Eléments de base sur l’énergie au 21eme siècle

Eléments de base sur l’énergie au 21è siècle
Jean-Marc Jancovici - Mines Paris Tech 2010
Partie 1 - Du big bang (ou presque) à nos jours
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Back to basics : qu’est-ce que l’énergie ?
L’énergie est la grandeur physique qui permet de
caractériser un changement d’état dans un système :
Modification de température
Modification de la vitesse
Modification de forme
Modification de la composition chimique
Modification
de
la
position
dans
un
champ
(magnétique, électrique, gravitationnel…)
Changement de composition atomique
Modification de l’énergie ou du nombre de photons
L’énergie n’est donc rien d’autre que l’unité de compte de
la transformation du monde qui nous entoure
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Sus aux raccourcis médiatiques… une première fois
Puisque l’énergie est toujours associée à une transformation d’un
système, il n’existe pas d’énergie propre ou sale dans l’absolu :
toute manifestation de l’énergie modifie l’environnement, c’est la
dose qui fait le poison.
Dans un système clos, l’énergie se conserve ! On ne peut donc
pas « produire » de l’énergie, mais juste la transformer. Aucune
des énergies utilisées par l’homme, jamais, n’a été autre chose
qu’une transformation d’une énergie « trouvée » dans la nature
en une autre forme d’énergie, avec un bénéfice au passage.
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L’énergie extracorporelle, une vieille histoire
 -500.000 ans : domestication du feu.
 L’antiquité : toutes les renouvelables ont été utilisées !
Bois, vent, soleil, hydraulique, traction animale...
Le pétrole est connu des Summériens (-3.000 av. JC
environ), bien avant Drake et son premier forage (1859 à
Tittusville).
 Le charbon est exploité dans la Chine antique 1000 ans
avant notre ère.
 Ce qui caractérise l’ère « moderne », ce n’est pas
l’utilisation de sources « nouvelles » (sauf le nucléaire et le
photovoltaïque), mais le changement d’ordre de grandeur
dans leur usage.
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Le grand bazar des unités
Il existe de multiples unités pour « compter » l’énergie :
La seule orthodoxe (normalement) : le joule et ses multiples. Un
Français « consomme » environ 170 GJ par an
La plus usuelle pour un Français : le kWh (3,6 MJ), ou… le litre de
carburant (≈ 10 kWh). Un Français ≈ 50.000 kWh par an
La plus fréquente chez l’énergéticien « global » : la tonne équivalent
pétrole (tep) et ses multiples ; une tep ≈ 41,8 GJ ≈ 11.600 kWh.
Celle du physicien des particules : l’électron-volt, et ses multiples. 1 ev ≈
1,6.10-19 J
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Puis nous nous sommes gavés de kWh…
30 Glorieuses = énergie par
personne x 3 en 30 ans ! Le
coup est-il rejouable ?
Consommation d’énergie en kWh par habitant et par an, moyenne mondiale hors
biomasse, de 1880 à 2008
Compilation de l’auteur sur sources AIE, Schilling et al., WRI, BP Statistical Review.
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Un premier changement d’ordre de grandeur : la population
2009 : 6,7
milliards
d’hommes…
Sédentarisation des
and rising
hommes : ≈ 0,005
milliard d’hommes
Début de la révolution
industrielle : ≈ 0,5
milliard d’hommes
Évolution démographique depuis le néolithique (découverte de l’agriculture). Source :
Musée de l’Homme
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Gaz et électricité à tous les étages, cela a donné ceci…
Ma marmaille
Grand-papa -> ma marmaille =
énergie commerciale x 8
Le coup est-il rejouable ?
Papa-maman
Moi
Consommation mondiale d’énergie primaire en Mtep (millions de tonnes équivalent
pétrole) depuis 1860. Sources Schilling & al + AIE + BP statistical review, compilation
de l’auteur
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Gaz et électricité à tous les étages, cela a donné ceci…
Consommation d’énergie primaire en France en Mtep depuis 1960.
Source MEDDMM, SOeS, 2009
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Population x 1000 + énergie x 10 = croissance attitude
La « taille de la boîte »
(l’environnement) est
en train de devenir un
problème majeur
La « taille de la boîte »
(l’environnement) n’est pas
vraiment un problème
Si l’énergie, c’est - par définition - la modification d’un système, voici l’évolution de notre marque sur
l’environnement
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Vous êtes plutôt primaire, ou plutôt final ?
Primaire
Final
Boulets, coke…
Charbon brut
Carburants
Pétrole
raffinés
brut
Gaz
Gaz purifié
brut
Noyaux
fissiles
Electricité
Bois, soleil,
Vapeur, eau chaude,
géothermie,
combustibles…
vent…
Et peut-être un jour H , air comprimé…
2
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Vous êtes plutôt final, ou plutôt utile ?
Primaire
Final
Utile
Charbon brut
Boulets, coke…
Mouvement
Carburants
Pétrole
raffinés
brut
Gaz
Gaz
Chaleur
brut
purifié
+ pertes
+ pertes
Noyaux
5% à 75%
Jusqu’à
Electricité
80% !
fissiles
Réaction
Vapeur, eau
chimique
Bois, soleil,
chaude,
géothermie,
combustibles…
vent…
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Energie primaire = carbone, ou presque
340 g
CO /kWh
2
200 g
CO /kWh
2
260 g
CO /kWh
2
12,4 Gtepprimaire
8,3 Gtep final
Bilan énergétique mondial en 2008 - Source : BP Stat 2010 - AIE 2009
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Plus de nucléaire = moins de pétrole ?
Part du pétrole et du nucléaire dans la consommation d’énergie primaire
hors bois en Europe en 2008. Question pétrole, la France est très
exactement dans une honnête moyenne…
Source BP Stat Review, 2009
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Quid des énergies renouvelables ?
≈ 9% total mondial
≈ 5,5% total mondial
≈ 0,42% total
mondial
≈ 0,45% total
≈ 0,35% total
mondial
mondial
≈ 0,02% total
mondial
Contribution des énergies renouvelables au bilan énergétique mondial en 2008. Toutes
les sources purement électriques sont en équivalent primaire. Compilation de l’auteur.
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Electricité = carbone, cela reste quasiment vrai aussi
Autres
2,1%
Pétrole
6,7%
Hydroélectricité
16,1%
Charbon
39,8%
Nucléaire
15,7%
Gaz naturel
19,6%
Part de chaque énergie primaire dans la production électrique en 2004
Source : AIE 2006
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De l’énergie, pour quels usages ?
3,5
7,6 Gtep final
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
Transports
Industrie
Autre secteurs
Usages
non énergétiques
Utilisations d’énergie finale par secteur dans le monde, 2004.
Source : AIE 2006
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De l’énergie, pour quels usages ? (bis)
Utilisations d’énergie finale par secteur en France, 2008. Total ≈ 160 Mtep
hors usages non énergétiques. Le « problème » est essentiellement dans le
diffus.
Source : Observatoire de l’énergie
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En kWh, les hommes sont très primaires…
Consommation annuelle par usage en kWh. Un Français ≈ 47.000 kWh « primaires » par an.
Jancovici, 2006
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Nietzsche voulait des surhommes : le pétrole l’a fait
Energie mécanique fournie par un organisme humain :
3.000 mètres de dénivelée (facile !) pour une personne de 65 kg : 0,5
kWh d’énergie mécanique (rappel pour les sceptiques : E = mgh ; ici
E = 65 x 9,81 x 3000 ≈ 1,9 MJ ≈ 0,5 kWh)
Avec une personne payée au SMIC (≈ 100 euros par jour avec charges
sociales) : 200 euros le kWh mécanique
1 grand trou pour les géraniums, soit 18 tonnes de terre remontée de
1 mètre : 0,05 kWh d’énergie mécanique (pour les même sceptiques :
E = 18000 x 9,81 x 1 ≈ 0,18 MJ = 0,05 kWh)
Avec une personne payée au SMIC : 2000 euros le kWh mécanique
1 litre d’essence, c’est (roulement de tambour)… 10 kWh ; après
passage dans un moteur c’est 2 à 4 kWh d’énergie mécanique
0,20 à 0,50 euro le kWh mécanique (avec de l’électricité : ≈ 0,20 euro)
1 kWh (mécanique) de moteur coûte de 1000 à 10.000 fois
moins cher qu’un kWh de travailleur humain payé au SMIC
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Voici LA vérité qui dérange : tout smicard est un nabab
« Equivalent esclave » à la disposition de chaque Français de l’an 2000. Qui est modeste ?!?
Calcul de l’auteur, 2008
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L’énergie plus chère ? Allons donc !
X 30 !!!
1860
1880
1970
2007
Reconstruction du PIB par habitant
Prix du baril depuis 1861 en $ courants et en $
depuis 1850 (le PIB est une notion qui
de 2007. Source BP Statistical Review, 2008
date de la fin de la Seconde Guerre
Mondiale)
Source : J. Bradford DeLong, 2005
En 100 ans, le prix relatif de l’énergie primaire - donc
du carbone - a été divisé par 10 environ en Occident,
et le prix d’un kWh mécanique par 30 à 100
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L’essence de plus en plus chère ? Allons donc !
Prix du carburant exprimé en minutes de temps de travail par litre
(prix rapporté au pouvoir d’achat).
Source FNAUT, 2007
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Plus d’énergie = moins de paysans
Consommation d’énergie par personne et par an (ktep) vs. % de
l’emploi dans l’agriculture.
Sources WRI, US DOE
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Plus d’énergie = moins d’ouvriers ensuite
machines
machines
Part de chaque secteur dans l’emploi en France.
Source INSEE
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Plus de tertiaire = plus de CO !
2
Part des services dans l’emploi et émissions de CO par habitant et par an : plus
2
on est « dématérialisé », plus on émet !
Source : Jean Gadrey, sur sources primaires Eurostat et OCDE (emploi dans les
services) et PNUD (CO par personne.an).
2
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Bis repetita…
t e
nt tabi
r ha
pae p)te
rgi
ne
n (k
é
r a
pa
on d’ti
omma
onsC
% du PIB dans les services
Données issues du World Resource Institute
 Un employé du tertiaire de 2008 (employé de banque, de la sécu,
d’une mairie, de France Telecom…) consomme presque autant
d’énergie, pour son seul travail, qu’un Français de 1960 pour tous ses
usages.
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Plus d’énergie de tourniquettes à faire la vinaigrette
Evolution des taux d’équipement en électroménager des français
entre 1973 et 2001. Source Observatoire de l’Energie.
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Énergie moins chère = confort pour tous
Télévision
Magnétoscope
Micro-ondes
Réfrigérateur
Micro-ordinateur
Lave linge
Portable
Voiture
Lave vaisselle
Taux d’équipement des ménages depuis 1962
Source INSEE, 2006
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Miam miam kWh pour de vrai
Sens de l’histoire
(pour le moment)
hydrocarbures
Source : Jancovici/Ademe, 2009
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Viande x 5 pour un prix au kg ÷ par 5
Evolution de la consommation de viande par personne et par an en
France. Source : Bernard Sauvant, INRA
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Et c’est vrai partout : énergie++ = PIB++ = viande++
Corrélations entre PIB par personne et viande consommée par personne (en
bas à gauche, 1961, en haut à droite, 2002).
Sources World Bank et FAO.
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Manger coûterait plus cher ? Ah….
Produits
bruts = 80%
du total
Prix réel des
Produits
aliments divisé
bruts = 20%
par 10 !!!
du total
2006
Evolution de la part de l’alimentation dans le budget des ménages
américains de 1929 à 2006, en pourcentage.
Source : US Department of Agriculture, 2008
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Transports : plus c’est moderne, et plus cela pompe…
Sens de l’histoire (pour le moment)
Consommation d’énergie par passager pour un km (la voiture tient compte du taux de
remplissage moyen) en grammes éqquivalent pétrole. Sources diverses.
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Si cela consomme, souvent cela émet…
90
80
80
70
60
60
60
50
40
Sens de l’histoire (pour le moment)
40
30
25
23
20
9
10
3
1
0
Bateau
Train,
Autoc ar
Train
Bus
Voiture,
Av ion
Voiture
Av ion
métro
(GB)
urbain
ex tra-
long
en v ille
c ourt
(Franc e)
urbain
c ourrier
c ourrier
(2nde)
(2nde)
Emissions de gaz à effet de serre par passager pour un km (la voiture tient compte du taux
de remplissage moyen). Source : INRETS, INFRAS, ADEME, IFEN, Jancovici, 2001 à 2004
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Et plus le char est puissant, plus il émet aussi !
Sens de l’histoire (pour le moment)
Grammes équivalent carbone par km en cycle mixte, en fonction de la
puissance fiscale du véhicule, pour les automobiles diesel.
Source Jancovici/ADEME (Bilan Carbone), 2003
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C’est vrai pour ce qui roule, mais pour ce qui vole aussi
1980
2005, moyenne
2005, prix le plus bas disponible
Prix d’un billet d’avion exprimé en heures de SMIC
Source LET, 2005
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Transports : plus loin, plus vite, moins cher (pour l’instant)
100
Marche
10
Voie d’eau
Cheval
Train
1
2 roues
Voiture et bus
Avion
0,1
Total
0,011800
1850
1900
1950
2000
Evolutions des distances parcourues par personne et par jour, en France,
depuis 1800.
Grübler & Nakicenovic, 1991 et estimations de Francis Papon pour la marche
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Voitures et tour de taille grossissent de concert
Evolution de la masse à vide des voitures neuves vendues en
France.
Source observatoire de l’énergie
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Plus d’énergie pour plus de bénéficiaires
Le parc auto a quasiment doublé entre 1973 et 2000, malgré 3 chocs pétroliers. La
« voiture pour tous », cela n’a même pas 30 ans. Source observatoire de l’énergie
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Un PIB sans voitures ? Pas facile…
Evolution, de 1970 à 2000, du nombre de véhicule.km par habitant (axe vertical)
en fonction du PIB par tête en $ US (axe horizontal).
Source : AIE, 30 years of oil use in OECD countries
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Les kilo-octets n’ont pas tué les kilomètres !
Evolution comparée des flux d’information et des flux de transport de 1800 à 1990.
Source : Arnulf GRÜBLER, the Rise and Fall of Infrastructures, 1990
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Passons au logement : chaude la banlieue…
1200
logem ent (chauffage, eau chaude, etc)
dˇplacements
1000
800
Sens de l’histoire (pour le moment)
600
400
200
0
Paris, Neuf
Paris, Ancien
HLM petite
HLM petite
Pavillon grande
Pavillon grande
couronne, Neuf
couronne, Ancien
couronne, Neuf
couronne, Ancien
Emissions de gaz à effet de serre, en kg équivalent carbone par habitant et par an, pour
la mobilité quotidienne et le chauffage.
Jancovici, 2001, d ’après Traisnel, 2001
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Si je suis moderne, je m’étale…
Consommation énergétique par habitant liée aux transports urbains (axe horizontal, en
tonnes équivalent pétrole par an) en fonction de la densité de la zone urbaine (axe
vertical, en habitants à l'hectare).
Source : Newman and Kenworthy, " Cities and automobile dependance ", Gower, 1989
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Utiliser des hydrocarbures sans se déplacer, c’est possible !
Evolution de la surface construite (donc chauffée) entre 1970 et 1996.
Source CIPP, 1998, et INSEE, in Traisnel, 2000
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Plus d’énergie = des campagnes vides et des villes étalées
1936, 42 millions d’habitants
2000, 59 millions d’habitants
Source DATAR
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Vacances pour tous = carbone, encore !
Emissions de gaz à effet de serre liées au séjour d’une famille de 4
personnes selon le type de tourisme et la durée. Source Jancovici, 2004
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Un peu de photosynthèse passée pour chez vous ?
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Et encore…
Divorcer = +60% d’énergie par ex-conjoint
2 fois plus de logements (à construire, à chauffer) -> énergie
2 fois plus d’objets à fabriquer (et utiliser) : électroménager,
meubles, véhicule, etc -> énergie
Et quelques déplacements supplémentaires pour les enfants…
La retraite, les études, les vacances, l’assurance chômage
= le fruit de la formidable hausse de la productivité du
travail -> énergie
1
employé
du
National
Health
Service
(en
Grande
Bretagne) « utilise » 14 tonnes équivalent CO par an ->
2
l’hôpital est sous perfusion d’énergie !
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L’économie mondiale en un clin d’œil
+
W
K
-
-
Le prix ou le PIB !
Stocks
Stocks
naturels
naturels non
renouvelables
renouvelables
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Le « message » du Club de Rome : tout va bien… avant que tout aille mal
Ressources
Pollution 
Production
 2040
Pop 
Nourriture 
2030
2007
Population
Nourriture
Production
industrielle
Date du
Pollution
rapport
Scénario « business as usual » du rapport Meadows (The Limits To Growth,
improprement traduit en Français par « halte à la croissance ? »)
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Le « message » du Club de Rome : tout va bien… avant que tout aille mal
Ressources
Pollution 
Production
 2040
Pop 
Nourriture 
2030
2007
Population
Nourriture
Production
industrielle
Date du
Pollution
rapport
Scénario « business as usual » du rapport Meadows (The Limits To Growth,
improprement traduit en Français par « halte à la croissance ? »)
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L’ère du feu, croissance à gogo et 2 questions…
???
CO2
Structure actuelle des métiers, loisirs et
vacances, études longues, santé,
retraites, mondialisation, concentration
O
urbaine et banlieues étalées…
2
C H
n
p
???
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