La transition énergétique fait référence à la fois aux tendances passées de la répartition de l’énergie consommée sur la planète et, pour l’avenir, à un objectif politique et technique de changement structurel profond dans la façon dont l’énergie est produite et consommée.
Face à l’urgence de mettre le système mondial de production, de distribution et d’utilisation de l’énergie sur une voie qui préserve l’avenir de notre planète et de ses habitants, la course aux énergies nouvelles est lancée. Les énergies flexibles, propres, abondantes et sans carbone devraient connaître des facteurs de croissance record dans les prochaines décennies.
La recherche se mobilise pour stimuler l’innovation, mais aussi pour optimiser les technologies existantes. L’objectif : garantir l’accès de tous à des services énergétiques fiables à des prix abordables. Lors du 25e colloque intitulé « Chimie et nouvelles énergies », la Fondation de la Maison de la Chimie à Paris, avec les experts les plus qualifiés de la recherche, de l’industrie et des entreprises, a voulu donner un aperçu scientifique d’une évolution possible du « mix énergétique diversifié » en cours de développement.
Tous vers une transition écologique
La transition écologique se définit comme une évolution vers un nouveau modèle économique et social qui offre une solution globale et durable aux grands problèmes environnementaux de notre siècle et aux menaces qui pèsent sur notre planète.
Elle vise un modèle de développement résilient et durable qui repense notre façon de consommer, de produire, de travailler et de vivre ensemble. La transition écologique englobe plusieurs secteurs.
Transition agro-alimentaire
L’agriculture industrielle, qui est aujourd’hui majoritaire, a un impact environnemental élevé. Le secteur agricole est responsable de 24% des émissions mondiales de gaz à effet de serre et de 80% de la déforestation.
Les conséquences sont nombreuses et néfastes pour la planète et les hommes (destruction de la biodiversité, pollution des sols et des eaux, etc.), sans compter l’impact social : 2/3 des travailleurs pauvres dans le monde sont employés dans le secteur agricole.
Une transition vers une agriculture respectueuse de l’environnement et des hommes est nécessaire. Elle doit être axée sur la durabilité afin de permettre l’accès à une alimentation de qualité pour tous.
Transition industrielle
L’industrie est un secteur extrêmement polluant, puisqu’elle est responsable de 18 % des émissions de gaz à effet de serre. L’industrie dans son ensemble doit être repensée pour réduire son empreinte carbone et minimiser son impact écologique.
Cela passe par une production locale pensée à travers une approche durable qui consomme le moins d’énergie possible tout au long du cycle de vie d’un bien : son développement, sa production, sa commercialisation, son utilisation, sa réutilisation et son recyclage.
Transition énergétique
Notre modèle socio-économique est basé sur les énergies fossiles. La transition énergétique est donc fondamentale et nous amène à repenser notre consommation énergétique individuellement et collectivement, de la production à la consommation.
Elle passe d’abord par la réduction de la consommation d’énergie, puis par l’augmentation de la part des énergies renouvelables, pour parvenir à une consommation d’énergie qui respecte les limites planétaires et ne consomme pas de ressources finies et limitées. Il s’agit également de penser l’approvisionnement énergétique sur la base d’un modèle circulaire.
Les technologies arrivent sur le marché
Malgré la crise sanitaire, les investissements mondiaux dans les technologies vertes avancent à grand pas. La transition énergétique et écologique vers une économie à faible émission de carbone est en cours : le coût des technologies solaires et éoliennes diminue régulièrement, l’électrification de l’approvisionnement énergétique augmente, les véhicules électriques sont déployés, etc. Mais le processus doit être accéléré car les émissions de gaz à effet de serre ne diminuent pas assez vite.
Le GIEC l’a affirmé en 2014 : Sous forme d’électricité, de chaleur ou de mouvement, notre consommation d’énergie est responsable des trois quarts des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Atteindre les objectifs de l’Accord de Paris de 2016 nécessitera donc une transition énergétique dont l’ampleur et la rapidité sont historiquement sans précédent. Comme le note Benjamin Tincq, cofondateur et président de Good Tech Lab et fondateur de Solve Climate, selon l’Agence internationale de l’énergie, 35% des réductions d’émissions requises proviendront de technologies encore au stade de prototype et 40% d’innovations qui n’ont pas encore largement pénétré leur marché (chiffres de juillet 2020).
Ces technologies innovantes sont donc attendues avec impatience. Après l’euphorie des clean tech des années 2000 et l’accalmie qui a suivi, on parle désormais de climate tech pour désigner les startups qui se lancent dans le secteur de l’énergie de demain. Elles innovent dans des domaines très variés : le stockage à long terme des énergies renouvelables, le nucléaire de nouvelle génération, l’hydrogène, les carburants de synthèse, la chaleur industrielle, le captage du carbone, la géothermie, les véhicules économes en énergie ou encore l’exploitation durable des métaux de transition.
Catherine Rivière, directrice générale adjointe de l’IFP Energies nouvelles, explique également que la transformation énergétique complète du système actuel en un système neutre en carbone reste un défi majeur. Et cela prendra du temps, avec des investissements conséquents nécessaires, une recherche mobilisée et de nouvelles innovations technologiques. IFPEN travaille sur ces innovations, dont l’objectif sera de réduire le coût des technologies, d’améliorer leur efficacité et de provoquer des ruptures technologiques.
La chimie représente une de ses compétences historiques fortes, la chimie catalytique est au cœur des procédés de raffinage et de pétrochimie. Associée à une autre discipline (électrochimie, physicochimie, photochimie, biochimie, etc.), elle est également une compétence clé dans le développement durable des technologies bas carbone. Catherine Rivière cite, par exemple, la transformation énergétique de la biomasse en carburant pour décarboner le secteur des transports, encore trop dépendant du pétrole, ou les procédés chimiques de recyclage des plastiques.
La décarbonisation de l’industrie
La France a fixé ses objectifs. Comme l’explique Jean-Philippe Laurent, directeur de la stratégie et du développement d’EDF, la PPE (Programmation pluriannuelle de l’énergie) et la SNBC (Stratégie nationale de réduction des émissions de CO2) fixent le cadre global de la neutralité en CO2 à l’horizon 2050. Dans l’industrie, la DGEC (Direction générale de l’énergie et du climat) définit un mix énergétique avec 80% d’énergie électrique.
La SNBC précise comment procéder dans l’industrie : Remplacer le gaz par du biogaz, électrifier la chaleur à basse température et développer l’hydrogène pour les transports. Parmi les acteurs du marché, le groupe EDF propose des services d’efficacité énergétique depuis plus de 20 ans. Son engagement se traduit notamment par quatre plans : le plan solaire (30 GW), le plan stockage (10 GW), le plan mobilité et le plan hydrogène.
Quatre voies sont développées pour la décarbonisation de l’industrie : L’efficacité énergétique, la récupération de la chaleur et l’intégration énergétique des pompes à chaleur haute température, la substitution des énergies fossiles par l’électrification des procédés (comme la compression mécanique de vapeur), le développement durable des énergies renouvelables, qu’elles soient photovoltaïques, biomasse ou CSR (combustible solide de récupération).
Le groupe travaille également à réduire l’empreinte carbone des intrants et/ou des matières premières des procédés industriels issus du pétrole ou du gaz, en proposant par exemple de l’hydrogène décarboné.
Des matériaux pour la transition énergétique et écologique
En novembre dernier, l’Europe a proposé une stratégie visant à porter la capacité éolienne en mer à 60 GW d’ici à 2030 (contre 12 GW aujourd’hui) et à 300 GW d’ici à 2050. L’entreprise commune Fuell Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCHJU) a publié sa feuille de route en 2019, visant à produire 3,7 millions de voitures à hydrogène, 500000 véhicules commerciaux légers et 45000 camions et bus à hydrogène d’ici 2030.
Or, comme le souligne Jean-Paul Moulin, directeur scientifique matériaux d’Arkema, ces objectifs ambitieux induisent de fortes attentes en termes de performances techniques et économiques et de capacité d’industrialisation dans la fabrication des équipements de production, de transport, de stockage et d’utilisation de l’énergie, et donc dans les matériaux utilisés dans ces équipements.
Par exemple, les composites devraient permettre la construction de pales de rotor de plus de 100 mètres de long pour les éoliennes offshore et de réservoirs stockant l’hydrogène à 700 bars dans des conditions économiques permettant de diviser par trois le coût des réservoirs. Les volumes de production attendus avant 2030 nécessitent de disposer de lignes de production industrielles opérationnelles dès 2025. Pour la mobilité, il est également indispensable de réduire la masse des équipements (batteries, réservoirs) et donc de recourir à des composites en fibre de carbone et d’optimiser leur utilisation.
Enfin, le recyclage de ces matériaux en fin de vie doit être démontré et inclus dans les analyses de cycle de vie pour peser tous les impacts.
Au niveau des matériaux, il y a donc de nombreux défis à relever. Les thermoplastiques haute performance peuvent dès aujourd’hui répondre à certains d’entre eux.
Comment stocker l’énergie de demain ?
Autre problème majeur : pour réduire notre dépendance aux énergies fossiles, le stockage de l’énergie est un élément clé. De même que la collecte et le regroupement des énergies dites renouvelables et la conception d’un réseau d’interconnexion entre la source et le consommateur. Le stockage électrochimique est un acteur clé dans ce contexte, tant pour les applications stationnaires que mobiles.
Dominique Larcher et Mathieu Morcrette du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (Université de Picardie Jules Verne/Institut de Chimie de Picardie) expliquent que les batteries de dernière génération (comme les batteries Li-ion) présentent quelques points faibles.
Il s’agit notamment de leur forte limitation cinétique et des problèmes de sécurité liés à l’utilisation d’électrolytes liquides organiques (dont les solvants sont volatils et inflammables). La recherche dans ce domaine se concentre sur le développement durable d’accumulateurs Na-ion pouvant être rechargés très rapidement et sur la synthèse et l’étude d’électrolytes solides inorganiques ininflammables.
Ces développements ont révélé des problèmes inattendus et des limites encore non résolues, mais démontrent le grand potentiel d’innovation dans ce domaine.
L’hydrogène vert : une source d’énergie idéale ?
Dans le domaine de l’énergie de demain, l’hydrogène vert ou hydrogène décarboné est une lueur d’espoir et s’inscrit dans toutes les stratégies internationales et les programmes de relance économique : il représente désormais une énergie alternative idéale pour décarboner à grande échelle l’industrie, la mobilité et le secteur énergétique.
Laurent Carme, directeur général de McPhy (société française spécialisée dans les usines de production et de distribution d’hydrogène), explique que l’hydrogène, qui est utilisé massivement dans les processus industriels, l’est principalement sous sa forme « grise », c’est-à-dire qu’il est produit à partir de combustibles fossiles. De ce fait, il est responsable d’importantes émissions de CO2, équivalentes à celles du fret aérien (chiffres AIE – Agence internationale de l’énergie, 2019). Il est donc envisagé de le remplacer par de l’hydrogène « vert », lui-même produit par électrolyse à partir d’électricité décarbonée ou faiblement carbonée (issue de l’éolien, du photovoltaïque).
Toutefois, l’objectif est d’améliorer la compétitivité et d’accélérer le « changement d’échelle » technologique et industriel à cette fin. L’entreprise est très attachée à ses trois centres de développement durable, de conception et de production en Europe (France, Italie et Allemagne).
Que va devenir l’énergie nucléaire ?
La sortie des énergies fossiles (charbon, gaz et pétrole) ne signifie pas qu’elles seront totalement remplacées par les énergies renouvelables. En France, l’énergie nucléaire devrait rester remarquablement importante.
Christophe Behar, directeur de l’énergie du groupe Fayat et président des fournisseurs de l’industrie nucléaire française, donne un aperçu de l’utilisation future de l’énergie nucléaire. Il explique d’abord que l’énergie nucléaire restera un moyen important de produire de l’énergie électrique à l’avenir.
La demande mondiale d’énergie ne cesse d’augmenter et l’énergie nucléaire se situe dans le peloton de tête des moyens de production d’électricité en termes d’émissions de CO2 par Kwh. Si les ressources en uranium sont limitées, comme c’est le cas pour les combustibles fossiles, elles peuvent être largement économisées en fonction de la technologie de réacteur choisie, notamment avec les réacteurs à neutrons rapides (RNR).
Pour Christophe Behar, un mix énergétique combinant énergies renouvelables et nucléaire serait souhaitable. Il s’agirait d’adapter le fonctionnement des réacteurs à l’utilisation irrégulière des énergies renouvelables (comme c’est déjà le cas), et d’en tirer le meilleur parti, par exemple pour produire de la chaleur ou de l’hydrogène par électrolyse.
D’ici la fin du XXIe siècle, l’Etat prévoit de construire quelques réacteurs à neutrons rapides. Pour quelles raisons ? D’abord parce que cette technologie préserve les ressources naturelles d’uranium, ensuite parce qu’elle permet un recyclage complet de tous les matériaux, et enfin parce qu’elle simplifie l’élimination des déchets très hautement radioactifs et à vie longue.
Et qu’en est-il des solutions de fusion de l’hydrogène ? Bernard Bigot, président de la Fondation de la Maison de la Chimie, est directeur général d’ITER Organization. Il commence par rappeler que les premières recherches sur le sujet remontent au début du XXe siècle. Le Français Jean Perrin (1919) et l’Anglais Arthur Eddington (1920) ont été les premiers à émettre l’hypothèse que la source d’énergie du Soleil et des étoiles pouvait provenir de la fusion de noyaux d’hydrogène en hélium.
La première expérience sur la fusion d’un isotope de l’hydrogène, le deutérium, a été réalisée par Ernest Rutherford en 1934. Et dans les années 1940, sur Telle, on envisage de remplacer les gigantesques forces gravitationnelles agissant dans les étoiles pour permettre la fusion de l’hydrogène par des forces magnétiques de même capacité.
Le premier brevet a été déposé en 1946 par des physiciens britanniques pour un réacteur constitué d’une chambre à vide en forme de tore entourée d’une cage magnétique. En 1950, les Russes ont conçu la première installation de recherche de ce type, le Tokamak, dans lequel les premières réactions de fusion ont rapidement eu lieu.
Par la suite, de nombreux pays ont construit des tokamaks de plus en plus puissants. Cependant, la taille requise pour une installation de démonstration capable de produire une énergie nette s’est avérée si importante qu’en 1985, les États-Unis et l’Union soviétique ont lancé un grand programme de recherche international pour construire l’installation ITER.
Le projet, auquel participent 35 pays, est en cours sur le site de Cadarache en Provence depuis 2007. Bernard Bigot a expliqué l’état actuel du projet. Un premier plasma est prévu pour la fin 2025, les premières expériences physiques pour la fin 2028, et la pleine capacité de fusion pour la fin 2035. Et en 2040, en fonction des résultats de la recherche, une première installation industrielle connectée au réseau est envisagée pour 2050-2060.
L’ammoniac, un des futurs e-carburants
L’ammoniac, deuxième composé chimique le plus abondant au monde (en volume), dont la formule chimique est NH3, présente tellement d’avantages qu’il est appelé à jouer un rôle dans la transition énergétique et donc la transition écologique. Il est facile à produire localement, peut facilement stocker et transporter l’énergie, et s’avérera d’autant plus attractif qu’il sera produit à partir des surplus d’électricité provenant de ressources renouvelables.
Comme le souligne Christine Mounaim-Rousselle du Laboratoire PRISME (Université d’Orléans), l’ammoniac, un des vecteurs azotés de l’hydrogène, est beaucoup moins cher à stocker sur une longue période que l’hydrogène, et au moins trois fois moins cher à transporter en mer ou sur terre. Son utilisation peut être envisagée soit comme vecteur d’hydrogène en le décomposant en H2, soit comme combustible dans des systèmes énergétiques industriels stationnaires ou transitoires (tels que les brûleurs industriels, les générateurs d’électricité ou les transports), ou encore dans une pile à combustible. Et surtout, sa combustion ne produit que de l’eau et de l’azote, tout comme le H2.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, la Belgique disposait déjà d’une flotte d’autobus fonctionnant au GPL et au NH3. L’idée d’utiliser l’ammoniac comme carburant n’est donc pas nouvelle. Dans les années 1960 et 1970, cette solution a été étudiée pour les moteurs à combustion interne. Pour amorcer la décarbonisation du secteur, l’OMI (Organisation maritime internationale) a annoncé pour 2019 que l’ammoniac fera partie du spectre des solutions explorées. Le secteur de l’aviation est également intéressé.
Christine Mounaim-Rousselle note cependant que cette molécule n’est pas encore utilisable car elle pose de gros problèmes d’approvisionnement et de sécurité, et ses propriétés physiques laissent à désirer par rapport aux carburants classiques. En effet, bien que l’ammoniac ait une densité énergétique supérieure à celle de l’hydrogène, il occupe beaucoup plus d’espace que le gazole pour une même quantité de propulsion.
Il peut être un carburant adapté aux groupes auxiliaires de puissance (ou aux prolongateurs d’autonomie pour les véhicules à batterie) car l’autonomie est plus limitée. Il est également étudié pour les unités de puissance stationnaires telles que les turbines à gaz ou les générateurs, où il pourrait servir de combustible pur ou partiellement prémélangé avec de l’hydrogène.
Enfin, des études récentes montrent qu’il présente un intérêt pour les brûleurs industriels alimentés au charbon ou au gaz de cokerie afin de décarboniser partiellement ce type d’installations.
Les Français sont-ils prêts ?
En 2019, plus de 80% de l’énergie consommée dans le monde provenait des énergies fossiles. Nos infrastructures énergétiques doivent donc se transformer complètement dans les 30 prochaines années pour respecter l’Accord de Paris sur le climat, c’est-à-dire réduire nos émissions de CO2 d’au moins un facteur 4 d’ici 2050 et devenir neutres en CO2 dans la seconde moitié du siècle.
Comme l’ont souligné les intervenants du colloque, les débats sur la transition énergétique et la transition écologique se concentrent souvent sur les types de sources d’énergie de demain à utiliser, tandis que les technologies à déployer sont beaucoup moins souvent mentionnées. Comme l’a souligné Grégory De Temmerman, directeur général de Zenon Research, le temps est un facteur important.
Loin des discours très optimistes qui reviennent souvent, il faut considérer les limites de ce qui est physiquement possible. De l’étude des transitions passées et de leur durée, tant à l’échelle nationale que mondiale, on peut tirer des enseignements pour l’étude de l’utilisation des différentes sources d’énergie (nucléaire, photovoltaïque, éolienne…).
Autre aspect essentiel à prendre en compte pour la transition écologique à venir : l’intégration d’une part croissante de moyens de production renouvelables intermittents implique que, pour la première fois de son histoire, l’humanité évolue vers une abondance et une densité décroissantes de puissance. Alors que la tendance est plutôt à l’augmentation de la consommation d’énergie ainsi qu’à la concentration d’une part croissante de la population dans les mégapoles.
La question de l’acceptation sociale des différentes technologies est également importante, ajoute Grégory De Temmerman. L’énergie nucléaire et l’énergie éolienne sont toutes deux controversées en termes d’élimination des déchets, de besoins en matériaux ou d’utilisation des sols. Par conséquent, la mise en œuvre de projets à grande échelle est ralentie dans le contexte de la nécessité croissante de protéger le climat.
