Eléments de base sur l’énergie au XXIe siècle – Partie I.1 : du Big Bang à nos jours – L’énergie, notions de base et ordres de grandeur – Cours de Jean-Marc JANCOVICI 2019 Mines Paris Tech.

Partie I-1 – Notions de base et ordres de grandeur

Qu’est-ce que l’énergie ?

L’énergie représente 5% du PIB mondial, mais ces 5% sont indispensables aux 95% restants.

Sur le plan qualitatif, l’énergie correspond à la capacité à modifier et à maîtriser son environnement. On peut aussi la définir comme une grandeur physique qui quantifie le changement d’état d’un système. Il peut s’agir de sa température, sa vitesse, sa forme, sa composition chimique, sa position dans un champ magnétique, électrique ou gravitationnel…

Actuellement, nous vivons dans un monde d’abondance énergétique croissante non d’économie d’énergie.

L’énergie, ses lois et leurs conséquences

L’énergie répond à des lois immuables. La première loi cardinale est le premier principe de la thermodynamique ou la loi de conservation de l’énergie. Elle contraint les hommes à extraire de l’environnement une énergie qui existe déjà avant de s’en servir.

Une énergie qui se trouve dans l’environnement s’appelle une énergie primaire. L’énergie finale est l’énergie qui passe dans le compteur du consommateur. Entre les deux se trouve le système énergétique. Par exemple, l’hydrogène n’étant présente sur terre qu’à l’état lié, notamment dans la molécule d’eau. Elle n’est pas une énergie primaire. Son utilisation nécessite d’électrolyser de l’eau grâce à une autre énergie.

La seule énergie que les hommes peuvent convertir directement est la nourriture grâce à leur corps. Ils ont ensuite utilisé d’autres convertisseurs : les animaux de trait, les moulins à vent et à eau.

Il y a trois siècles environ, l’énergie était intégralement renouvelable, dans un monde où : 

  • la population totale était d’un demi-milliard d’habitants,
  • l’espérance de vie était de 30 ans,
  • les 2/3 de la population était aux champs.

Les étapes de la transition énergétique

Il y a 500 000 ans, les hommes n’utilisaient que leur énergie corporelle. Dans l’Antiquité, ils ont domestiqué les énergies renouvelables que sont le vent, le soleil, la force motrice de l’eau, la traction animale, parfois certaines énergies fossiles. Enfin, l’ère moderne correspond à la généralisation de la domestication des énergies fossiles et à un changement d’ordre de grandeur de la consommation énergétique mondiale.

De nouveaux convertisseurs ont été inventés il y a environ deux siècles : les machines en métal alimentées par des combustibles fossiles. Elles occupent depuis une place centrale dans nos vies.

Des gestes anodins de notre vie, tels qu’enfiler un vêtement, mobilise : 

  • des machines agricoles pour cultiver et récolter le coton ou le lin, l’industrie pétrolière pour fabriquer les fibres synthétiques,
  • des machines qui tissent les fibres,
  • des machines qui teignent le tissu,
  • des machines qui transportent les produits du lieu de fabrication à celui de consommation.

De tels inventaires peuvent être dressés lorsqu’on se lave les dents où que l’on utilise son téléphone portable.

Toutes les machines sans exception utilisent de l’énergie. Un monde sans énergie serait un monde sans transports, sans banques, sans hôpitaux, sans réseaux de communication, un monde dans lequel on mourrait de faim et où l’on s’entretuerait.

Unités, chiffres et ordres de grandeurs

L’énergie est mesurée en Joules dans le système international, mais on utilise aussi : 

  • Le kilowatt heure (kWh) :
    • 1kWh = 3,6 MJ
    • 1 litre de pétrole produit 10 kWh thermiques transformables en 2 à 4 kWh mécaniques,
    • un Français utilise en moyenne 60 000 kWh par an, en comptant l’énergie qu’il utilise indirectement partout dans le monde pour ses activités.
  • La tonne équivalent pétrole : énergie libérée par 1 tonne de pétrole de qualité moyenne.
  • Une unité parlante mais peu académique est l’équivalent esclave : 1EE = 100 kWh par an. Pour le déterminer on considère qu’il correspond au travail humain nécessaire pour : 
  • monter un dénivelé de 2000 m (6,3 fois la tour Eiffel) à pied soit 0,5 kWh. Cet effort réalisé un jour sur deux pendant un an correspond à une énergie annuelle de l’ordre de 100 kWh,
  • extraire 6 m3,15 tonnes, de terre en un jour à une profondeur de 1 m soit 0,05 kWh. Cet effort réalisé un jour sur deux pendant un an correspond à une énergie annuelle de l’ordre de 10 kWh, Ainsi 1 litre de pétrole fournit la même quantité de travail que 10 à 200 jours d’un être humain qui utilise ses bras ou ses jambes.

Sur le plan du coût : 

  • 1 kWh payé au SMIC coûte environ 200 €, 
  • 1 KWh produit avec du pétrole coûte de 0,4 à 0,8 centimes (hors coût de la machine qui l’utilise).

Les machines produisent à un coût incomparablement plus bas que toute forme de travail humain. Cette réalité a conduit à mécaniser tout ce qu’on peut dès qu’on le peut. Le coût du travail des machines est même inférieur au coût du travail d’un esclave qu’on peut estimer entre 4 et 40 € par kWh. On peut à ce titre affirmer que le pétrole a libéré les esclaves.

Choisir son énergie

Toute énergie est sale à partir d’un certain niveau d’utilisation. Autrement dit, une énergie propre est une énergie utilisée de façon suffisamment minime pour que ses inconvénients soient faibles. Choisir son énergie c’est choisir des avantages et des contreparties.

Prix, disponibilité et concentration d’une énergie

L’énergie est gratuite. Personne n’a jamais rien payé pour que le vent, le soleil, le charbon et le pétrole existent. Ce qui est payant, c’est le consentement à s’en défaire de celui qui possède de l’énergie et le travail nécessaire pour l’extraire. Lorsqu’on paie de l’énergie, on ne paie que les hommes c’est-à-dire le travail et les rentes.

Le prix d’une énergie ne dépend pas de son abondance mais de sa concentration et du nombre de barrières qui nous séparent d’elle. Ainsi :

  • plus une énergie est concentrée et facile d’accès, plus son coût est faible, 
  • plus une énergie est diffuse et difficile d’accès, plus elle est chère. 

Le pétrole est une énergie hyper concentrée et accessible, le vent une énergie diffuse et difficile à extraire : 

  • l’énergie produite par 1000 m3 d’air à 80 km/h est égale à celle produite par 3 ml de pétrole,
  • 1 kWh d’énergie éolienne coute 6 à 8 centimes, qu’il faut multiplier par un facteur de 3 à 6 pour le stockage, afin d’avoir une énergie disponible lorsqu’il n’y a pas de vent. Ces prix correspondent en outre à une énergie produite par des éoliennes dont chaque étape de la fabrication utilise des énergies fossiles : extraction et travail des métaux, production et utilisation de béton, transport des marchandises et des produits. Le kWh éolien serait beaucoup plus cher si seule l’énergie éolienne était utilisée pour construire les éoliennes,
  • 1 kWh produit avec du pétrole, déjà stocké du fait de sa nature, coute 0,3 centimes.

Ces considérations relatives à la concentration et à la disponibilité des énergies ont fait passer l’humanité des énergies renouvelables aux énergies fossiles, de la marine à voile à la marine à vapeur, du cheval au camion, des bêtes de trait au tracteur. Ce choix a permis de produire et d’accumuler plus vite des richesses. Faire le chemin inverse c’est-à-dire passer des énergies fossiles, bon marché car concentrées et accessibles, aux énergies renouvelables, chères car diffuses et difficiles à extraire, ne pourra pas se faire sans toucher au niveau de vie.

Différentes énergies primaires

Le bois : il y a 150 ans, l’humanité utilisait le bois pour la métallurgie et les machines à vapeurs. En 1860, un humain consommait 5000 kWh de bois par an. Puis la part du bois a diminué au profit du charbon.

Le charbon : Chaque humain sur terre consomme en moyenne 5000 kWh de charbon par an. Ce chiffre ne montre aucune tendance à la baisse. Le charbon n’a jamais été une énergie du passé. 66% de sa consommation sont destinés à la production électrique, 10 % à la métallurgie, le reste à la production d’énergie thermique. La Chine consomme 50% de la production mondiale de charbon : made in China signifie made in charbon.

Aujourd’hui, le charbon produit dans le monde 2000 GW électriques soit environ 30 fois la production des centrales nucléaires françaises qui est de 60 GW. Le respect des accords de Paris pour limiter le réchauffement climatique à 2 °C suppose l’arrêt de ces centrales au charbon d’ici 30 ans.

Le pétrole : la consommation de pétrole s’est ajoutée à celle du charbon, sans s’y substituer. Le pétrole présente l’énorme avantage de pouvoir être stocké et transporté facilement. Grace à l’autonomie de déplacement qu’il permet, le moteur à essence à été préféré au moteur électrique pourtant plus performant. A la suite des chocs pétroliers sa consommation en forte croissance s’est stabilisée et le monde a cessé son expansion économique.

Les autres énergies : Les hommes ont ensuite utilisé le gaz, l’hydroélectricité, le nucléaire, et les énergies renouvelables. Chacune d’elles s’est ajoutée aux précédentes sans les remplacer.

Le graphique ci-dessous décrit l’évolution de la consommation des énergies de différentes natures. Le charbon, le pétrole et le gaz sont les énergies qui induisent un rejet net de carbone.

EvolutionSourcesEnergie- 1

Rapport entre l’énergie produite par les machines et l’énergie humaine

Disposer d’une puissance productive sans commune mesure avec notre puissance musculaire nous conduit à utiliser en permanence des prothèses : voitures, avions, métros … constituant notre énorme exosquelette.

Aujourd’hui chaque humain sur Terre mobilise en moyenne, au travers de l’énorme exosquelette industriel, 20 000 kWh exprimée en énergie thermique soit 200 équivalant esclaves. Ces chiffres sont à multiplier par 3 pour les pays occidentaux et notamment la France. Cela équivaut à dire que :

  • le parc de machines sur le globe conduit à multiplier notre force musculaire par environ 200,
  • la production matérielle de 7 milliards d’humains que nous sommes avec des machines est équivalente à ce que serait la production de 1400 milliards d’humains sans machine. 

L’essentiel de l’énergie utilisée par les machines est fossile.

Si le rapport entre l’énergie des machines et celle des hommes se répercutait dans les comptes des entreprises, le coût de l’énergie devrait être 200 fois celui du travail humain. Ce n’est pas le cas car les hommes ne servent plus qu’à piloter les machines de production.

La libération des sols

Un autre avantage des énergies fossiles consiste dans la libération des sols, leur extraction étant souterraine. Les énergies renouvelables, au contraire, exigent de grandes surfaces pour cultiver la nourriture des bêtes de trait et les végétaux destinés à la production d’énergie, accueillir des champs de panneaux solaires … et conduisent à des conflits d’usage entre les occupations destinées à la production d’énergie et celles destinées à l’alimentation humaine, à l’habitat, au maintien de la biodiversité…

Répartition de notre consommation d’énergie aujourd’hui

Au niveau mondial, entre 2000 et 2017, les énergies qui ont le plus augmenté sont dans l’ordre le charbon, le pétrole et le gaz. L’utilisation du charbon a augmenté 6 fois plus vite que le solaire. 

La consommation énergétique mondiale est aujourd’hui constituée à plus de 85% d’énergies fossiles, selon les chiffres de 2017 :

  • pétrole : 34,2%,
  • charbon : 27,6%,
  • gaz : 23,4%.
  • l’hydraulique : 6,8%,
  • le nucléaire : 4,4%,
  • l’éolien : 1,9 %,
  • la biomasse : 1%,
  • le solaire : 0,7%.

En France, la biomasse et l’hydraulique arrivent en tête des énergies renouvelables, le solaire est marginal. 

Les chiffres datent de 2006 mais les ordres de grandeur restent valables. La consommation énergétique annuelle d’un occidental est de l’ordre de 60 000 kWh d’énergie primaire dont voici un exemple de répartition :

  • chauffage : 18 000 kWh pour 100 m2,
  • voiture : 15000 kWh pour parcourir 15000 km,
  • achats type supermarché : 12100 kWh,
  • un vol transatlantique en 2e classe : 6000 kWh,
  • fabrication d’un ordinateur : 3500 kWh,
  • équipement électroménager complet : 2600 kWh,
  • éclairage du logement : 450 kWh.

La taille du logement et la façon de le chauffer, le moyen de transport ainsi que les achats du quotidien sont prépondérants. Éteindre les lumières et aller au travail en vélo un jour par an restent des gestes symboliques.

Énergie et population mondiale

L’augmentation de la consommation énergétique individuelle s’est combinée avec la hausse vertigineuse de la population mondiale qui était de :

  • 0,005 milliard en 10 000 av JC,
  • 1 milliard en 1800,
  • 7 milliards en 2000.

Une question reste sans réponse : cette augmentation démographique aurait-elle été possible sans une énergie abondante et les progrès techniques qu’elle a permis ? S’il existe un tel lien, il est possible que la population amorce une décroissance avec la raréfaction de l’énergie.

Le prix de l’énergie

Le prix de l’énergie est plus ou moins asservi à celui du pétrole. On pourrait s’attendre à ce que le prix du pétrole augmente à mesure qu’il se raréfie. Or, on constate que sur les 100 dernières années, en dehors des chocs pétroliers, son prix est resté stable en dollars constants. 

Dans les pays occidentaux, ramené au PIB par habitant qui a augmenté de façon considérable, le prix du pétrole a été divisé par 15 à 20. Plus encore, avec l’augmentation de l’efficacité des machines, le prix du kWh mécanique a été divisé par 50 à 100, soit l’ordre de grandeur du gain du passage des énergies renouvelables anciennes aux énergies fossiles. La part du coût de l’énergie rapportée au salaire moyen en France a varié depuis 1960 entre 4,5 et 12%, entre 4,5 et 9% si on exclut les chocs pétroliers. Il s’établit aujourd’hui à 5,5%. L’énergie a rarement représenté une part aussi faible des dépenses des ménages français.

 

Et demain ? Entre 1939 et 2000, la puissance mécanique des machines a été multipliée par 80 et l’énergie consommée par 8. Nous ne connaîtrons pas une telle hausse entre 2000 et 2060. Le monde ne restera pas stable. A nous de décider de tenter ou non de maîtriser le changement qui est inéluctable.

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