Quels besoins et les impacts de la transition energetique ?

Le système énergétique : une histoire d’hommes et de ressources

La nécessité de la chaleur et du travail pour les sociétés humaines

Pour assurer sa pérennité et son développement, l’homme doit s’assurer à minima de trois choses : être capable de maintenir sa température, de s’alimenter et de bâtir les moyens assurant sa protection. Ces besoins sont assurées à la fois par un flux d’énergie calorifique, la chaleur ou la fraicheur, et par un flux d’énergie mécanique, le travail. Par exemple, le travail permet l’extration et le transport des matières extraites de l’environnement, et ajouté à la chaleur, ces matières peuvent être transformées afin d’être exploitées ou consommées par les hommes. Pour générer de la chaleur, l’homme peut exploiter l’énergie thermique contenue dans un combustible comme le bois. S’il veut déplacer une masse importante sur de longue distance, il peut exploiter l’énergie mécanique d’un cours d’eau et du vent, comme ce fut le cas pour les premiers navires. Les sources d’énergies directement exploitables sont nombreuses et variées : les animaux – humains et non humains —, les composés organiques tels que le bois, la géothermie, le rayonnement solaire, l’énergie cinétique du vent et de l’eau. Si ces sources sont importantes en quantité et directement exploitables, elles sont très diluées, intermittentes et difficiles à maitriser. De plus, certaines d’entre elles ont des spécificités géographiques, elles ne sont accessibles que dans certains lieux.

A chaque source d’énergie ses machines et ses révolutions industrielles

Bien qu’il existe des sources d’énergies directement exploitables, leurs géographies ou leurs formes ne correspondent pas toujours aux besoins des activités humaines. Pour transformer l’énergie, mais aussi la transporter là où les hommes en a besoin, ces derniers ont mis au point les machines telles que les moteur hydraulique ou les machines à vapeur. Par exemple, le moteur hydraulique a permis la transformer l’énergie cinétique de l’eau en énergie mécanique utile aux activités artisanales humaines (broyage des grains, forges, etc.). Quant à la machines à vapeur, elle a permis de transformer en travail le pouvoir calorifique des matières premières énergétiques telles que le bois ou le charbon. D’un usage de chauffe où le bois et le charbon fournissaient uniquement de la chaleur, la machine à vapeur a permis d’utiliser la capacité thermique des combustibles pour fournir un travail au-delà des capacités animales. Bien que la machine à vapeur a besoin de combustible pour fonctionner, l’essor du transport et la fabrication d’infrastructures, à l’aide de ces mêmes machines, a rendu possible l’utilisation de ces machines toujours plus loin des sources de combustibles. L’impact des machines fut remarquable. En particulier, la machine à vapeur a été un des facteurs prédominants du développement de l’industrie manufacturière, des transports ferrés et navals à l’origine de l’industrialisation du XVIII siècle.

Si le bois fut utilisé dans un premier temps, le charbon est devenu la source d’énergie principale des machines à vapeur. Les intérêts du charbon sur le bois pour fournir du travail sont en effet multiples : le charbon n’a pas d’autre usage que celui de fournir de l’énergie, alors que le bois était utilisé dans la construction, et il nécessitait une gestion rigoureuse des forêts. De plus, le charbon a un pouvoir calorifique nettement supérieur à celui du bois.

Plus tard, les découvertes de l’énergie électrique et l’invention de la machine magnéto-électrique et du transformateur ont facilité le transport de l’énergie. L’énergie électrique se transporte aisément à l’aide de câbles métalliques et de façon quasi instantannée. A l’aide des machines électriques, l’énergie mécanique pouvait être transformée en énergie électrique, transportée, puis exploitée directement ou sous d’autres formes à l’aide de machines dédiées : chimique avec les électrodes, sonore avec les aimants, mécanique avec les moteurs électriques ou en chaleur avec les résistances. L’invention des machines électriques et la facilité de transport de l’électricité a permis la délocalisation des anciennes machines à vapeur hors des ateliers et des villes, et de substituer l’éclairage dangereux à pétrole ou à gaz par de l’éclairage électrique. L’énergie électrique produite en abondance notamment à l’aide des barrages va voir ses usages multipliés et donner lieu à l’électrification des villes et favoriser ainsi les conditions de vie urbaines, puis s’est généralisée au delà des centres urbains (Beltran, 2017). Cependant, l’énergie électrique a un défaut : elle ne se stocke pas en l’état. Toute l’énergie produite doit être consommée sous peine de dégrader les installations. Pour la stocker, il faut la transformer en énergie chimique, cinétique ou potentielle à l’aide d’autres machines.

Les sources d’énergie pour la production de chaleur ou de travail se sont diversifiées, en particulier avec le développement du pétrole, du gaz et de l’énergie nucléaire. Pour un même usage, certaines se sont ajoutées à celles déjà présentes quand d’autres se sont substituées aux anciennes. Par exemple, les dérivés du pétrole présentent des avantages certains sur le charbon ou le bois. Les carburants liquides présentent un pouvoir calorifique supérieur et ils sont liquides. Ces avantages ont rendu possible la miniaturisation des moteurs, facilité le transport et l’embarquement d’une quantité plus importante d’énergie pour un même volume. Dans le même temps, les dérivés les plus lourds et solides, tels que le goudron ou les plastiques, ont été utilisés pour la fabrication d’infrastructures comme les routes. Le pétrole est un des facteurs prédominants de la révolution du transport de marchandise, routier ou naval, et du transport individuel. Quant au gaz et à l’énergie nucléaire, ils sont venus s’ajouter aux autres énergies utilisées pour la production de chaleur ou d’électricité. Bien qu’ils nécessitent des investissements préalables plus conséquents que le bois, le charbon ou les dérivés du pétrole, ils offrent une source d’énergie supplémentaire économiquement compétititive et permettent de diversifier les sources d’énergie pour plus de sécurité et de résilience du système énergétique.

Un système énergétique qui a permis les révolutions industrielles, mais qui nécessite des nouveaux besoins pour être maintenu

Pour répondre à la demande croissante des flux d’énergie, l’homme a créé des infrastructures et des machines pour extraire toujours plus d’énergie de son environnement, pour la transporter, la transformer et l’utiliser en des lieux variés. L’homme a développé, à partir de sources énergétiques non directement exploitables en l’état, un système complexe capable de fournir toujours plus de chaleur et de travail nécessaires aux activités humaines. Mais ce système impose des contraintes. Les flux d’énergie qu’il produit doivent être suffisants pour permettre la production en ressources énergétiques et non-énergétiques nécessaires aux activités humaines mais aussi à son maintien. Si cette condition n’est pas respectée, le système énergétique et les sociétés qui en dépendent ne peuvent plus se maintenir. En définitive, la pérennité du système énergétique et de nos sociétés peut se résumer à un problème de flux d’énergie et de matières premières non énergétiques. A l’heure actuelle, toute notre économie et notre modèle social sont dépendants de la stabilité de ces flux, qui eux-mêmes dépendent de l’accessibilité à des stocks fossiles qui sont par nature non renouvelables. Si les flux viennent à baisser par appauvrissement des stocks, le système n’est plus pérenne.

Vers une électrification du système énergétique et les énergies renouvelables pour répondre aux enjeux du XXIème siècle

Le système énergétique face aux risques de l’épuisement des ressources énergétiques fossiles et le changement climatique

Depuis le milieu du XX siècle, le système énergétique existant a été remis en question pour plusieurs raisons. Deux risques majeurs ont été identifiés par la communauté scientifique : i) l’épuisement probable à moyen terme des ressources énergétiques fossiles, et ii) le changement climatique avec ses externalités négatives sur les écosystèmes et les sociétés (Field et al., 2014). La première difficulté résulte du fait que les ressources énergétiques fossiles sont des stocks finis dont l’épuisement est inévitable. Le changement climatique résulte, quant à lui, de l’accumulation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, en particulier le dioxyde de carbone produit par la combustion des ressources fossiles hydrocarbonées. Les émissions du système énergétique en gaz à effet de serre sont supérieures à ce que les écosystèmes peuvent absorber. La solution à ces deux difficultés est de substituer les sources d’énergie fossiles (charbon, pétrole et gaz) par des sources d’énergie non carbonées et renouvelables tout en conservant l’efficacité du système énergétique intacte. Les sources d’énergie renouvelable sont alors revenues sur le devant de la scène. Les énergies renouvelables sont par définition inépuisables à l’échelle de temps humain, elles sont présentes en des quantités suffisantes pour assurer tous nos besoins et ne sont pas émittrices de gaz à effet de serre. Cependant, elles sont très diluées, et présentent des défis technique pour être exploitées. Parmi les plus connues et économiquement viables, on retrouve les sources d’énergie hydraulique, solaire ou du vent. Bien que considérée comme une énergie renouvelable, l’énergie hydraulique n’est pas nouvelle et est toujours plus exploitée via les cours d’eau, aussi de nouvelles techniques tendent à se développer pour exploiter l’énergie des marées. Le rayonnement solaire peut être exploité directement sous forme de chaleur ou transformé en l’électricité via des panneaux photovoltaïques. Quant à l’énergie cinétique du vent, elle permette de fournir de l’électricité à l’aide de turbines et de génératrices électriques.

Bien que l’énergie nucléaire est une autre solution car elle n’émet pas de gaz à effet de serre, elle est issue d’une ressources fossile et la quantité accessible de cette énergie n’est pas suffisante pour se substituer aux ressources énergétiques fossiles carbonnées dans leur intégralité. De plus, la dangerosité des déchets et de l’accident nucléaire limitent leur utilisation, autant au niveau de l’ingénieurie que de l’acceptabilité sociale.

Des intensités matières plus importantes pour les technologies basées sur les énergies renouvelables

A chaque type d’énergie, il y a une machine pour transformer l’énergie. Une turbine qui exploite l’énergie cinétique de l’eau n’est adaptée qu’à l’eau, un moteur à combustion à essence qu’à l’essence. Cela s’applique à l’ensemble des énergies fossiles, fissiles et renouvelables. Pour exploiter en quantité les énergies renouvelables, il faut donc fabriquer et mettre en place une infrastructure dédiée. Les caractéristiques de ces machines diffèrent de celles des technologies basées sur les énergies fossiles. Concernant la production d’électricité, les technologies basées sur les énergies renouvelables consomment en moyenne, pour une même puissance ou pour une même énergie, des quantités de ressources non énergétiques supérieures à celles basées sur les énergies fossiles ou fissiles (Kleijn, 2011; Vidal et al., 2013 ; Hertwich et al., 2015; Vidal et al., 2017). Cela est illustré sur la Fig. Intro-1, qui reporte les intensités matières de différentes technologies de production d’électricité. En effet, les flux d’énergie renouvelable sont largement plus dilués que les stocks d’énergie fossile. De fait, il faut une infrastructure de grande taille pour capter et produire une énergie utilisable.

Table des matières

INTRODUCTION
QUELS BESOINS ET LES IMPACTS DE LA TRANSITION ENERGETIQUE ?
1 LE SYSTEME ENERGETIQUE : UNE HISTOIRE D’HOMMES ET DE RESSOURCES
1.1 La nécessité de la chaleur et du travail pour les sociétés humaines
1.2 A chaque source d’énergie ses machines et ses révolutions industrielles
1.3 Un système énergétique qui a permis les révolutions industrielles, mais qui nécessite des nouveaux besoins pour être maintenu
2 VERS UNE ELECTRIFICATION DU SYSTEME ENERGETIQUE ET LES ENERGIES RENOUVELABLES POUR REPONDRE AUX ENJEUX DU XXIEME SIECLE
2.1 Le système énergétique face aux risques de l’épuisement des ressources énergétiques fossiles et le changement climatique
2.2 Des intensités matières plus importantes pour les technologies basées sur les énergies renouvelables
2.3 Les technologies basées sur les énergies renouvelables entrainent de nouveaux besoins
3 LA NECESSITE D’ESTIMER LE BESOIN EN RESSOURCE ET EN ENERGIE POUR REALISER UN SCENARIO DE TRANSITION ENERGETIQUE ET LES IMPACTS INDUITS
3.1 Les intensités matières des énergies renouvelables importantes : des implications économiques, géologiques et géopolitiques pour l’accès aux ressources
3.2 La transition énergétique : un risque de délocalisation des impacts environnementaux et sociaux
4 L’EVALUATION DE LA CHAINE DE VALEUR TECHNOLOGIQUE ET GEOGRAPHIQUE : STRATEGIE ET OBJECTIFS DE MA THESE
5 BIBLIOGRAPHIE
6 ANNEXE
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART : LES APPROCHES POUR EVALUER LA CONSOMMATION EN MATERIAUX ET EN ENERGIE D’UN SYSTEME
1 LES OUTILS POUR ANALYSER ET ESTIMER LES BESOINS EN ENERGIE, EN MATERIAUX ET LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ASSOCIES 28
2 LES ANALYSES D’ENTREES-SORTIES : EVALUATION DE L’INTERDEPENDANCE DES SECTEURS ECONOMIQUES
2.1 Le principe des analyses entrées-sorties
2.2 La formulation mathématique des analyses d’entrées-sorties : la matrice de Leontief
2.3 Des modèles construits à partir des tableaux des ressources et des emplois
2.4 Les IOT pour l’analyse des flux de produits : les IOT produits par produits
2.5 Les extensions à l’environnement construites à partir des comptes environnementaux
2.6 Les IOT pour analyser le lien énergie et matière : des limites géographiques et de nomenclatures
2.7 Les modèles nationaux ou régionaux incompatibles entre eux selon leurs nomenclatures
2.8 Les modèles multirégionaux pour intégrer les échanges interrégionaux monétaires, mais aux nomenclatures très agrégées
2.9 Les modèles physiques aux nomenclatures et à la géographie restreintes
2.10 Le recyclage difficilement pris en compte
3 LES ANALYSES DE CYCLE DE VIE (ACV) : L’EVALUATION DES ECHANGES ET DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DES ACTIVITES INDUSTRIELLES
3.1 Les principes des ACV
3.2 Les étapes de construction des ACV
3.3 La création des inventaires : l’approche par imputation et par extension des frontières
3.4 La formulation mathématique inspirée des analyses d’entrées-sorties
3.5 La sources des données et l’usage des bases de données pour le calcul d’inventaire
3.6 Une transparence limitée sur les données
3.7 Des outils numériques et des formats numériques non homogènes
3.8 Les incertitudes et les effets de troncature mal pris en compte
3.9 La dimension géographique et temporelle quasi-absente des ACV
4 LES ANALYSES DE FLUX DE MATIERE ET DE SUBSTANCE (M/SFA) : LA MODELISATION DES FLUX ET DES STOCKS AU SEIN D’UNE ECONOMIE
4.1 Le principe des SFA
4.2 Les différentes approches et variations des M/SFA
5 LES MFA HYBRIDES POUR DES ANALYSES STRATEGIQUES OU PLUS COMPLETES
5.1 Les modèles hybrides modulaires pour l’analyse stratégique
5.2 Les modèles ACV hybrides pour des analyses plus complètes
6 CONCLUSION : LA REGIONALISATION DES ACV A PARTIR DES IOA MULTIREGIONAUX COMME POTENTIELLE SOLUTION
7 BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE 2 : LA REGIONALISATION DES INVENTAIRES DE PROCESSUS A L’AIDE DES MODELES D’ENTREES-SORTIES MULTIREGIONALES
1 INTRODUCTION
2 METHODE : REGIONALISATION DES DONNEES UPR PAR LES DONNEES MRIO
2.1 Principe de la régionalisation des flux technologiques par les données monétaires d’entrées-sorties
2.1 Choix du jeu de données basé sur la similarité géographique
2.1 Correspondance des nomenclatures de produits et de catégories de produits
2.2 Création du vecteur des ratios de provenance
2.3 Régionalisation du processus
3 PRINCIPE DE LA REGIONALISATION DE LA CHAINE DE VALEUR D’UN PROCESSUS : UNE APPROCHE MATRICIELLE
3.1 La création des index selon la compatibilité avec la nomenclature des modèles d’entrées sorties
3.2 La régionalisation des données à l’aide des données MRIO
3.3 Prise en compte des incohérences entre les données processus et MRIO
3.4 La construction pour permettre le calcul par série de puissances
3.5 La construction des matrices d’interventions et des facteurs de caractérisation des impacts environnementaux
4 LA GESTION DES DONNEES A L’AIDE D’UNE PLATEFORME DE TYPE WIKI
4.1 Un stockage des données basées sur les graphes
4.2 L’alimentation de la base de données et les scripts de transformation
5 RESULTATS : APPLICATION DE LA METHODOLOGIE A LA BASE ECOINVENT 3.2 AVEC LES DONNEES EXIOBASE 2
5.1 L’application de la méthodologie à la base de processus Ecoinvent avec les données MRIO d’Exiobase
5.2 L’application de la méthodologie pour déterminer les flux pour la construction d’une éolienne
5.3 L’estimation des flux de cuivre et de cuivre concentré
5.4 Des résultats cohérents avec une ACV standard réalisée les mêmes données processus
5.5 Une régionalisation qui permet de prendre en compte les mix énergétiques régionaux
6 DISCUSSION
6.1 Une méthodologie pour réaliser des études ACV régionalisées
6.2 Un travail de récolte et d’organisation des données conséquent en amont
6.3 Des difficultés méthodologiques et techniques à prendre en compte sur les incertitudes et la sensibilité
6.4 Des travaux supplémentaires pour prendre en compte des scénarios
6.5 Des travaux supplémentaires pour permettre l’hybridation des données processus à l’aide des données MRIO
6.6 Des travaux à poursuivre pour mieux gérer de nouvelles informations et permettre l’évolution du modèle
7 CONCLUSION
8 BIBLIOGRAPHIE
9 ANNEXE A : EXEMPLE DE LIENS D’APPARTENANCE ENTRE LES GEOGRAPHIES
10 ANNEXE B : EXEMPLE DE LIENS ENTRE LES PROCESSUS ECOINVENT ET LES SECTEURS INDUSTRIELS EXIOBASE 2
11 ANNEXE C : EXEMPLE D’ACTIVITE SELON LA GEOGRAPHIE
12 ANNEXE D : EXEMPLE DE CODE PYTHON POUR LA CREATION DE LA MATRICE TECHNOLOGIQUE
13 ANNEXE D : EXEMPLE DE REQUETE SPARQL POUR LA CREATION DE LA MATRICE TECHNOLOGIE
CHAPITRE 3 : GESTION DE LA DONNEE ET DU SAVOIR DANS LE DOMAINE DE L’ECOLOGIE INDUSTRIELLE
1 DES DIFFICULTES POUR L’ACCES ET L’USAGE DES DONNEES D’ACV ET D’IOA
1.1 Les données d’ACV et d’EEIOA sujettes à l’effet « silo »
1.2 La qualité et le sens des données remis en question
1.3 Repenser la gestion des données pour répondre à ces problématiques : l’approche ontologique
2 LES LEÇONS DE L’APPROCHE ONTOLOGIQUE DANS LE DOMAINE BIOMEDICALE
2.1 L’ontologie : une description logique d’un domaine de connaissance
2.2 L’usage des ontologies dans le milieu biomédical pour faciliter l’intégration et le traitement des données
3 APPLICATION DES METHODOLOGIES DU BIOMEDICAL POUR CREER UNE ONTOLOGIE DE L’ECOLOGIE INDUSTRIELLE
3.1 L’ontologie réaliste BFO comme base pour l’ontologie IEO
3.2 Méthodologie pour la création de l’ontologie IEO
4 RESULTATS
4.1 Le module IEO-LCA pour la représentation des processus industrielles
4.2 Les échanges et leurs rôles dans les processus
4.3 La qualité des entités matérielles
4.4 La représentation des données
4.5 La représentation des UPR
CONCLUSION

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