Energies fossiles et énergies renouvelables

Dans cette page :

• Introduction
• Mode de formation des combustibles fossiles
• Histoire de l’utilisation des énergies fossiles
• Les énergies fossiles actuellement
• Les problèmes posés par l’utilisation des énergies fossiles
• Les énergies renouvelables - généralités
• Les différents types d’énergies renouvelables
• Références
• Pour en savoir plus

Introduction

Les énergies fossiles, appelées également combustibles fossiles ou roches combustibles, sont des roches carbonées, ce qui signifie qu’elles sont très riches en carbone, d’origine organique. Les principales roches combustibles sont le pétrole, le gaz naturel et le charbon. Ces roches sont formées de l’accumulation de débris organiques, végétaux ou animaux, préservés en profondeur dans les couches géologiques. Les énergies fossiles sont donc par nature non renouvelables, c’est-à-dire que les ressources peuvent s’épuiser en cas d’exploitation trop intensive. Leur combustion est responsable de l’émission de grandes quantités de gaz à effet de serre (CO₂ notamment). Elles constituent actuellement la principale source d’énergie utilisée par l’humanité.

Les énergies renouvelables au contraire sont a priori inépuisables à très long terme. Elles sont issues du vent (énergie éolienne), du Soleil, de l’eau, de la biomasse ou encore de la géothermie. Elles apparaissent comme une solution d’avenir pour l’humanité, mais leur usage n’est pas encore simple et pose de nombreux défis.

Dans cette page, quelques questions seront donc abordées : Quelle est l’origine des roches carbonées ? Quels problèmes sont liés à leur utilisation ? Quels sont les différents types d’énergie renouvelable, avec les avantages et les inconvénients de chacune ? Où en est-on concernant la transition énergétique ?

Les sources des informations citées dans cette page sont issues principalement de Freris & Infield, 2008 ; Curley, 2012 ; Barré & Roubaud, 2014.

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Mode de formation des combustibles fossiles

Les hydrocarbures (hydrocarbon) sont composés de carbone et d’hydrogène, et peuvent se présenter sous forme liquide (pétrole ou crude oil, petroleum), gazeuse (gaz naturel ou natural gas) ou solide (bitume ou bitumen). Les formes liquides et gazeuses dominent.

Le pétrole se forme suite à l’accumulation de débris de microorganismes en milieu marin (algues, foraminifères), dans des bassins fortement subsidents (= caractérisés par un affaissement du plancher océanique permettant l’accumulation de grandes épaisseurs de sédiments) et mal oxygénés (la matière organique se dégrade vite en présence d’oxygène). Après leur dépôt, les sédiments accumulés vont subir une transformation suite à leur enfouissement à grande profondeur, entre 750 et 4800 m (la pression et la température vont augmenter de façon importante jusqu’à atteindre la ‘fenêtre à huile’ ou oil window, c'est-à-dire la zone propice à la formation du pétrole). Une fois formé, le pétrole, de densité très faible, va migrer vers la surface. Le gisement se forme s’il est piégé dans une roche réservoir.

Le gaz naturel est un mélange gazeux d’hydrocarbures composé principalement de méthane. Dans les gisements, il est souvent associé au pétrole (mais il y existe des gisements de gaz uniquement). Il peut être dissous à l’intérieur, ou trouvé sous forme de poche au-dessus du pétrole. La matière organique à l’origine du gaz peut être issue de végétaux terrestres ou d’organismes marins, et le gaz naturel peut être généré au-dessus, à l’intérieur ou en-dessous de la fenêtre à huile (en-dessous de 5000 m, le pétrole n’est plus stable et donc le principal hydrocarbure formé à de telles profondeurs est le méthane). Comme pour le pétrole, la préservation de la matière organique n’est possible que dans des environnements fortement appauvris voire dépourvus d’oxygène (marais ou lacs peu profonds, certains environnements marins). Après sa formation, le gaz naturel migre également vers la surface, et un gisement ne se forme que s’il est piégé lors de sa remontée.

Le charbon provient de l’accumulation de débris végétaux en milieu continental, la plupart du temps dans des environnements chaud et humide, dans des lacs peu profonds appelés tourbières. Ces zones sont caractérisées par une mauvaise oxygénation, permettant la préservation de la matière organique. Les débris végétaux accumulés dans ces environnements vont ensuite être enfouis et évoluer par accroissement de la teneur en carbone. Le charbon se présente sous forme de dépôts stratifiés de couleur sombre (marron à noir).

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Histoire de l’utilisation des énergies fossiles

Depuis la Préhistoire, l’énergie utilisée par les hommes était fournie principalement par l’activité humaine ou animale, complétée par l’utilisation du bois pour le chauffage, la cuisine ou encore pour faire fondre les métaux. C’est seulement lors de la Révolution industrielle (= période marquée par le passage d’une société à dominante agraire et artisanale à une société commerciale et industrielle, qui débute approximativement pendant la seconde moitié du XIXème siècle en Europe) que les choses ont changé avec la découverte d’importants gisements de charbon qui ont permis la mise au point de machines à vapeur et le début de l’industrialisation et de la mécanisation. Depuis les énergies fossiles ont été largement utilisées, mais leur usage (limité) a débuté bien plus tôt :

Le pétrole est connu des hommes depuis très longtemps, puisque les premières traces de son utilisation remontent à 5000 AEC* (Sumériens, Assyriens, Babyloniens). Les anciens égyptiens l’utilisaient dans un but médical, et les Perses en ont fait une arme (480 AEC). Le premier puits de pétrole a été creusé en 1859 aux USA, mais l’usage courant du pétrole se répand essentiellement dans l’entre-deux guerres (milieu du XX^ème siècle).

Le gaz naturel est aussi connu depuis très longtemps, notamment en Perse (de 6000 à 2000 AEC), tandis que le premier forage a été réalisé en Chine en 211 AEC (une profondeur de 150 m a été atteinte en utilisant des tubes de bambou). La distribution commerciale du gaz commence au début du XIX^ème siècle aux USA.

Le charbon a été commercialisé dès 1000 AEC en Chine, et les Romains l’utilisaient également dès 400 AEC. On trouve des mines de charbon en Europe à partir de l’année 1200, mais le charbon n’est utilisé à large échelle qu’à partir du XVIII^ème siècle en Angleterre.

* AEC pour ‘Avant l’ère commune’ ou en anglais BCE pour ‘Before the Common Era’ donc 5000 AEC ou BCE équivaut à 7020 ans avant le présent.

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Les énergies fossiles actuellement

Selon les chiffres de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE ou IEA en anglais), la consommation énergétique mondiale en 2017 était de 13,9 milliards de tonnes d’équivalent pétrole (tep), en augmentation de 2,5 % depuis 2015 et de 60 % depuis 1990. Les sources d’énergie primaires s’avèrent très largement dominées par les énergies fossiles, qui représentent 81 % du total, soit une proportion identique à celle de 1990 (voir les figures ci-dessous). Il existe bien entendu des disparités selon les continents ou les pays : en Afrique par exemple, la proportion des énergies fossiles n’est que de 52 % en 2017 (contre 49 % en 1990), alors qu’en Algérie elle est de 99 % (avec une nette dominance du gaz naturel). Les énergies fossiles représentent 80 % du total consommé aux USA en 2018.

Actuellement dans le monde, une part importante du charbon et du gaz naturel est utilisée pour produire de l’électricité, dont la demande s’accroît continuellement.

Evolution des sources d’énergie primaire entre 1990 et 2017 (selon l’IEA).

Les sources d’énergie primaires peuvent être épuisables (= énergie fossiles, uranium) ou renouvelables. La consommation d’énergie finale est égale à la consommation d’énergie primaire moins toutes les pertes d’énergie le long de la chaîne industrielle. L’énergie primaire est transformée en énergie secondaire (produits pétroliers raffinés, électricité). L’énergie finale est celle qui est utilisée pour satisfaire les besoins de l’humanité.

Les différentes sources d’énergie primaires – Comparaison entres les situations de 1990 et de 2017 (source : IEA).

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Les problèmes posés par l’utilisation des énergies fossiles

Plusieurs problèmes peuvent être soulevés :

• La limitation des ressources :

En effet, les énergies fossiles (de même que le nucléaire) sont des ressources non renouvelables, c'est-à-dire qu’elles sont amenées à s’épuiser après un temps plus ou moins long, variable en fonction de la demande énergétique, mais aussi de la découverte et des capacités d’exploitation de nouveaux gisements. Il est très difficile de déterminer précisément les quantités restantes, tellement les facteurs qui entrent en jeu sont nombreux. Il semble que les réserves en gaz naturel sont beaucoup plus élevées que celles de pétrole, même si l’exploitation de gisements non-conventionnels (gaz de schiste) est encore difficile à évaluer. Les réserves en charbon semblent être encore beaucoup plus importantes, et pourraient couvrir les besoins de l’humanité pour encore plus de cent ans avec le rythme de consommation actuel. Quant à l’uranium, utilisé dans les centrales nucléaires, ses réserves pourraient permettre une utilisation de quelques dizaines d’années.

• La sécurité énergétique et les disparités d’utilisation :

Les principaux gisements des différentes énergies fossiles sont situés dans quelques pays producteurs, ce qui pose le problème de l’accessibilité et du contrôle des ressources :

• pour le pétrole : USA, Russie, Arabie Saoudite
• pour le gaz : principalement Russie et Etats-Unis, puis Qatar, Canada, Iran
• pour le charbon : Chine, Etats-Unis, Inde, Indonésie, Australie

Ces ressources, inégalement réparties entre les pays, sont également inégalement utilisées : en 2008 par exemple, le milliard d’habitants le plus riche avait consommé 50 % de toute l’énergie, alors que le milliard le plus pauvre n’en avait consommé que 4 %.

• Les problèmes environnementaux :

La combustion des énergies fossiles génèrent des gaz à effet de serre (voir la page sur les changements climatiques), et en premier lieu du CO₂. Selon des études menées sur des carottes de glace (= échantillons de glace prélevés par forage) prélevées au niveau des pôles, la teneur en CO₂ de l’atmosphère est restée relativement stable depuis des millénaires, aux alentours de 280 ppm (c’est la valeur moyenne depuis la fin de la dernière glaciation). Cette teneur a commencé à augmenter au début du XIX^ème siècle (début de la révolution industrielle), tout d’abord lentement, puis de plus en plus rapidement, jusqu’à atteindre la valeur actuelle d’environ 415 ppm (2019), soit une augmentation de près de 50 %. La concentration en CO₂ n’est pas stabilisée et continue à augmenter d’années en années. Le CO₂ n’est pas le seul gaz généré par la combustion de ces énergies : on trouve aussi divers gaz azotés, les NO_x (NO, N₂O, NO₂) ou encore des gaz sulfurés, les SO_x. Ces gaz contribuent à la formation de pluies acides.

Les gaz à effet de serre jouent un rôle déterminant dans les changements climatiques (voir les différents rapports établis par les scientifiques du GIEC – en français (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) ou de l’IPCC – en anglais (Intergovernmental Panel on Climate Change).

Plus localement, les activités d’extraction des énergies fossiles peuvent être responsables de dommages environnementaux importants (mines de charbon à ciel ouvert, marées noires, déchets toxiques).

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Les énergies renouvelables - généralités

Par définition, une énergie dite renouvelable (EnR) est une énergie que la nature constitue ou reconstitue plus rapidement que l'Homme ne l’utilise, on peut donc la considérer comme inépuisable à l'échelle humaine (contrairement aux énergies fossiles). Jusqu’à la fin du XVIII^ème siècle, les hommes n’utilisaient quasiment que des énergies renouvelables : bois de chauffe, traction animale, moulins à eau et à vent. Un siècle plus tard, elles ne représentent plus que la moitié des besoins de l’humanité et seulement environ 13 % actuellement (chiffres de l’IEA : voir les figures ci-dessus), mais avec des disparités importantes (de nombreux habitants des pays pauvres n’ont toujours pas accès à l’électricité et la combustion de la biomasse leur fournit une part importante d’énergie).

Un autre avantage des EnR sur les énergies fossiles est leur caractère décarboné, ce qui signifie qu’elles ne génèrent pas de CO₂. Leur développement peut donc nous aider à lutter contre le réchauffement climatique en réduisant les émissions de gaz à effet de serre.

En revanche, les EnR présentent plusieurs inconvénients : elles sont souvent intermittentes (le vent ou le Soleil par exemple ne peuvent pas être exploités 24h/24h !) et largement disséminées (par exemple le Soleil brille sur toute la surface terrestre). Il faut donc envisager un mode de consommation et d’exploitation différent de celui mis en place pour les énergies fossiles, avec notamment des solutions de stockage de l’énergie.

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Les différents types d’énergies renouvelables

Il existe deux principales sources naturelles d'EnR : le Soleil et la Terre. L’énergie solaire peut être directe (ex : photovoltaïque) ou indirecte : énergie éolienne (différences de température à l’origine de la formation du vent), énergie hydraulique (cycle de l’eau), biomasse (photosynthèse). La Terre produit de la chaleur qui peut être exploitée (géothermie) et enfin la gravité est responsable des marées (énergie marémotrice). 

Selon les chiffres de l’Agence Internationale des Energies Renouvelables (IRENA), la production d’EnR a été multipliée par deux en l’espace de dix ans (de 1 226 853 MW en 2010 à 2 536 853 MW en 2019). La principale source d’EnR actuelle est, de loin, l’énergie hydraulique (51 % du total en 2019), devant l’énergie éolienne et l’énergie solaire (environ ¼ du total pour chacune). Au cours de la dernière décennie, c’est l’énergie solaire qui a le plus progressé, avec une capacité totale multipliée par 14 entre 2010 et 2019 (de 41 000 MW environ à près de 600 000 MW), alors que dans le même temps, la capacité éolienne a été multipliée par 3 (de 180 000 MW à 622 000 MW). L’énergie hydraulique au contraire progresse peu, et sa part dans les EnR est passée de 83 % à 51 % en une décennie :

Comparaison de la part des différentes types d’énergies renouvelables dans le monde entre 2010 et 2019 (source : IRENA).

Quelques précisions sur les principales sources d’EnR :

1. L’énergie hydraulique

C’est la seule EnR exploitée à grande échelle pour la production d’électricité, notamment en Asie (41 % du total en 2019), en Europe (17 %) et en Amérique du Nord (15 %). La plus forte progression de cette dernière décennie est observée en Asie (principalement en Chine). Pour exploiter l’énergie hydraulique, on transforme l’énergie cinétique des fleuves, rivières, cours d’eau, chutes d’eau en courant électrique. La puissance de l’installation dépend du débit de l’eau et de la hauteur de la chute. Le principal avantage de l’énergie hydraulique c’est son caractère instantané (capacité de répondre immédiatement aux besoins) et sa capacité de stockage (l’eau est stockée dans des réservoirs).

2. L’énergie éolienne

L’énergie éolienne (= énergie du vent) est utilisée par les hommes depuis très longtemps (navigation maritime, moulins à vent, pompage de l’eau), mais son utilisation a peu à peu été quasiment abandonnée suite au développement de l’utilisation des énergies fossiles. Les projets se développent à nouveau autour des années 1970 suite aux chocs pétroliers.

En 2019, l’énergie éolienne représente 24,5 % du total des EnR, avec un marché nettement dominé par l’Asie et notamment par la Chine (41 %), suivi de l’Europe (31 %) et de l’Amérique du Nord (20 %), l’Afrique représente moins de 1 % de la capacité totale existante (dont 10 MW en Algérie). C’est cependant en Afrique que la progression est la plus forte (production multipliée par 7 en l’espace de dix ans), alors que dans le même temps la capacité éolienne a été multipliée par 5 en Asie.

3. L’énergie solaire

La constante solaire (= énergie issue du Soleil qui arrive au niveau de l’atmosphère terrestre) est égale à environ 1353 W/m² (Freris & Infield, 2008), tandis qu’à la surface elle est en moyenne de 200 W/m², avec des variations importantes selon les saisons et la latitude (dans le Sahara, elle peut atteindre 300 W/m², contre seulement 100 W/m² dans les régions les moins ensoleillées). La quantité d’énergie disponible sur une surface donnée est donc relativement faible, mais en couvrant de panneaux solaires l’essentiel des déserts (soit environ 11,5 millions de km²), certains imaginent qu’il serait théoriquement possible de fournir suffisamment d’énergie à toute la planète (Sangster, 2010)… On en est encore loin…

En attendant, la technologie solaire progresse extrêmement vite, et la production d’électricité d’origine solaire affiche le plus fort taux de croissance de toutes les EnR (+ 50 % / an en moyenne entre 2002 et 2012). Les coûts d’exploitation ont parallèlement baissé de façon très significative. Il existe deux technologies principales : le solaire photovoltaïque (les panneaux solaires) et le solaire thermique.

En 2019, l’énergie solaire représente 23,1 % du total des EnR, avec un marché là encore nettement dominé par l’Asie (56 %), suivi de l’Europe (24 %) et de l’Amérique du Nord (19 %), l’Afrique représente environ 1 % de la capacité totale existante (dont 448 MW en Algérie). C’est en Asie que la progression est la plus forte (production multipliée par 60 en l’espace de dix ans), l’Afrique progresse également de façon significative (x 30), même si sa production reste très faible.

4. La biomasse

La biomasse comprend l’ensemble de la matière organique biodégradable produite par le vivant, c’est donc une source d’énergie carbonée renouvelable. Elle englobe les constituants de l’alimentation humaine et animale, des matériaux (bois, cuir, papier, carton), des textiles (coton, lin, soie), des composés chimiques (résines, cosmétiques, médicaments), les fertilisants naturels (fumure, compost) et les déchets organiques, ainsi que la totalité des combustibles biosourcés (bois de feu, charbon de bois, biocarburants, biogaz, biocombustibles industriels) (Louvel & de Gromard, 2017).

C’est une des sources d’énergie les moins bien connues et pourtant la biomasse constitue la principale source d’énergie pour la majorité des pays en voie de développement : près de la moitié de l’humanité en dépend quotidiennement pour cuire ses aliments (Louvel & de Gromard, 2017). La biomasse est particulièrement présente en Afrique, qui dispose de conditions favorables à son développement : ensoleillement, température, espaces disponibles et ressources en eau abondantes (selon l’IEA, en Afrique, environ 45 % de l’énergie primaire provient de la biomasse en 2017, contre seulement 9,5 % au niveau mondial).

La biomasse est une source d’énergie pour les hommes depuis la préhistoire, mais son utilisation traditionnelle n’est pas sans danger (dégagement de fumées et de goudrons très nocifs). L’utilisation moderne de la biomasse est complètement différente, elle peut fournir à la fois de la chaleur, de l’électricité, du gaz vert (le biogaz) et des biocarburants.

5. La géothermie

La géothermie exploite la chaleur de la Terre. Même si cette chaleur est omniprésente (elle peut servir à produire de l’électricité ou chauffer des bâtiments), cette source d’énergie est largement sous-exploitée et difficile d’accès.

En effet, en 2019, l’énergie géothermique ne représentait que 0,5 % du total des EnR. C’est également l’Asie qui regroupe la plupart des exploitations géothermiques (32 % du total, en Indonésie et aux Philippines essentiellement), suivie de l’Amérique du Nord (25 %) et de l’Europe (12 %). L’Afrique (Ethiopie, Kenya) compte pour environ 6 %.

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Références :

• Barré N. & Roubaud M., 2014 – Les énergies renouvelables. Editions 10/18, Département d’Univers Poche – Usbek et Rica, 160 p.
• Curley R., 2012 – Fossils fuels. Energy : Past, Present, and Future. Britannica Educational Publishing, 142 p.
• Freris L. & Infield D., 2008 – Renewable energy in power systems. Editions Wiley & Sons, 284 p.
• Louvel R. & de Gromard C., 2017 – De la biomasse à la bioéconomie, une stratégie énergétique pour l’Afrique ?. De Boeck Supérieur, Revue Afrique contemporaine, n° 261 – 262, p. 223 – 240. (article disponible en ligne à l’adresse : https://www.cairn.info/revue-afrique-contemporaine-2017-1-page-223.htm).
• Sangster A.J., 2010 – Energy for a warming world : a plan to hasten the demise of fossil fuel. Springer, 178 p.

Pour en savoir plus :

• Brown L.R., 2015 - The great transition  : Shifting from fossil fuels to solar and wind energy. W.W. Norton & Company, 192 p.
• IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change : https://www.ipcc.ch/
• GIEC- Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat : https://www.ipcc.ch/languages-2/francais/
• IRENA – International Renewable Energy Agency : https://www.irena.org/
• IEA - International Energy Agency (Agence Internationale de l’Energie AIE) : https://www.iea.org/
• WRI – World Resources Institute : https://www.wri.org/
• Greenhouse Gas Emissions Over 165 Years - Evolution des émissions des gaz à effet de serre entre 1850 et 2016 (source WRI) :
   
   

(page publiée en juillet 2020)

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