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 la personne à qui vous posez la question, il est impossible de se débarrasser de la dépendance aux combustibles fossiles, ou les énergies renouvelables vont prendre le relais à un rythme effréné. La réalité est bien entendu 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, plus important encore, quels changements économiques ou technologiques rendront un scénario plus probable que l'autre.

Où sommes-nous?

S’il existe jusqu’à présent une tendance à l’augmentation de notre consommation d’énergie, c’est que de nouvelles sources d’énergie ont tendance à être ajoutées à notre mix énergétique, plutôt que de remplacer les précédentes.

Par exemple, nous utilisons toujours autant, sinon plus, de biomasse (principalement du bois) que dans les années 1800, avant la révolution industrielle. De même, la consommation de charbon n’a pour l’essentiel augmenté qu’au fil du temps, auxquels se sont ajoutés le pétrole, le gaz, puis l’hydroélectricité, le nucléaire et les énergies renouvelables.

Source: NotreMondeEnDonnées

Cela pourrait surprendre, compte tenu des progrès apparemment réalisés dans notre production d’électricité grâce aux énergies renouvelables. Cela est dû à plusieurs causes :

• La Chine, leader en matière de nouvelles capacités de production d’énergies renouvelables et de transition vers les véhicules électriques, est également leader en matière de construction de centrales à charbon.
• La majeure partie de la consommation d’énergie primaire n’est pas utilisée pour produire de l’électricité. Au lieu de cela, la majeure partie de notre consommation d’énergie provient de la mobilité, du chauffage et des utilisations industrielles comme la production d’acier et la pétrochimie (production d’engrais, de plastiques, de produits pharmaceutiques, chimiques, etc.).
• La croissance démographique et le fait que des milliards de personnes sortent de l’extrême pauvreté ont entraîné une consommation d’énergie croissante, l’option disponible la moins chère étant souvent le charbon. Ainsi qu’une consommation accrue de viande, de la climatisation, des voitures, des voyages en avion, etc.
• Mondialisation de l’économie, entraînant une augmentation considérable du transport de marchandises, notamment de multiples allers-retours de matières premières, de pièces semi-transformées et de produits finis.
• L’industrialisation de l’agriculture, augmentant les rendements et réduisant la main-d’œuvre nécessaire, mais aussi stimulant la consommation de combustibles fossiles et d’engrais.

Pour quiconque s’inquiète du changement climatique et des émissions de carbone, cela peut donner lieu à des perspectives déprimantes, les combustibles fossiles étant fermement ancrés dans notre mix énergétique mondial. Mais cela ne représente pas non plus une vision globale.

Le changement en cours

Alors qu'elles n'étaient qu'une belle théorie en 2016, les voitures électriques (VE) représentent désormais une part en croissance exponentielle des ventes mondiales, avec plus de 10 millions de voitures électriques vendues en 2022, soit 14 % des ventes mondiales, la Chine et l'Europe en tête.

Source: AIE

La part des énergies renouvelables (hydroélectricité + solaire + éolien + géothermie) augmente également rapidement. Et même si certains pays figurent depuis longtemps en bonne place sur cette liste, en raison de leurs énormes ressources hydroélectriques (comme la Norvège, le Brésil ou le Canada), c’est vraiment l’énergie solaire et éolienne qui est en train de changer.

Source: Notre monde en données

Un examen par pays montre le point d'inflexion évident en 2010, lorsque les énergies renouvelables ont souvent plus que doublé, généralement entièrement portées par la croissance de la production solaire et éolienne. Par exemple, la Chine et l’Australie :

Source: NotreMondeEnDonnées

Source: NotreMondeEnDonnées

L’un des principaux moteurs de ce changement a été la forte baisse des coûts des énergies renouvelables. Poussé à la fois par l’innovation technologique et par l’intensification de la production industrielle, cela a rendu les énergies renouvelables de plus en plus compétitives. Au moins sur le papier, les énergies renouvelables semblent désormais moins chères que les combustibles fossiles (plus d'informations à ce sujet ci-dessous), comme le montre l'IRENA (Agence internationale pour les énergies renouvelables).

Source : IRENA

Les défis

Ces dernières années, une situation étrange a commencé à émerger. La baisse rapide des coûts des énergies renouvelables a convaincu de nombreuses personnes que les combustibles fossiles allaient bientôt suivre le chemin des dodos.

Source: Gazouillement/X

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

Et cette même inflation a gravement nui à la rentabilité des projets renouvelables prévus. Annulation massive de projets éoliens offshore, effondrement du cours des actions des sociétés solaires et éoliennes, cette période a été douloureuse. Vous pouvez en savoir plus sur ce qui se passe dans notre article «Le krach des énergies renouvelables de 2023" .

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

Intermittence des énergies renouvelables

Un problème clé qu’il faudra résoudre est celui du stockage de l’énergie. La production d’énergie éolienne et solaire dépend des conditions météorologiques et peut être temporairement déconnectée de la demande. C’est un enjeu pour un réseau électrique nécessitant une production « juste à temps » et un parfait équilibre instantané entre production et demande.

Il existe de nombreuses alternatives possibles, mais soit les technologies n’en sont qu’à leurs débuts, soit elles n’ont pas été déployées à grande échelle assez tôt. Cela entraîne un excédent d’énergie le jour et/ou l’été et un déficit la nuit et/ou l’hiver.

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

Et franchement, en admettant également que les coûts « réels » des énergies renouvelables devraient inclure les coûts de stockage de l’énergie. Les énergies renouvelables ne seront peut-être pas encore totalement moins chères que les combustibles fossiles, du moins une fois qu’elles représenteront une part importante de la production électrique du pays.

Le Limitations de batteries

La préoccupation quant à la poursuite de l’adoption des véhicules électriques est due à des limitations technologiques similaires. Alors que les premiers utilisateurs étaient d'accord avec des coûts initiaux plus élevés, une autonomie inférieure ou un temps de charge plus lent que les véhicules ICE (moteur à combustion interne), d'autres acheteurs pourraient ne pas l'être. La pénurie de lithium, qui fait grimper le prix du métal blanc, suscite également certaines inquiétudes.

Heureusement, de nouvelles technologies de batteries arriveront bientôt, des batteries chinoises sodium-ion aux batteries à semi-conducteurs, qui devraient contribuer à réduire les prix des véhicules électriques et à éliminer les préoccupations légitimes telles que l’anxiété liée à l’autonomie ou les risques d’incendie.

Une demande énergétique difficile à modifier

Et puis, une partie de la consommation d’énergie est tout simplement difficile à abandonner des combustibles fossiles. Par exemple, expédition longue distance nécessite toujours un carburant très dense et liquide pour fonctionner. Voler nécessite également une source d’énergie à très haute densité énergétique, que les batteries ne sont pour l'instant pas en mesure de livrer. La majeure partie de la production de plastique repose sur le pétrole, les engrais sur le gaz et l’acier sur le charbon à coke.

Là aussi, des solutions existent, mais il s’agit de technologies peu matures et loin d’être déployées à l’échelle mondiale.

Technologies qui changent la donne

Les changements probables dans la donne

De nombreuses solutions sont déjà disponibles pour contribuer à relancer la croissance des énergies renouvelables et des technologies à faibles émissions de carbone.

Innovation nucléaire

Encore controversée, l’énergie nucléaire n’en reste pas moins une technologie bas carbone cela pourrait être nécessaire pour combler le fossé vers un avenir axé sur les énergies renouvelables.

Les petits réacteurs nucléaires (PRM) sont un autre secteur qui a récemment souffert d'une crise. mauvaise nouvelle en raison de la hausse des coûts, liée à l'inflation mondiale. Quoi qu’il en soit, la technologie nucléaire connaît une renaissance, avec de nouvelles conceptions plus sûres basées sur des réacteurs plus petits (SMR et micro-réacteurs), ou encore de nouveaux carburants comme thorium. Pendant ce temps, La Chine construit 24 nouveaux grands réacteurs nucléaires, et planifier un total d'autant comme 150 réacteurs.

De meilleures énergies renouvelables

La baisse des coûts par rapport aux combustibles fossiles restera probablement une tendance durable. Cela est particulièrement vrai pour le solaire, avec des innovations comme cellules solaires à couches minces ou cellules solaires de 3ème génération (silicium amorphe, polymères organiques ou cristaux de pérovskite).

Les projets de batteries à grande échelle seront également utiles, avec plus du triple de la capacité actuelle d’ici 2025.

Source: EIA

Piles à semi-conducteurs

Tous ceux qui travaillent sur la technologie des batteries savent que les batteries à semi-conducteurs, qui ne nécessitent pas les électrolytes liquides des batteries au lithium actuelles, vont changer la donne. Et de nombreuses entreprises envisagent de lancer leur propre version de batteries à semi-conducteurs dès 2026-2029. Cela inclut QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) et Samsung SDI (006400.KS). Alors que Tesla (TSLA) travaille sur sa propre alternative aux batteries à semi-conducteurs.

Le changeur de jeu spéculatif

Certaines autres technologies sont moins matures, mais encore plus prometteuses et permettront probablement d’obtenir notre énergie en 2040-2050 et au-delà.

Surgénérateurs nucléaires

Les déchets nucléaires constituent une grande préoccupation des centrales nucléaires. Surgénérateurs (ou « surgénérateurs ») peuvent consommer ces déchets nucléaires et les reconvertir en électricité et en combustible nucléaire. Cela pourrait à la fois rendre le combustible nucléaire disponible pratiquement illimité et réduire considérablement le problème des déchets nucléaires. Un bonus, c'est que cette technologie n'est pas vraiment nouvelle, tel qu'il a été utilisé par la France jusqu'en 1997, ce n’est donc que spéculatif en raison des difficultés politiques entourant l’énergie nucléaire.

Solaire spatial

Produire de l'énergie solaire depuis l'orbite résoudrait d'un coup tous les problèmes liés à l'énergie solaire : pas d'intermittence, pas de nuages, pas de baisse de production en hiver. Avec l'Internet spatial, devenu une réalité. Starlink, ce n’est pas aussi étrange qu’il y paraît.

C’est quelque chose que nous avons étudié plus en détail dans notre article «De la science-fiction à Sky-High : les panneaux solaires en orbite sont-ils une bonne idée ? »

géothermie

L’énergie géothermique est une source d’énergie renouvelable jusqu’à présent largement négligée et capable de fournir une énergie de base 24 heures sur 7 et XNUMX jours sur XNUMX. Cela est enfin en train de changer, avec des sociétés comme Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA), Et Savourer. Ironiquement, ces sociétés réutilisent les progrès réalisés en matière de forage et de fracturation hydraulique 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).

Combustibles synthétiques

L’énergie produite à partir de sources renouvelables (ou même nucléaires) pourrait être utilisée pour synthétiser des combustibles gazeux ou liquides. Ceci comprend Hydrogénation, ammoniac, le gaz de synthèse, or carburants synthétiques.

Une autre option pour les carburants synthétiques pourrait consister à exploiter la biologie et à utiliser des microalgues pour générer des biocarburants (voir «Biocarburant algal : la prochaine révolution énergétique ?») ou des bio-fermenteurs pour produire biogaz et biométhane à partir de déchets de matière organique.

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

Fusion

L’énergie de fusion vise à créer de l’énergie en fusionnant des éléments légers comme l’hydrogène, recréant ainsi sur Terre le processus qui alimente le Soleil lui-même. Avec des températures allant de plusieurs millions à plusieurs centaines de millions de degrés, il s’agit d’un immense défi technologique.

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

Le plus grand projet de fusion est le consortium international de recherche ITER(la prise en charge de nombreuses startups poursuivant également le rêve de la fusion nucléaire, notamment Hélion, Fusion générale, Fusion du Commonwealth, Technologies Thé, ZAP Énergie, et NÉO Fusion (financé par le fabricant chinois de véhicules électriques Nio).

Le(s) mix énergétique(s) du futur

Bien que probablement prometteurs à long terme, nous examinerons principalement les mix énergétiques possibles sans aucun des « changeurs spéculatifs » évoqués ci-dessus, à l’horizon 2040.

L’EIA (Energy Information Administration) a publié plusieurs scénarios, en fonction de la croissance économique et de l’adoption ou non de technologies bas carbone.

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

Source: EIA

Comme d'habitude

Il s’agit d’un scénario déprimant pour quiconque s’intéresse au 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.

C’est loin d’être impossible, comme l’illustre le récent retour de l’Allemagne au charbon, alors que le pays était auparavant largement considéré comme un champion des énergies renouvelables et de la transition énergétique.

La route de la haute technologie

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

Il s’agit d’un scénario dans lequel la production d’électricité à partir de combustibles fossiles est soit tarifée par de meilleures alternatives, soit carrément interdite par la loi.

C’est également un scénario dans lequel les véhicules électriques continuent d’être adoptés rapidement, probablement grâce aux nouvelles technologies de batteries.

Alors que le nucléaire produit de l’électricité de base et des capacités hivernales, les énergies renouvelables peuvent gérer la production excédentaire de combustibles liquides afin de décarboniser l’aviation, le transport maritime et l’industrie lourde.

La route de la basse consommation

Compte tenu de la soif d’énergie des pays en développement, notamment de la Chine, mais aussi de l’Amérique du Sud, de l’Afrique, de l’Inde et de l’Indonésie, ce scénario ne semble pas très probable.

D’une manière ou d’une autre, cela impliquerait de « choisir » une véritable décroissance, et probablement en moyenne une baisse du niveau de vie, avec notamment une diminution des voyages et du commerce international. L’agriculture se désindustrialise dans une certaine mesure, l’activité industrielle décline et les économies globales deviennent beaucoup plus locales.

Un tel scénario devrait très probablement être envisagé parallèlement à des tensions internationales massives, à une guerre ou à une dépression mondiale, expliquant la diminution soudaine des activités économiques, car un choix volontaire de baisse de production semble peu probable dans les pays démocratiques et autocratiques.

Le scénario de la confusion

Il s’agit d’un scénario où tout se passe en même temps. Les énergies fossiles sont en léger déclin, mais ne sont pas totalement éliminées. Le charbon est globalement en voie d’élimination, mais pas autant le pétrole et le gaz. Certains pays misent sur le nucléaire, d’autres sur les énergies renouvelables, d’autres encore continuent de faire comme si de rien n’était.

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 zéro net envisagé par le GIEC pour empêcher les températures mondiales d’augmenter trop.

Ce n’est pas très différent des scénarios d’EIA mentionnés ci-dessus. Plus tard, le captage du carbone pourrait être déployé pour accélérer la décarbonation et inverser certaines des émissions passées.

Le scénario révolutionnaire

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

Il pourrait s’agir d’un déclin drastique des infrastructures solaires orbitales suite à une nouvelle course à l’espace entre SpaceX et les entreprises chinoises.

Soit un énorme succès pour ITER lors de son lancement en 2025-2026.

Ou de nouvelles conceptions révolutionnaires dans le domaine de la technologie solaire et des batteries.

De tels changements sont par nature presque impossibles à prévoir ou à quantifier. Mais il ne faut pas non plus les écarter complètement.