Recherche et politique énergétique

Recherche et politique énergétique

Energie : droit dans le mur !

Le conseil mondial de l’énergie a estimé que, pour une population estimée à 10 milliards d'habitants en 2050, la demande mondiale d'énergie primaire passerait de 9,2 milliards de tep en 1990 à un niveau compris entre 11,4 et 15,4 milliards de tep en 2020 puis à un niveau compris entre 14,2 milliards de tep et 24,8 milliards de tep en 2050. En tout état de cause,la consommation mondiale d'énergie s'accroîtra de 49% d'ici 2035 par rapport à 2007. Les principaux besoins en énergie seront exprimés par la Chine et l'Inde : leur part dans la consommation d’énergie était de 20% en 2007, elle atteindra 33% en 2035. En revanche, la part des Etats-Unis baissera de 21% à 16% durant cette même période.

La part du combustible fossile est actuellement de 85%, elle devrait baisser à 75%.

Pour donner une idée des défis à résoudre, si la Chine et l'Inde devaient rejoindre du jour au lendemain le niveau sud-coréen en matière d'équipement automobile, ces deux pays auraient des besoins en pétrole représentant l'équivalent de deux fois ce que consomme aujourd'hui... l'ensemble du monde !

Or, dans son rapport 2010 l'Agence Internationale de l'Énergie considère que nous avons déjà dépassé le pic pétrolier : « La production de pétrole brut se stabilise plus ou moins autour de 68-69 Mb/j (millions de barils par jour) à l'horizon 2020, mais ne retrouve jamais le niveau record de 70 Mb/j qu'elle a atteint en 2006 »

Nous allons donc droit et rapidement vers une pénurie pétrolière ; l’augmentation de la consommation de gaz, la ré exploitation du charbon permettront d’y suppléer transitoirement, à un coût écologique important – du point de vue écologique, l’arrêt du nucléaire en Allemagne et sa substitution en grande partie par du charbon est une très mauvaise nouvelle pour le changement climatique.

Le Conseil mondial de l'Énergie a lancé dans un style très ONUesque et politiquement correct ce qui doit être considéré comme un vrai cri d’alerte : « Le vrai défi est de communiquer la réalité selon laquelle le passage à d'autres sources d'approvisionnement prendra de nombreuses décennies et que, dans ces conditions, il faut commencer dès aujourd'hui la concrétisation de cette nécessité et engager les actions appropriées »

Un certain « Il y a qua » écologique nous emmène au pays des bisounours énergétique plein de forêts d’éoliennes, de champs de biodiesel et de cellules solaires ; curieux pays tout de même : sous un climat favorable, une maison au toit entièrement couvert de cellules photovoltaïques peut être autonome, mais pour un supermarché, il faudrait un champ photovoltaïque d’environ dix fois la taille de son toit, et de 1000 fois la taille du toit pour un gratte-ciel ! Pour satisfaire la consommation des USA en carburants, il faudrait cultiver en biocarburants plus du double des terres actuellement cultivées… (cf. notamment les articles et livres de Vaclav Smil).

Pour autant, les techniques permettant une meilleure exploitation de l’énergie solaire, et aussi et surtout de son stockage, et de nouveaux biocarburants constitueront un apport important dans un futur mix énergétique… mais il faudra encore beaucoup de temps et d’effort pour remplacer une énergie aussi concentrée et facile d’utilisation que le gaz et le pétrole ; les difficultés seront considérables.

Le nucléaire ou la guerre

Il existe un consensus large chez les énergéticiens pour penser que dans le siècle qui vient, la solution sera un basculement important vers l’électricité, et vers la seule production d’électricité compatible avec les exigences de la vie moderne et de l’industrie, le nucléaire ; et aussi avec le développement et la justice : en 2011, un milliard et demi d’humains n’ont pas accès à l’électricité, cela ne peut pas durer et la seule solution possible – mais pas exclusive - ,à l’échelle du siècle, est le développement du nucléaire. Le nucléaire fournit 14 % de l’électricité mondiale ; en 2050, ce sera plus de 24%. L’Agence internationale de l’énergie prévoit donc une augmentation importante du nucléaire. Tout cela amène le Prix Nobel de la paix 2005, M. El Baradei, à considérer qu’ « on ne peut se passer du nucléaire » (Le Monde, 29 sept 2011). En 2011, soixante-cinq réacteurs nucléaires sont en construction dans quinze pays ; la Chine, l’Inde, la Russie (qui a lancé une initiative internationale sur le nucléaire du futur), le Brésil, l’Afrique du Sud…augmenteront significativement leur production nucléaire. La Corée du Sud, dont la situation énergétique est assez comparable à celle de la France, en est déjà à 38% d’électricité nucléaire, avec 19 réacteurs. Et lorsque sous la pression d’émotions publiques, des pays déclarent vouloir sortir du nucléaire…ils le font très lentement. Ainsi, la Suède avait programmé sa sortie du nucléaire en 1980 ; elle avait alors douze réacteurs nucléaires ; trente ans plus tard, elle en a encore onze…

En ce qui concerne la France, le rapport 2010 de l’Agence internationale de l’énergie lui décerne plutôt un satisfecit. Il indique que la France est le deuxième consommateur d’électricité en Europe, pour une part de production nucléaire de 80 %, ce qui constitue une particularité de notre pays. Il rappelle par ailleurs que la France importe la totalité de ses besoins en pétrole, gaz et charbon. La France est aussi le deuxième pays européen pour la production d’énergies renouvelables. Il souligne également la réussite de notre politique de diversification de nos sources d’approvisionnement qui contribue à notre sécurité énergétique. Il précise enfin que les émissions de CO2 de la France sont parmi les plus basses des pays de l’AIE. Car, en effet, dans le siècle qui vient, le nucléaire est la seule source d’énergie à permettre une réduction conséquente des gaz à effets de serre et donc la lutte contre le réchauffement climatique.

Toujours en ce qui concerne l’énergie nucléaire française et les orientations politiques récentes, il faut noter un avertissement important du Commissariat Général du Plan : « Ceci pourrait conduire, si l'on n'y prend pas garde, à la disparition de pans entiers des industries électronucléaires occidentales au profit de leurs concurrentes asiatiques. Il serait dangereux, tant sur le plan de la sécurité des approvisionnements énergétiques que sur celui de la stabilité économique et sur celui de la protection de l'environnement, de ne pas maintenir un ensemble industriel cohérent dans ce domaine »

Ce développement prévisible du nucléaire a des conséquences immédiates importantes ; il implique de revenir sur la politique de libéralisation de l’énergie qui conduit immanquablement à sacrifier la sécurité à la rentabilité ; il nécessite des régulateurs forts, et est incompatible avec une production entièrement confiée à des opérateurs privés et même avec une externalisation importante de certaines tâches impliquant la sécurité ; il nécessite un effort continu d’augmentation de la sécurité, l’introduction de nouvelles technologies, et éventuellement la fermeture de centrales obsolètes qui ne pourraient être améliorées. M. El Baradei insiste aussi sur la nécessité d’un débat transparent, de l’indépendance d’un régulateur, d’audits internationaux obligatoires effectués par un corps d’inspecteurs formés et dans un cadre de normes internationales.

A l’échelle du siècle, l’absence de choix est donc claire : ou le nucléaire, ou la guerre pour le contrôle de ressources fossiles en raréfaction

Flamanville…mais pas n’importe comment

La poursuite du programme nucléaire est indispensable, elle implique le développement des EPR et donc la nécessité de poursuivre Flamanville…mais pas n’importe comment. Il est normal que la construction d’un prototype s’avère plus compliquée que prévue, mais là, les bornes ont été dépassées : quatre ans de retard, doublement du budget - à six milliards d’euros. L’autorité de sûreté nucléaire a pointé la responsabilité de l’exploitant, pour des problèmes de construction classiques sans grand lien avec le nucléaire : « multiples écarts dans le bétonnage ou le ferraillage…, manque de rigueur de l’exploitant sur les activités de construction…dans la surveillance des prestataires, des lacunes en matière d’organisation ». En fait, on peut se demander si la direction d’EDF n’a pas saboté le programme EPR, M. Proglio favorisant contre Areva (et Anne Lauvergeon) des centrales nucléaires moins élaborées. Fukushima ayant donné entièrement raison à l’ex directrice d’Areva, il faudra en tirer les conséquences pour la direction d’EDF – le remplacement de M. Proglio par Mme Lauvergeon apparaitrait assez logique…

Ajourons que le combustible nucléaire n’est pas infini, et que le programme nucléaire implique aussi la recherche de solution de type surgénérateurs, capables de produire du combustible nucléaire. Le Japon poursuit cette voie sur le site de Monju et prévoyait encore récemment une mise en service en 2013.

La seule énergie durable : le solaire

Reste pour l’humanité future la seule solution durable : le solaire, basé sur cette réalité physique simple : l’énergie fournie par le rayonnement solaire représente plusieurs fois toute demande mondiale concevable.

Reste aussi que le développement inéluctable, nécessaire, souhaitable du solaire se heurte encore à d’importantes barrières technologiques et même fondamentales, notamment une récupération efficace et un stockage de l’énergie permettant son utilisation continue et à la demande.

Le solaire au sens large comprend la conversion directe de l’énergie solaire en électricité (photovoltaïque), ou la conversion photobiologique (biomasse…) ou photochimique ou encore le photothermique (centrales solaires)

- le Photothermique : le photothermique va du chauffe eau solaire individuel – mais qui ne donne pas d’eau chaude quand il fait froid…) à des centrales solaires impressionnantes concentrant la chaleur solaire à l’aide de miroir sur des fluides caloporteurs. Une des plus récentes Nevada solar one, en Californie, mise en service en 2009 produira à terme 64 MWT (contre 1000-1500 MWtt pour un réacteur nucléaire. La Californie et l’Espagne sont particulièrement en pointe dans cette industrie qui exige des conditions climatiques favorables et ne peut rester qu’une source d’appoint. Reste aussi le problème du stockage de l’énergie, qui ne permet au mieux que de couvrir des alternances jour-nuit. Le photothermique tend à être supplanté par le photovoltaïque.

- le Photovoltaïque, aujourd’hui considéré comme la voix royale pour le solaire. Les cellules photovoltaïques (convertissant la lumière en électricité) les moins chères et les plus pratiques, au silicium amorphe n’ont un rendement d’environ 7%, les cellules au silicium cristallin environ 16 %. Il faut aussi mentionner que, pour compenser son coût énergétique de fabrication, une cellule photoélectrique doit fonctionner pendant trois ans. Le développement du solaire implique une augmentation du rendement des cellules photoélectriques –au-delà de 25%- et une baisse du coût de fabrication. La recherche en ce domaine est très active et de nombreuses solutions sont envisagées, entre autre : amélioration des cellules en silicium amorphe, autres métaux (CGIS –cuivre, gallium indium, sélénium), matériaux organiques association de concentration de lumière et de cellules, captation des rayonnements infra-rouge), cellules à jonction…

En France le CEA est très actif en ce domaine, mais aussi d’autres structures l’IRDEP par exemple, associant EDF, CNRS et écoles de chimie. Elles doivent être encouragées à s’associer très tôt avec des industriels afin d’éviter le développement parasitaire de recherches appliquées non applicables, tout en explorant diverses voies en s’assurant le plus tôt possible de leur faisabilité industrielle. L’obtention industrielle de cellules adaptées à une production solaire intensive nécessite encore des innovations importantes, mais le défi technologique paraît raisonnable : des cellules très performantes existent déjà et sont employées dans l’industrie spatiale, à un coût pour l’instant encore prohibitif. Des progrès incessants sont en cours qui devraient aboutir à des solutions satisfaisantes dans dix ou vingt ans.

Le problème du stockage

Une fois réalisés les progrès indispensables dans la captation de l’énergie solaire, le grand problème sera celui du stockage de l’électricité produite. Le seuil de 20% d’énergies renouvelables en 2020 est intéressant car il rendra vraiment indispensable le stockage des surplus de production.

Or le seul moyen existant actuellement consiste à faire fonctionner des barrages hydroélectriques à l’envers, en pompant l’eau. C’est ainsi que l’énergie verte produite en Allemagne est stockée dans des barrages norvégiens. C’est un peu baroque, pas très efficace et surtout très limité ; le grand défi du photovoltaïque, ce n’est pas tant la production que le stockage, et là les barrières technologiques sont importantes et, à vrai dire, aucune solution n’est clairement identifiée, même si de nombreuses pistes existent.

Le stockage dans des batteries exige le développement de nouveaux matériaux et de nouveaux types de batterie de haute énergie, posant d’importants problèmes de sécurité et de capacité…on ne sait toujours pas pour l’instant produire des batteries donnant à une automobile une autonomie équivalente à celle du pétrole. On ne sait pas non plus conserver de l’énergie dans des batteries pour une longue durée. C’est pourtant un domaine de recherche dynamique, dans lequel de nouvelles technologies apparaissent, tels les batteries à métaux liquides et sels fondus. Le développement de nouvelles batteries constitue un élément important dans le développement de l’énergie photovoltaïque – mais sûrement pas la solution unique

L’économie de l’hydrogène, solution au stockage

La voie la plus prometteuse consisterait à stocker l’énergie solaire sous forme chimique, l’hydrogène constituant le candidat le plus évident : c’est la fameuse « économie de l’hydrogène » qui impliquerait une transformation complète de nos circuits énergétiques, mais qui pour le coup, permettait une souplesse d’utilisation équivalente à celles du gaz et du pétrole et un stockage long – le tout quasiment sans effet de serre. Cette filière hydrogène a été dans le passé peut être trop promue, pour de mauvaises raisons – par exemple en faveur d’un choix « tout-électrique/ tout nucléaire »; mais on prendrait probablement peu de risques à prédire un envol éclatant comme solution très pratique pour le stockage et l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque. La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau à haute température ou par cycle thermochimique (il existe un procédé Westinghouse très simple basé sur le soufre) ne pose pas de problème théorique, ne nécessite aucun progrès fondamental, mais seulement un problème de passage à la production industrielle avec amélioration du rendement et des capacités de recyclage. Reste aussi à mettre en place le stockage de l’hydrogène (de multiples solutions sont envisageables, qu’il faudra évaluer, choisir et développer industriellement : stockage sous pression, liquide - avec ses problèmes de sécurité, sous forme d’hydrures, dans des matériaux spécifiques nanotubes de carbone. A mettre en place aussi les circuits de distribution et d’utilisation de l’hydrogène liquide avec de fortes exigences de sécurité, de normalisation et de réglementations sans lesquelles l’utilisation massive de l’hydrogène ne sera pas acceptable. En Europe, l’Islande, qui est en avance sur la filière hydrogène, a ainsi créé une institution (Icelandic New Energy) dédiée à l’introduction de l’hydrogène dans l’économie ; dans une dizaine de ville, dont Amsterdam et Reykjavik circulent des bus alimentés en hydrogène, même si la propulsion automobile ne sera peut être pas l’essentiel de l’utilisation de l’hydrogène

Dans un domaine plus fondamental, on continue à explorer la production directe d’hydrogène à partir de systèmes biologiques (algues par exemples) ou de système chimiques biomimétiques. L’importance que pourraient prendre ces solutions est imprévisible.

On peut estimer que le développement de solutions technologiques complètes pour le stockage de l’énergie solaire prendra plus de cinquante ans.

Les biocarburants

En ce qui concerne la propulsion automobile ou aéronautique, les biocarburants joueront un rôle important. Les biocarburants actuels ne sont guère satisfaisants : Il faut dépenser 1l de carburant fossile pour produire 1.5 l de bioéthanol ou 2 l d’ester de colza et l’immensité des terres à cultiver pour une utilisation de masse rendrait impossible d’assurer l’alimentation humaine. Des solutions plus attractives (biocarburant de deuxième génération) sont en cours de développement et devraient aboutir à des productions industrielles importantes et économiquement et écologiquement satisfaisantes assez rapidement (10-20 ans) : valorisation de la biomasse totale (notamment résidus des cultures alimentaires, dégradations des pailles et des celluloses - en France un essai à Bures doit démarrer- qui incidemment, repose sur l’adjonction d’hydrogène mais bien d’autres techniques sont envisageables et doivent être étudiés et ). Surtout, et l’on parle parfois de troisième génération, des algues sont capables de produire des substituts du pétrole avec un haut rendement – il s’agira là au fond d’une autre forme d’utilisation de l’énergie solaire. La technologie devra être considérablement améliorée, probablement par l’utilisation des techniques de génie génétique, mais des installations expérimentales existent déjà, notamment au Nouveau Mexique ou dans le désert du Néguev. La société américaine Joule Unlimited prévoit de produire dès 2012 du biocarburant en utilisant une cyanobactérie modifiée.

Le développement prévisible des biocarburants rend assez incertain le futur de la voiture électrique, du moins sous forme massive ; d’autant que des progrès peuvent encore améliorer considérablement le rendement des moteurs thermiques ( La Recherche, août 2021 , p.55)

Ces solutions (deuxième ou troisième génération) ne pourront pas être économiquement rentables tant que les combustibles fossiles n’augmenteront pas significativement ; le développement de ces filières devra donc être soutenu. C’est légitime, car elles permettront à des pays comme la France une réduction de sa facture de dépendance énergétique…et ils sont indispensables à l’avenir.

Cependant, aux prix actuel des combustibles fossiles, il existe probablement un effet d’aubaine fort pour des pays qui continueront à utiliser massivement les combustibles fossiles et profiteront ensuite des recherches menées par d’autres pour les remplacer : un problème intéressant pour les économistes et les adeptes de la régulation internationale…

Pour une politique énergétique : débats et décisions

Le défi énergétique est immense et il va s’imposer à nous rapidement. Très vite, les ressources fossiles (gaz, pétrole mais aussi charbon) ne suffiront plus à la consommation énergétique et devront être réservées à des usages élaborés et recyclables ( synthèse chimique).Dans le siècle qui vient, la solution passe par le développement du nucléaire. Progressivement, le solaire et les biocarburants prendront une place importante ; à terme, la seule énergie durable est le solaire. L’impératif de stockage imposera un bouleversement complet de l’économie de l’énergie, de l’industrie, de nos sociétés, en les orientant probablement vers une économie de l’hydrogène. Ces transformations progressives exigeront probablement près d’un siècle.

Une politique énergétique est donc indispensable. Elle passe d’abord par la mobilisation de la communauté scientifique. L’Académie des Sciences pourrait être chargé d’organiser une vaste consultation sur les solutions techniques possibles, les recherches à mener, la priorité à leur accorder (et notamment la place d’Iter…), les possibilités, délais et conditions d’industrialisation des différentes filières, les effets sur l’économie et la société des choix possibles. Cette consultation devra nourrir le débat public et se confronter notamment aux choix des citoyens ; les scientifiques ne peuvent ignorer leur responsabilité de vulgarisation et d’expertise citoyenne. Elle devra également être régulièrement reprise en fonction des progrès scientifiques et techniques.

En ce qui concerne les décisions politiques proprement dites, le rapport Bataille-Biraux de mars 2009 proposait des pistes qui n’ont pas été suffisamment exploitées :1) la création d’un « Haut commissaire à l’énergie », en mesure d’orienter la recherche en énergie dans la perspective plus générale de la politique de l’énergie donc dépasser le Commissaire à l’énergie atomique » ; 2) la nomination de « coordinateurs » désignés officiellement parmi les partenaires des programmes relevant d’une priorité de recherche. Ils peuvent et doivent décider face à une difficulté tactique survenue au cours de la recherche et ont la responsabilité de rendre compte aux autorités de l’État ; 3) la mise en place d’une « Commission

nationale d’évaluation » en charge de la recherche sur les nouvelles technologies de l’énergie, sur le modèle de celle déjà à l’oeuvre depuis près de deux décennies dans le domaine de la recherche sur les déchets radioactifs.

A l’échelon européen, il serait souhaitable qu’il y ait a minima une évaluation et une coordination des programmes de recherche. Enfin les subventions pour permettre le développement industriel des pays de l’ex-Europe de l’est doivent impérativement porter en priorité sur la transition énergétique, et donc la diminution des ressources non renouvelables et à fort effet de serre ( pétrole, charbon – à titre d’exemple, plus de 90% de l’électricité polonaise vient du charbon) : développer des industries basées sur une structure énergétique pathologique en terme de durabilité ou d’effet de serre serait contreproductif. Ainsi la Pologne doit être soutenue dans son effort d’équipement en centrales nucléaires.