Auteurs

Bernadette Mérenne-Schoumaker, docteur en sciences géographiques, a toujours partagé son temps entre la recherche et l’enseignement à la fois dans les domaines de la géographie économique et de la didactique de la géographie. Spécialiste des activités économiques et du développement territorial, elle a publié plus de 410 ouvrages et articles, dont Géographie de l’énergie (Belin, 2e éd., 2011), Énergies et minerais (Documentation photographique, 2014), l’Atlas mondial des matières premières (Autrement, 3e éd., 2020). Elle est aujourd’hui professeur ordinaire honoraire à l’université de Liège, donne de nombreuses conférences et formations pédagogiques et collabore avec différents groupes scientifiques belges et internationaux.

Bertrand Barré (1942-2019) était professeur émérite à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires et enseignant à Sciences Po/PSIA, après une longue carrière dans la recherche et l’industrie nucléaires, en France et à l’étranger. Ancien membre de nombreux conseils scientifiques et techniques internationaux, il a notamment publié Faut-il renoncer au nucléaire ? (Le Muscadier, 2013) et Pourquoi le nucléaire (Deboeck, 2017).

Cartographe

Anne Bailly est géographe-cartographe (DEA). Après avoir travaillé en bureau d’études privé puis au ministère de l’Équipement en France puis aux États-Unis pour développer la cartographie dans les études d’aménagement, elle a créé la SARL AEBK, cartes et communication. Depuis vingt-cinq ans au sein de cette structure, elle a participé à de très nombreuses études d’échelle régionale, nationale et internationale en développant l’usage de la cartographie comme média incontournable de compréhension des territoires. Pour l’édition, AEBK a collaboré à de très nombreuses publications, dont, pour les éditions Autrement, l’Atlas du développement durable (2002 et 2003).

Maquette

Conception et réalisation : Agence Twapimoa

Coordination éditoriale : Marion Chatizel ; Anne Lacambre pour cette édition

Relecture-correction : Carol Rouchès

Fabrication : Margot Jourdan

ISBN : 978-2-7467-6054-7

© Autrement, un département de Flammarion, 2021.

87, quai Panhard et Levassor, 75647 Paris Cedex 13

www.autrement.com

Dépôt légal : juin 2021

Dépôt légal des éditions précédentes : © Éditions Autrement, 2007, 2011, 2015, 2017.

Imprimé et relié en mai 2021 par l’imprimerie Pollina, France

Tous droits réservés. Aucun élément de cet ouvrage ne peut être reproduit, sous quelque forme que ce soit, sans l’autorisation expresse de l’éditeur et du propriétaire, les Éditions Autrement.

Atlas des énergies mondiales

Introduction

Quelle énergie demain ?

Un avenir contraint par l’environnement

Qu’est-ce que l’énergie ?

Les sources d’énergie

Vecteurs et réseaux de l’énergie

Électricité et stockage

La consommation d’énergie : croissance et inégalités

Une consommation d’énergie très contrastée selon les ressources

Énergie et développement

Le défi majeur : les changements climatiques

Nuisances, risques et accidents

Les énergies fossiles à un tournant

Le pétrole

Le gaz naturel

Le charbon

Nucléaire et matières fissiles

La grande question des réserves

Une autre question récurrente : les prix de l’énergie

Défis et futurs possibles pour les énergies fossiles

La montée en puissance des énergies renouvelables

La biomasse, entre tradition et usages nouveaux

L’hydraulique

Les énergies solaires

L’énergie éolienne

Géothermie et autres énergies de la mer renouvelables

Défis et futurs possibles pour les énergies renouvelables

Un grand espoir : hydrogène vert et gaz renouvelables

Géopolitique de l’énergie

Enjeux de pouvoir, tensions et conflits

Les grands acteurs de l’énergie

Moyen-Orient, Russie, États-Unis : trois grands producteurs

Chine et Inde : deux consommateurs contrastés

Union européenne : une politique énergétique en chantier (depuis 70 ans…)

L’Afrique subsaharienne : une inconnue énergétique

Le temps de l’action

Atteindre la neutralité carbone d’ici à 2050

Une transition juste

Accroître l’efficacité et la sobriété énergétique

Diversifier les ressources et les approvisionnements

Transports et mobilité

Aménagement du territoire et urbanisme

Modes de consommation

Conclusion générale

Des clés pour se forger une opinion et agir !

Annexes

Bibliographie

Sites Internet

Index

À Bertrand Barré qui a initié cet atlas, étant l’auteur de la première édition et qui a été un coauteur ouvert aux remarques et suggestions et un guide précieux en particulier pour les aspects technologiques lors des éditions suivantes.

En espérant, par la refonte du plan et de la plupart des textes de cette cinquième édition, avoir respecté l’esprit de cet atlas qui a toujours été d’éclairer le plus scientifiquement possible et souvent en quelques mots tous les aspects de cette matière formidable que constitue l’énergie.

B. Mérenne-Schoumaker

À mes petits-enfants :
Emma, Louise, Camille, Léa, Charlie-Lou, Oscar, Paul, Gabriel, Éléonore et Adèle Qu’ils trouvent l’énergie d’un développement durable…

B. Barré

INTRODUCTION

Quelle énergie demain ?

En ce début de l’année 2021, les interrogations face au futur énergétique se sont accrues comme celles sur l’avenir de notre monde totalement bouleversé par une pandémie dont on ne voit toujours pas la fin. La plupart des premiers chiffres disponibles pour 2020 montrent de grands bouleversements : réduction des consommations et des investissements dans les énergies fossiles, grandes firmes pétrolières dans la tourmente, essor des énergies renouvelables, baisse des émissions de CO2 de 7 % ... En outre, la neutralité carbone devient un objectif partagé par de nombreux pays (dont récemment la Chine et les États-Unis), ce qui explique l’intérêt croissant pour l’hydrogène ou les systèmes de capture du carbone... 2020 est-elle une année charnière, une année de basculement des systèmes énergétiques ou un simple moment d’arrêt largement lié à la Covid-19 ? Il est bien difficile de répondre mais dans cette cinquième édition, nous avons voulu mettre l’accent sur les nécessaires changements en choisissant un sous-titre permettant d’ouvrir des perspectives pour demain: « Vers un monde plus vert ? »

Nous pensons en effet que le plus grand défi à venir est celui des changements climatiques et, comme le disait déjà B. Barré dans l’édition précédente : « L’énergie est au cœur d’un dilemme crucial : comment permettre le légitime développement de vastes régions du globe sans compromettre l’équilibre climatique qui, depuis le Néolithique, a favorisé ce développement ? » La décarbonation de l’économie est devenue une nécessité. Mais peut-on imaginer la réaliser au départ des seules innovations techniques ? Pour le moment, cela apparaît assez irréaliste. En outre, beaucoup de ces innovations surconsomment les autres ressources de la planète, ressources minières, ressources en eau, ressources en sol… Et la plupart du temps, elles ne favorisent pas une transition juste qui est aussi un des grands défis à mener. Certes, des signes de prise de conscience de l’ampleur des problèmes à résoudre sont manifestes : nous avons tenté de les identifier au même titre que toutes les pistes possibles pour tendre vers une plus grande sobriété.

« L’énergie est au cœur de la vie », disait encore B. Barré. Il faut espérer que la crise que nous venons de traverser permette de revoir nos choix et de les réorienter vers un monde plus viable et plus équitable.

Bernadette Mérenne-Schoumaker

Un avenir contraint par l’environnement

Si l’humanité a toujours été contrainte dans ses choix énergétiques, elle l’est sans doute encore davantage aujourd’hui et ce malgré une diversité croissante des ressources. Se réinterroger sur la notion même d’énergie, sur l’évolution de la consommation au cours du temps par source et surtout par forme éclaire sans aucun doute les grandes questions actuelles, au même titre qu’un parcours à travers les continents, car le modèle de consommation de nos pays occidentaux est loin d’être généralisé et généralisable.

Parallèlement, il faut repenser les liens entre énergie et développement, car il ne peut être question d’imaginer une transition énergétique qui laisse sur le bord du chemin une part non négligeable de la population mondiale.

Toutefois une question majeure semble de plus en plus dominer : celle des impacts environnementaux liés à la fois à la production et aux utilisations des énergies, et plus spécifiquement les émissions des gaz à effet de serre à l’origine des changements climatiques. Réduire drastiquement ces GES devient donc le plus grand défi pour demain.

Qu’est-ce que l’énergie ?

L’énergie, c’est ce qui permet de modifier le monde qui nous entoure : la chaleur peut faire bouillir de l’eau, l’énergie mécanique mettre un véhicule en mouvement, etc. Les lois de l’énergie (thermodynamique) datent du XIXe siècle. Elles concernent la conservation de l’énergie lors des changements d’état d’un système isolé et la dégradation de l’énergie mécanique en chaleur. Nous savons aussi qu’énergie et masse sont deux aspects d’une même propriété de la matière.

Les différentes formes d’énergie

Dans la vie courante, on rencontre l’énergie et on l’utilise sous les formes suivantes :

• mécanique : celle des moteurs, des muscles ;

• calorifique : celle de la chaleur, du chauffage, de la cuisson ;

• cinétique : celle de la voiture, de la balle de tennis, du vent ;

• chimique : celle de la nourriture, des carburants ;

• lumineuse : celle qu’on reçoit du Soleil, celle des lasers ;

• nucléaire : celle des étoiles, des centrales nucléaires.

Il s’agit bien de différentes formes de la même chose. C’est pourquoi on peut passer d’une forme à l’autre. On utilise les mêmes unités pour les mesurer. Par exemple, l’énergie chimique du mélange de l’essence et de l’air se transforme en énergie calorifique dans le cylindre du moteur de voiture, puis en énergie mécanique du piston, ensuite transmise aux roues, et finalement en énergie cinétique de la voiture, tandis qu’une petite partie de l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique dans l’alternateur et en énergie lumineuse dans les phares.

Les unités d’énergie selon les utilisateurs

Les scientifiques utilisent en général deux unités pour mesurer l’énergie. Pour la physique courante, c’est le joule (J), une unité qui mesure le travail nécessaire pour soulever de 10 centimètres une masse de 1 kilo. À l’échelle de l’atome, l’unité d’énergie est l’électronvolt (eV), qui est l’ordre de grandeur des échanges d’énergie entre molécules lors des réactions chimiques. La puissance qui produit un joule en une seconde s’appelle le watt (W). Comme le joule est très petit, on utilise souvent dans la vie courante le kilowattheure (kWh), qui vaut 3,6 millions de joules (il apparaît sur les factures d’électricité).

Les économistes, pour qui le kilowatt-
heure est trop petit, ont inventé une unité plus commode, la tep, tonne d’équivalent pétrole : 1,9 tep représente la consommation moyenne d’énergie par an d’un habitant de notre planète. Pour la consommation d’un pays, on parlera de millions de tep (Mtep), voire de milliards de tep (Gtep).

Transformer les autres sources d’énergie en « équivalent pétrole » comporte un certain degré d’arbitraire. Si cette conversion semble facile pour les autres combustibles, charbon et gaz naturel, elle est moins évidente pour l’électricité des barrages ou des éoliennes ou même pour l’électricité d’origine nucléaire.

Dans cet ouvrage, nous utilisons les coefficients de conversion de l’Agence internationale de l’énergie (AIE). C’est ainsi que l’hydraulique, qui produit plus d’électricité que le nucléaire, est comptabilisée par un chiffre moitié du sien en énergie primaire.

L’énergie diffère selon l’endroit où on la mesure

L’énergie primaire. On appelle énergie primaire celle qu’on recueille ou qu’on récupère directement de la nature : pétrole brut sortant du puits, charbon extrait de la mine, chute d’eau au pied d’un barrage, énergie lumineuse arrivant sur un capteur solaire ou chaleur produite dans le cœur d’une centrale nucléaire.

L’énergie secondaire. Il est rare d’utiliser directement l’énergie primaire. En général, on la convertit en énergie secondaire, électricité ou carburant, dans des raffineries ou des centrales électriques.

L’énergie finale. Mais, primaire ou secondaire, l’énergie doit encore être transportée et distribuée à son utilisateur : on parle alors d’énergie finale. L’énergie finale désigne par exemple l’essence dans le réservoir, le gaz naturel au brûleur de la cuisinière, ou l’électricité à la prise de courant. Dans le bilan mondial de consommation d’énergie finale, 40 % sont consacrés au chauffage (chauffage des locaux et chaleur industrielle), 30 % aux déplacements de toutes natures, 20 % sous forme d’électricité spécifique et 10 % correspondent aux usages non énergétiques (matière première dans d’autres secteurs, par exemple certains produits pétroliers).

Comme on consomme de l’énergie pour les étapes de conversion, de transport et de distribution, l’énergie finale n’est qu’une partie de l’énergie primaire. Sur le plan mondial, toutes énergies confondues, l’énergie finale représente environ 70 % de l’énergie primaire.

L’énergie utile. L’énergie finale n’est pas notre besoin ultime. Le déplacement en voiture, la cuisson des aliments, l’éclairage des pièces et l’alimentation de notre téléviseur constituent l’énergie utile qui n’est qu’une fraction de l’énergie finale.

Les sources d’énergie

Nos lointains ancêtres n’avaient comme source d’énergie que la chaleur solaire directe et les calories de leur nourriture... crue. Puis l’homme a appris à maîtriser le feu et à utiliser le bois qui est resté la source d’énergie principale jusqu’au milieu du XIXe siècle. Le charbon est alors devenu la source prépondérante, avant l’ère du pétrole-roi, presque rejoint aujourd’hui par le gaz. Le nucléaire, bien plus récent, occupe une place modeste.

Les énergies « de stock »

L’essentiel de la consommation mondiale d’énergie est assuré aujourd’hui en puisant dans les stocks non renouvelables de combustibles fossiles, pétrole, charbon et gaz, et de matières fissiles, uranium et thorium. En fait, la planète continue à fabriquer du charbon et des hydrocarbures, mais à un rythme si lent que ce renouvellement est négligeable. L’évaluation de la taille des stocks récupérables est difficile et leur épuisement est inéluctable.

En cherchant plus loin et plus profond, en perfectionnant les technologies d’exploration et d’extraction, on pourra exploiter des ressources moins concentrées, mais à un coût supérieur et avec une dépense d’énergie encore plus grande et un impact environnemental plus important. Les matières fissiles ne sont pas renouvelables, mais elles constituent des stocks d’énergie considérables à l’échelle humaine. Les énergies de stock sont concentrées et utilisables à la demande.

Les énergies de flux

Les énergies de flux se renouvellent spontanément – à l’échelle humaine, en tout cas. Leur source principale est le Soleil, dont on pense qu’il continuera à éclairer et chauffer la planète encore quelques milliards d’années. Il est à l’origine des différentes formes d’énergie solaire, bien sûr, mais aussi de la biomasse et des énergies éolienne, houlomotrice et hydraulique, via la photosynthèse chlorophyllienne, les différences de pression atmosphérique et le cycle évaporation/précipitation de l’eau.

L’énergie des marées vient plutôt de l’attraction de la Lune et l’énergie géothermique provient directement de la radioactivité de la Terre. La biomasse n’est renouvelable qu’en dessous d’un certain rythme d’exploitation, sinon on provoque la déforestation. Toutefois, si le rayonnement solaire, le vent et les marées sont renouvelables et gratuits, les installations qui récupèrent ces énergies ont une durée de vie limitée, de quelques dizaines d’années pour un capteur solaire ou une éolienne à près d’un siècle pour un barrage. Il faut donc non seulement les construire, mais les entretenir et les remplacer en fin de vie.

Les sources renouvelables sont souvent intermittentes et peu concentrées. Comme on ne sait pas encore stocker de grandes quantités d’électricité, l’intermittence impose de mettre en œuvre des sources de substitution, non renouvelables, de multiplier les interconnexions régionales et de disposer de « réseaux intelligents » pour gérer l’équilibre instantané entre demande et production.

Substitution ou superposition ?

Dans les publications de vulgarisation scientifique, on voit souvent des titres du genre « Quand l’hydrogène remplacera l’essence... » ou « Quand la fusion remplacera la fission... », comme si une source d’énergie plus moderne allait définitivement prendre la place d’une autre. Tout est possible dans le futur, mais ce n’est pas ce qui s’est passé jusqu’ici.

Le charbon n’a pas éliminé le bois : aujourd’hui encore, la biomasse traditionnelle fournit un peu moins de 10 % de l’énergie primaire consommée dans le monde. Le pétrole a peut-être détrôné le charbon, mais il ne l’a pas du tout éliminé : entre 2000 et 2010, presque la moitié de la croissance mondiale de la consommation d’énergie a été due au charbon. Le gaz a connu récemment une croissance spectaculaire grâce notamment à l’essor du « gaz de schiste », mais il n’a évincé ni le pétrole ni le charbon.

Le diagramme qui retrace l’évolution en pourcentage des sources d’énergie met bien en évidence les âges d’or successifs des différentes sources mais contribue à cette idée de substitution : on y voit presque disparaître la biomasse traditionnelle alors qu’avec 7 % de la consommation mondiale en 2019 – soit 1,3 Gtep –, elle dépasse le chiffre qu’avait la consommation mondiale en 1900 !

Pas d’impasse dans le jeu énergétique

La comparaison des différentes sources d’énergie est intéressante, mais d’une portée limitée puisque l’homme a eu jusqu’à présent et aura sans doute encore demain besoin de toutes ces énergies ! Ce qu’il faut, c’est tirer au mieux parti de leurs qualités propres en limitant au maximum leurs inconvénients spécifiques. Il faut aussi éviter de les gaspiller et améliorer leur efficacité au fur et à mesure des progrès technologiques.

Le « bouquet » optimal ne sera pas le même pour chaque pays, en fonction de sa géographie, de son climat, de sa population, de son degré d’urbanisation et de son niveau technologique. Un pays richement doté en ressources fossiles a généralement eu moins recours à l’énergie nucléaire qu’un pays qui en est dépourvu. La sécurité de l’approvisionnement en énergie est toujours renforcée par une diversification des sources et des lieux d’importation. Et cela vaut aussi pour les énergies renouvelables.

Vecteurs et réseaux de l’énergie

Il ne suffit pas de produire l’énergie, il faut aussi la transporter et la distribuer. Les premières locomotives brûlaient du bois, puis elles ont été alimentées en charbon, stocké dans un wagon. Elles fonctionnent aujourd’hui au fioul ou à l’électricité qui circule dans les fils des caténaires. De plus en plus, nous utilisons l’énergie non pas à la source primaire, mais par l’intermédiaire de « vecteurs », carburants ou gaz et électricité distribués par des réseaux.

Des réseaux dans les réseaux

Les réseaux de liquide, de gaz ou d’électricité se « déclinent » dans une arborescence à plusieurs échelles : réseaux de longue distance et à gros débit pour le transport à l’échelle continentale, réseaux à mailles plus serrées pour le transport à l’échelle nationale ou régionale, réseau de distribution locale à débit plus faible. De la même façon, pour l’électricité, on dispose de réseaux de transport à très haute tension, à haute et moyenne tension, et de distribution à basse tension, voire de microréseaux (microgrids) connectés au réseau général en un seul point. Il existe aussi des réseaux de chaleur distribuant à plusieurs utilisateurs de la chaleur produite par une ou plusieurs chaufferies.

Oléoducs et pétroliers, gazoducs et méthaniers

Le transport des hydrocarbures constitue un élément majeur de la chaîne d’approvisionnement : des réseaux d’oléoducs relient les champs pétroliers aux raffineries ou aux terminaux où viennent se charger les pétroliers géants. Partant des raffineries, un autre réseau d’oléoducs transporte cette fois les produits pétroliers, en parallèle avec le trafic de camions-citernes.

Un réseau de gazoducs relie les champs de gaz naturel à leurs clients, ou à des terminaux de liquéfaction où viennent se remplir les méthaniers. Si les liquides se transportent sur de très longues distances au prix d’une dépense d’énergie minime, le gaz est compressible et son transport exige des puissances de pompage considérables : au-delà de 2 000 ou 3 000 kilomètres, il est plus économique en énergie de liquéfier le gaz et de le transporter dans des méthaniers. Le gaz naturel liquéfié, GNL, doit être regazéifié avant d’être distribué dans de nouveaux gazoducs.

L’électricité : de grandes qualités et une faiblesse spécifique

Ce n’est pas un hasard si l’électricité occupe une part croissante dans la consommation d’énergie des pays développés, car elle présente des avantages spécifiques.

Des atouts souvent uniques

L’électricité constitue un carrefour privilégié de conversion des différentes formes d’énergie, et le passage par le vecteur électricité permet souvent une amélioration marquée des rendements, et donc de l’efficacité énergétique globale des processus. L’électricité permet la décentralisation des moteurs et des contrôles, mettant ainsi à disposition du citoyen moyen une foule d’esclaves mécaniques et électroniques bien utiles. Elle est aussi le vecteur privilégié, sinon unique, de l’information et de la communication. L’électricité est enfin une énergie propre dans les phases de transport, de distribution et d’usage final.

Une faiblesse considérable

L’électricité ne se stocke pratiquement pas, sauf en quantités minimes et à un coût élevé dans des accumulateurs. On peut la stocker indirectement (stations de pompage, volants d’inertie) mais cela reste marginal. Par conséquent, la production doit suivre la demande, en maintenant la qualité du courant. Si un réseau est alimenté par une source intermittente et aléatoire, une ferme éolienne par exemple, il faut prévoir en réserve une source non intermittente prête à venir la suppléer ou développer des réseaux sur de très grandes distances afin de mieux intégrer des potentiels souvent éloignés des zones de consommation ou situés dans des espaces aux configurations différentes. À la différence des réseaux classiques utilisant du courant alternatif, de tels réseaux dénommés supergrids s’appuient sur des lignes à courant continu haute tension (CCHT) qui minimisent les pertes induites par le transport (jusqu’à 25 %).Toutefois, ces projets coûtent cher. On y pense en Europe pour relier les parcs éoliens de la mer du Nord, les ressources hydrauliques des massifs montagneux du centre et les parcs solaires du sud. Mais comment les financer, mutualiser les coûts, voire le prix de l’électricité (qui varie fortement d’un pays à l’autre) sans une réelle politique européenne de l’énergie ?

Gaz à tous les étages

Jusqu’au milieu du XXe siècle, le gaz était fabriqué à partir du charbon. Le « gaz de ville », mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, servait à l’éclairage urbain et domestique ainsi qu’à la cuisine. La mise en valeur des gisements de gaz « naturel » a fait disparaître les usines à gaz, remplacées par un réseau de gazoducs enterrés.