Notre futur mix énergétique

Prédire les systèmes énergétiques

Très peu de sujets sont aussi complexes et aussi importants que le futur mix énergétique de notre civilisation. Selon à qui vous demandez, la dépendance aux combustibles fossiles est impossible à éliminer, ou les énergies renouvelables vont prendre le dessus à un rythme effréné. La réalité est bien sûr complexe, et il est très difficile de prédire l’avenir de l’énergie.

Dans cet article, nous examinerons notre situation actuelle, verrons les quelques scénarios possibles, et surtout, quels changements économiques ou technologiques rendront un scénario plus susceptible de se réaliser qu’un autre.

Où nous en sommes

S’il existe jusqu’à présent un schéma dans notre consommation énergétique croissante, c’est que les nouvelles sources d’énergie ont tendance à s’ajouter à notre mix énergétique, plutôt qu’à remplacer les précédentes.

Par exemple, nous utilisons encore autant, voire plus, de biomasse (principalement du bois) qu’au XIXe siècle, avant la Révolution industrielle. De même, la consommation de charbon n’a fait qu’augmenter avec le temps, à laquelle se sont ajoutés le pétrole, le gaz, puis l’hydroélectricité, le nucléaire et les renouvelables.

Source: OurWorldInData

Cela peut surprendre, compte tenu des progrès que les énergies renouvelables semblent avoir réalisés dans notre production d’électricité. Cela est dû à plusieurs causes:

• La Chine, leader de la nouvelle capacité renouvelable et de la transition vers les véhicules électriques, est également leader dans la construction de centrales à charbon.
• La majeure partie de la consommation d’énergie primaire n’est pas utilisée pour produire de l’électricité. Au contraire, la plupart de notre consommation d’énergie provient de la mobilité, du chauffage et d’usages industriels tels que la production d’acier et de produits pétrochimiques (fabrication d’engrais, de plastiques, de produits pharmaceutiques, de produits chimiques, etc.).
• La croissance démographique et le fait que des milliards sortent de la pauvreté extrême ont entraîné une augmentation de la consommation d’énergie, l’option la moins chère étant souvent le charbon. De même, la consommation de viande, la climatisation, les voitures, les voyages en avion, etc., ont augmenté.
• La mondialisation de l’économie, entraînant beaucoup plus de transport de marchandises, y compris de multiples allers‑retours de matières premières, de pièces semi‑transformées et de produits finis.
• L’industrialisation de l’agriculture, qui augmente les rendements et réduit la main‑d’œuvre nécessaire, mais augmente également la consommation de combustibles fossiles et d’engrais.

Pour quiconque se préoccupe du changement climatique et des émissions de carbone, cela peut donner une perspective décourageante, les combustibles fossiles étant fermement ancrés dans notre mix énergétique mondial. Mais ce n’est pas non plus l’ensemble du tableau.

Le changement en cours

Passés d’une simple théorie en 2016, les voitures électriques (VE) sont aujourd’hui une part en croissance exponentielle des ventes mondiales, avec plus de 10 millions de VE vendus en 2022, soit 14 % des ventes mondiales, la Chine et l’Europe étant en tête.

Source: IEA

La part des énergies renouvelables (hydro + solaire + éolien + géothermie) croît également rapidement. Et si certains pays figurent en bonne place depuis longtemps grâce à d’importantes ressources hydroélectriques (comme la Norvège, le Brésil ou le Canada), le solaire + l’éolien sont réellement les moteurs du changement.

Source: Our World In Data

Un examen par pays montre un point d’inflexion clair en 2010, où les renouvelables ont souvent plus que doublé, généralement porté entièrement par la croissance de la production solaire et éolienne. Par exemple, la Chine et l’Australie:

Source: OurWorldInData

Source: OurWorldInData

Un moteur majeur de ce changement a été la forte baisse des coûts des renouvelables. Alimentée à parts égales par l’innovation technologique et la montée en puissance de la production industrielle, cela a rendu les renouvelables de plus en plus compétitives. Au moins sur le papier, les renouvelables semblent désormais moins chères que les combustibles fossiles (plus d’informations ci‑dessous), comme le montre l’IRENA (International Renewable Energy Agency).

Source: IRENA

Les défis

Ces dernières années, une situation étrange a commencé à émerger. La chute rapide des coûts des renouvelables a convaincu de nombreuses personnes que les combustibles fossiles allaient disparaître comme les dodos très bientôt.

Source: Twitter/X

Mais ces dernières années, quelques chocs macroéconomiques ont remis cette idée en question. La guerre en Ukraine a déclenché une inflation massive et a poussé des pays comme l’Allemagne à relancer leur dépendance au charbon.

Et cette même inflation a gravement affecté la rentabilité des projets renouvelables prévus. D’énormes projets éoliens offshore ont été annulés, les cours des actions des entreprises solaires et éoliennes se sont effondrés, ce fut une période douloureuse. Vous pouvez en savoir plus sur ce qui s’est passé dans notre article « The 2023 Renewable Energy Crash ».

Même les ventes de VE sont remises en question, après le report ou l’annulation de la stratégie VE par les grands constructeurs, tels que GM, Ford ou Honda.

Intermittence des renouvelables

Un problème clé à résoudre est le stockage d’énergie. La production d’énergie éolienne et solaire dépend du temps et peut être temporairement déconnectée de la demande. Cela pose problème pour un réseau électrique nécessitant une production « just‑in‑time » et un équilibre instantané parfait entre production et demande.

Il existe de nombreuses alternatives possibles, mais les technologies sont soit en phase de démarrage, soit n’ont pas encore été déployées à grande échelle assez rapidement. Cela conduit à un surplus d’énergie le jour et/ou en été, et à une pénurie la nuit et/ou en hiver.

Le problème n’est pas insoluble mais nécessite des politiques bien coordonnées et davantage d’investissements dans les réseaux électriques.

Et franchement, il faut aussi admettre que les « vrais » coûts des renouvelables devraient inclure les coûts de stockage d’énergie. Les renouvelables ne sont peut‑être pas encore entièrement moins chères que les combustibles fossiles, du moins lorsqu’elles deviendront une part importante de la production électrique du pays.

Les limites des batteries

L’inquiétude quant au maintien du rythme d’adoption des VE provient de limitations technologiques similaires. Si les premiers adoptants acceptaient des coûts initiaux plus élevés, une autonomie moindre ou un temps de charge plus lent que les véhicules à moteur à combustion interne (MCI), d’autres acheteurs pourraient ne pas être d’accord. La pénurie de lithium, qui fait grimper le prix du métal blanc, a également suscité des préoccupations.

Heureusement, de nouvelles technologies de batteries arrivent bientôt, des batteries sodium‑ion chinoises aux batteries à état solide, qui devraient aider à réduire les prix des VE et lever les préoccupations légitimes telles que l’anxiété d’autonomie ou les risques d’incendie.

Demande énergétique difficile à remplacer

De plus, certaines consommations d’énergie sont tout simplement difficiles à remplacer par des sources non fossiles. Par exemple, le transport maritime longue distance nécessite encore un carburant très dense et liquide pour fonctionner. Le transport aérien requiert également une source d’énergie à très haute densité, que les batteries ne peuvent pas encore fournir. La plupart de la production de plastique dépend du pétrole, les engrais du gaz, et l’acier du charbon de cokage.

Des solutions existent également, mais il s’agit de technologies encore immatures et loin d’être déployées à l’échelle mondiale.

Technologies qui changent la donne

Les changements de jeu probables

Plusieurs solutions sont déjà à portée de main pour relancer la croissance des renouvelables et des technologies à faible émission de carbone.

Innovation nucléaire

Toujours controversée, l’énergie nucléaire reste néanmoins une technologie à faible émission de carbone qui pourrait être nécessaire pour combler le fossé vers un avenir dominé par les renouvelables.

Les petits réacteurs nucléaires (SMR) constituent un autre secteur qui a récemment souffert de mauvaises nouvelles en raison de la hausse des coûts, liée à l’inflation mondiale. Mais en tout cas, la technologie nucléaire connaît une renaissance, avec de nouvelles conceptions plus sûres visant des réacteurs plus petits (SMR et micro‑réacteurs), ou même de nouveaux combustibles comme le thorium. Parallèlement, la Chine construit 24 nouveaux grands réacteurs nucléaires, et prévoit un total d’environ 150 réacteurs.

Meilleures renouvelables

La baisse des coûts par rapport aux combustibles fossiles devrait rester une tendance durable. Cela est particulièrement vrai pour le solaire, avec des innovations telles que les cellules solaires à couche mince ou les cellules solaires de 3ᵉ génération (silicium amorphe, polymères organiques ou cristaux de pérovskite).

Les projets de batteries à l’échelle des services publics aideront également, avec plus de triple la capacité actuelle d’ici 2025.

Source: EIA

Batteries à état solide

Tous ceux qui travaillent sur la technologie des batteries savent que les batteries à état solide, ne nécessitant pas les électrolytes liquides des batteries lithium actuelles, seront une révolution. Et de nombreuses entreprises envisagent de lancer leur propre version de batteries à état solide dès 2026‑2029. Cela inclut QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) et Samsung SDI (006400.KS). Tandis que Tesla (TSLA) travaille sur sa propre alternative aux batteries à état solide.

Le changement de jeu spéculatif

D’autres technologies sont moins matures, mais encore plus prometteuses et seront probablement la façon dont nous obtiendrons notre énergie en 2040‑2050 et au-delà.

Surgénérateurs nucléaires

Une grande préoccupation concernant les centrales nucléaires est le déchet nucléaire. Surgénérateurs (ou « breed​ers ») peuvent consommer ces déchets nucléaires et les reconvertir en énergie et combustible nucléaire. Cela pourrait rendre le combustible nucléaire disponible pratiquement illimité, et réduire considérablement le problème des déchets nucléaires. Un avantage est que cette technologie n’est pas vraiment nouvelle, elle a été utilisée par la France jusqu’en 1997, elle n’est donc que spéculative en raison des difficultés politiques entourant le nucléaire.

Solaire spatial

Produire de l’énergie solaire depuis l’orbite résoudrait instantanément tous les problèmes de l’énergie solaire : aucune intermittence, aucun nuage, aucune baisse de production en hiver. Avec l’Internet spatial devenu réalité grâce à Starlink, cela n’est pas aussi farfelu qu’il n’y paraît.

C’est un sujet que nous avons approfondi dans notre article « Du SF au ciel : les panneaux solaires en orbite sont-ils une idée brillante ? ».

Géothermie

Une source d’énergie renouvelable jusqu’ici largement négligée, capable de fournir une puissance de base 24 h/24, est la géothermie. Cela commence enfin à changer, avec des entreprises comme Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA) et Eavor. Ces entreprises, de façon quelque peu ironique, réutilisent les avancées du forage et du fracturation développées par l’industrie pétrolière pour exploiter les sources de chaleur de la Terre. (Nous avons couvert Ormat dans cet article et Vulkan dans celui‑ci).

Carburants synthétiques

L’énergie produite à partir de renouvelables (ou même du nucléaire) pourrait être utilisée pour synthétiser des carburants gazeux ou liquides. Cela inclut l’hydrogène, l’ammoniac, le gaz de synthèse, ou les carburants synthétiques.

Une autre option pour les carburants synthétiques pourrait être d’exploiter la biologie, en utilisant des microalgues pour générer des biocarburants (voir « Biocarburant algal : la prochaine révolution énergétique ? ») ou des bio‑fermenteurs pour produire du biogaz et biométhane à partir de déchets organiques.

Ces carburants pourraient ensuite être utilisés dans les avions, les navires et d’autres applications nécessitant des carburants très denses ou des températures de combustion très élevées (comme la production d’acier).

Fusion

L’énergie de fusion vise à créer de l’énergie en fusionnant des éléments légers comme l’hydrogène, recréant sur Terre le processus qui alimente le Soleil. Avec des températures allant de millions à plusieurs centaines de millions de degrés, c’est un défi technologique immense.

Elle fournirait également une énergie propre, ne produisant ni carbone ni déchets nucléaires, avec un approvisionnement illimité en « carburant », le plus abondant étant l’hydrogène.

Le plus grand projet de fusion est le consortium de recherche international ITER, avec de nombreuses startups qui poursuivent également le rêve de la fusion nucléaire, dont Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, et NEO Fusion (financé par le constructeur chinois de VE Nio).

Le futur mix énergétique

Bien que prometteuses à long terme, nous examinerons principalement les mixes énergétiques possibles sans aucun des « changements de jeu spéculatifs » évoqués ci‑dessus, en nous projetant à l’horizon 2040.

L’EIA (Energy Information Administration) a publié plusieurs scénarios, selon la croissance économique et l’adoption ou non de technologies à faible émission de carbone.

Dans la plupart des cas, la consommation d’énergie devrait continuer à croître, les combustibles fossiles fournissant encore la majeure partie de l’énergie mondiale d’ici 2050. Il s’agit d’une projection si aucune loi ne change et si les investissements dans l’énergie restent conformes à la tendance actuelle.

Source: EIA

Business as usual

C’est un scénario décourageant pour quiconque suit le changement climatique. Il suppose que le charbon, le gaz et le pétrole resteront pendant les deux prochaines décennies la force dominante de notre système énergétique, produisant la majeure partie de notre énergie.

Cela est loin d’être impossible, comme le montre le récent retour de l’Allemagne au charbon, malgré le fait que le pays était auparavant largement considéré comme un champion des renouvelables et de la transition énergétique.

La voie haute technologie

Une autre option consiste à ce que nos sociétés adoptent le changement technologique en matière d’énergie. Cela inclut les renouvelables, mais aussi massivement le nucléaire, probablement à la fois les types conventionnels et les plus petits.

C’est un scénario où la production d’énergie à partir de combustibles fossiles est soit rendue trop chère par de meilleures alternatives, soit interdite purement et simplement par la loi.

C’est également un scénario où les VE continuent d’être adoptés rapidement, probablement grâce aux nouvelles technologies de batteries.

Alors que le nucléaire produit une puissance de base et des capacités hivernales, les renouvelables peuvent gérer le surplus de production pour des carburants liquides afin de décarboniser l’aviation, le transport maritime et l’industrie lourde.

La voie à faible consommation

Compte tenu de la demande énergétique du monde en développement, incluant non seulement la Chine mais aussi l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Inde et l’Indonésie, ce scénario ne semble pas très probable.

D’une certaine manière, cela impliquerait de « choisir » une véritable décroissance, et probablement une baisse moyenne du niveau de vie, avec notamment moins de voyages et de commerce international. L’agriculture se désindustrialisera dans une certaine mesure, l’activité industrielle diminuera, et les économies deviendront globalement beaucoup plus locales.

Un tel scénario devrait très probablement être envisagé parallèlement à d’importantes tensions internationales, une guerre ou une dépression mondiale, expliquant la chute soudaine des activités économiques, car un choix volontaire de production plus faible semble improbable tant dans les pays démocratiques qu’autocratiques.

Le scénario d’ajustement

C’est un scénario où tout se produit simultanément. Les combustibles fossiles sont en légère diminution, mais pas totalement éliminés. Le charbon est globalement en cours de suppression, mais le pétrole et le gaz le sont moins. Certains pays misent sur le nucléaire, d’autres sur les renouvelables, d’autres maintiennent le statu quo.

L’électrification et la décarbonisation se produisent, mais à un rythme plus lent que souhaité. Les émissions de carbone restent dans ce scénario bien au‑dessus du scénario net‑zéro envisagé par le GIEC pour empêcher une trop forte hausse des températures mondiales.

Ce scénario n’est pas très différent des scénarios de l’EIA mentionnés ci‑dessus. Plus tard, la capture du carbone pourrait être déployée pour accélérer la décarbonisation et inverser une partie des émissions passées.

Le scénario de percée

Une percée dans la génération d’énergie est réalisée, permettant une énergie abondante, et la solution peut être rapidement déployée partout dans le monde.

Il pourrait s’agir d’une chute drastique de l’infrastructure solaire orbitale à la suite d’une nouvelle course à l’espace entre SpaceX et les entreprises chinoises.

Ou un succès massif pour ITER lors de son lancement en 2025‑2026.

Ou des conceptions révolutionnaires dans les technologies solaires et de batteries.

De tels changements sont par nature presque impossibles à prévoir ou à quantifier. Mais ils ne doivent pas non plus être totalement écartés.