation de 1 400 kWh d'énergie non renouvelable (rcv de 71,4 %).

Gestion durable d'une ressource. Pour une ressource on cherchera à l'extraire à moindre cout énergétique (ce qui inclut la recherche d'une extraction performante limitant les pertes), à optimiser les procédés de transformation, mais aussi à concevoir des produits finis recyclables (récupération de composants pouvant servir à un usage similaire) ou du moins valorisables (réutilisation de composants comme matériau pour fabriquer un produit moins “noble” / moins technique, voire incinération pour produire de la chaleur et pas seulement pour s'en débarrasser).

Rappel : pour être durable, la gestion d'une ressource doit respecter non seulement des attentes écologiques (non épuisement des stocks, limitation de la pollution…) mais aussi économiques et sociétales.

« L'énergie la plus propre est celle qu'on ne consomme pas. »Cette expression peut être ressentie comme un appel à ne rien consommer pour être certain de ne rien “salir”… et à “revenir à l'âge des cavernes”. Plus simplement, elle rappelle que la recherche de plus de “propreté” peut non seulement se faire en privilégiant une source d'énergie plus propre, mais aussi en réduisant la consommation de ressources et d'énergie. Par exemple, on peut se chauffer plus proprement en passant du fioul au gaz ou au bois mais aussi en baissant la température de consigne (gain immédiat) et/ou en isolant mieux son logement (il faut alors dépenser de l'énergie pour isoler et attendre ensuite quelques années pour amortir cet investissement).

À une échelle globale, il semble raisonnable de ne pas consommer une ressource au-delà de ses capacités de renouvellement ou du moins de manière à éviter un épuisement à court / moyen terme (en évitant le “gaspillage”, en recyclant/revalorisant au mieux, en diversifiant quand c'est possible les ressources utilisées pour un usage donné…).

À une échelle individuelle, il semble raisonnable de ne pas consommer les ressources nous fournissant biens et services au-delà des quantités permettant à tous de profiter des mêmes biens et services. Comme certains besoins ont des “couts” variables selon la localisation (les couts de chauffage ne sont pas les mêmes, à l'échelle métropolitaine, à Lille, Montpellier ou Briançon), il n'est pas déraisonnable que certains consomme un peu plus que les autres pour certains services tant que la consommation supérieure de certains n'interdit pas aux autres l'accès à certains biens ou services.

Compléments sur les calculs énergétiques et la gestion des ressources

Sur Planet-Terre :

Sur d'autres sources :