Energie primaire/finale: Note établie par la commission « énergie » de l’Académie des technologies et de IIASA

Les considérations de l’AT ont le mérite d’être rationnelles et scientifiques. Mais les économistes ne l’entendent pas de cette oreille. Pour eux les énergies du vent et du soleil sont gratuites et les énergies finales et primaires sont donc égales.

Les constructeurs de scénarios utilisent d’autres conventions encore que voici pour l’IIASA:

Les conventions utilisées par l’IIASA pour définir les différentes formes d’énergie sont les suivantes :

Energie finale : énergie achetée par l’utilisateur. Par exemple gaz ou électricité. L’origine de l’électricité n’est pas précisée

Energie secondaire : énergie sortant de l’usine de production. Par exemple l’électricité, l’hydrogène, les combustibles liquides. Les sources d’électricité sont alors précisées (charbon, nucléaire, éolien etc.)

Energie primaire : Il s’agit de l’énergie nécessaire pour produire l’énergie secondaire ou finale.

Deux conventions sont utilisées :

· L’énergie primaire par substitution qui correspond à la quantité de combustible fossile nécessaire pour fournir la même quantité d’énergie finale ou secondaire. Pour la production d’électricité par des centrales fossiles le rapport entre l’énergie secondaire et l’énergie primaire reflète un rendement de l’ordre de 33%. Il en est de même pour l’énergie nucléaire et les énergies renouvelables.

· L’énergie primaire directe qui est équivalente à la précédente pour les combustibles fossiles mais considère que, pour le nucléaire et les ENR, l’énergie primaire et l’énergie secondaire sont égales

—–

A la différence donc de la :

Note établie par la commission « énergie » de l’Académie des technologies en 2007/2008 après les confusions de nos candidats à la présidence de la république.

V0 – 160408 1
Energie : des bons et des mauvais usages des concepts d’énergies primaires, finales et utiles

Les deux candidats à la présidence, lors de leur débat télévisé d’avril 2007, se sont lourdement trompés sur les interprétations à donner aux chiffres d’énergie finale et d’énergie primaire. Les téléspectateurs, dans leur immense majorité, ont renoncé à comprendre ce qu’ils ont pris pour des querelles d’experts ! Cet épisode illustre à quel point les hommes politiques, les médias et le public en général auraient besoin d’explications simples sur ce qu’est l’énergie, comment on peut la mesurer, comment on peut comparer entre elles différentes formes d’énergie. L’ambition de cette « lettre » est de répondre à ce besoin, de présenter les trois niveaux d’énergie retenus par la communauté internationale des énergéticiens pour tenter de parler le même langage, puis d’illustrer quelques bons et quelques mauvais usages que l’on peut faire de ces différents éléments.

Qu’est-ce que l’énergie ?

Le Petit Robert 2008 définit ainsi l’énergie : « propriété d’un système capable de produire un travail, grandeur physique liée à cette capacité ». Il fait remonter le mot en France à 1868 et en Grande Bretagne à 1852, c’est-à-dire hier. Il évoque les différentes formes d’énergie et leurs transformations. L’énergie est donc quelque chose de multiforme (nucléaire, chimique, mécanique, électrique), qui gouverne le monde depuis sa création, domestiquée par l’homme depuis l’origine mais régie par des règles connues depuis peu. Elle reste en fait très mystérieuse pour le plus grand nombre [1]. Ceci peut expliquer que les deux candidats à l’élection présidentielle de 2007, lors de leur grand débat télévisé, se soient complètement emmêlés dans leurs références aux différentes énergies.

L’homme ne « crée » pas d’énergies, il se contente de les transformer, chacune de ces transformations s’accompagnant de « pertes » qui sont le plus souvent sous forme de chaleur déversée dans l’environnement (atmosphère, rivière ou mer). La transformation d’une énergie « chaleur » en énergie « mécanique » est régie par des principes de thermodynamique (principes explicités par Carnot) : en pratique, les rendements de ces transformations dans les moteurs thermiques peuvent aller de moins de 10 % (locomotives à vapeur) à plus de 50 % dans certaines centrales électriques modernes. Le « rendement » de transformation de l’énergie solaire en énergie « chimique » de cultures est de l’ordre de 1 % et de viande encore dix fois plus faible.

La « grandeur physique » censée caractériser une énergie, évoquée par le dictionnaire, dépend donc considérablement du stade de transformation et d’utilisation de l’énergie. Il en résulte que comparer entre elles des énergies différentes est un exercice difficile. Compare, ou additionner, une énergie sous forme de chaleur à une énergie électrique est un peu comme comparer une pomme de terre avec une pomme. Cependant, ces comparaisons sont souvent utiles, voire nécessaires, notamment lorsque l’on veut établir des statistiques ou faire de la prospective énergétique au niveau international. Elles font l’objet de conventions précises qui permettent aux intéressés de se comprendre et d’échanger des informations.

Les conventions internationales

La convention la plus récente, adoptée par la France en 2002 par l’Observatoire de l’Energie [2], définit 3 niveaux de comparaisons, les énergies « primaires », « finales » et « utiles » :
• Energies primaires – ce sont les ressources que l’homme peut exploiter : le charbon, le pétrole et le gaz extraits du sol, le potentiel d’énergie mécanique des rivières ou des marées, la chaleur produite par la fission ou la fusion nucléaire, le potentiel d’énergie chaleur des parties de plantes utilisées pour un usage donné (alimentation ou production de carburant).
• Energies finales – ce sont les énergies mises à la disposition du consommateur final : le carburant automobile à la pompe, le kWh au compteur, le combustible utilisé pour le chauffage.
• Energies utiles – traduisent le service rendu : énergie motrice sur les roues d’un véhicule, chaleur effectivement utilisée pour le chauffage, …

En France, en 2005, pour donner une idée des ordres de grandeur, l’énergie primaire utilisée était de 270 Mtep, l’énergie finale fournie aux consommateurs de 160 Mtep (dont 45 sous forme d’électricité) et l’énergie utile de 85 Mtep (dont 40 provenant de l’électricité). La figure suivante montre sur quelques exemples comment on passe d’une forme d’énergie à une autre.

• Pour le transport automobile, le carburant est produit dans les raffineries et transporté aux stations services avec peu de pertes : les 50 Mtep d’énergie finale livrée aux consommateurs sont obtenus à partir d’environ 55 Mtep de pétrole brut. En revanche, le rendement des moteurs thermiques est médiocre, 25 % en moyenne, et l’énergie motrice utile n’est que de 11 à 12 Mtep (soit 20 % se l’énergie primaire). Par comparaison, la SNCF consomme environ 1 Mtep d’énergie électrique pour l’ensemble des transports ferroviaires).
• Pour le chauffage, au gaz naturel ou au bois, l’acheminement au consommateur consomme environ 10 % de l’énergie, et le rendement des chaudières modernes est proche de 80 % : l’énergie utile est d’environ 70 % de l’énergie primaire.
• Pour l’électricité, l’essentiel des pertes a lieu lors de sa production, qui se fait avec un rendement de 33 % dans les centrales nucléaires et en moyenne dans les centrales au charbon aujourd’hui en service dans le monde. Mais il y a très peu de pertes dans l’utilisation de l’électricité, que ce soit pour fournir de la chaleur ou pour ses usages spécifiques (moteurs, électronique…). Lorsque l’électricité est utilisée pour faire fonctionner une pompe à chaleur, qui puise les trois quarts de l’énergie restituée dans une source extérieure (air, nappe phréatique ou géothermie), l’énergie utile est du même ordre de grandeur que l’énergie primaire ayant servi à produire l’électricité.

Ces quelques exemples permettent de comprendre qu’il faut prendre quelques précautions lorsque l’on veut comparer entre elles différentes formes d’énergie, et qu’il y a de bons et de mauvais usages des concepts définis plus haut.

Des bons usages de la convention internationale

L’énergie primaire permet essentiellement de comptabiliser les ressources : réserves et consommation de combustibles fossiles et nucléaires, flux d’énergies renouvelables exploitées (hydraulique, éolienne, solaire, biomasse, etc.). Cette comptabilisation est évidemment utile au niveau de la planète ; mais elle est également nécessaire pour chaque pays qui doit assurer son approvisionnement en énergie, soit en prélevant sur ses ressources propres, soit en important. Plus récemment est apparu le besoin de comptabiliser les rejets de CO2, principal gaz à effet de serre. Etant donné que la combustion d’une tep de charbon, de pétrole ou de gaz naturel donne respectivement 4,4, 3,3 et 2,6 tonnes de CO2, la connaissance des énergies primaires utilisées permet de calculer les quantités de CO2 rejetées dans l’atmosphère.

L’énergie finale mesure la consommation des différents utilisateurs, industriels agriculteurs ou particuliers. L’énergie finale pouvant être source de chaleur (pétrole, gaz, biomasse) ou sous forme électrique, on est amené à comparer des formes d’énergies très différentes. 1 MWh électrique vaut 3,6 GJ, et on attribue la même valeur « finale » à ces 3,6 GJ qu’à 3,6 GJ thermiques qui ne vont pas rendre les mêmes services. L’énergie finale ne peut donc pas être utilisée seule : il faut au minimum préciser les parts respectives d’électricité et d’énergies thermiques. Les consommateurs le savent bien, au demeurant, car ils ne paient pas le même prix un MWh de gaz naturel et un MWh électrique. L’énergie finale permet surtout de suivre l’évolution des consommations au cours du temps.

L’énergie utile traduit les services rendus, très différents selon l’usage qui est fait de l’énergie finale : pour les déplacements, l’énergie utile représente moins de 25 % de l’énergie finale dans le cas de moteurs thermiques, près de 50 % avec une pile à combustible, plus de 80 % avec un moteur électrique. En revanche, pour les usages chaleur, l’énergie utile représente toujours entre 70 et 90 % de l’énergie finale, sauf pour les pompes à chaleur pour lesquelles l’énergie utile vaut entre 300 et 400 % de l’énergie finale.

On pourrait s’attendre à ce que les comparaisons de consommations soient faits à service rendu donné, c’est-à-dire en termes d’énergie utile. Mais il y a tellement de facteurs intermédiaires qui entrent en jeu que ce niveau est rarement utilisé. En revanche, on notera que globalement, dans les pays industriels dont la France, l’énergie utile représente environ la moitié de l’énergie finale et le tiers de l’énergie primaire. Ceci tient au fait que le rendement thermodynamique des moteurs thermiques est faible. Le remplacement de moteurs thermiques par des moteurs électriques permettrait d’augmenter de façon sensible ces facteurs. La mise en œuvre systématique de pompes à chaleur pour le chauffage aussi.

Des mauvais usages de la convention internationale

Le premier exemple est celui cité en tête : Mme. Royal, en affirmant que le nucléaire ne représente que 2 % de l’énergie primaire mondiale, a tout simplement comparé les 0,2 Gtep d’énergie finale « électricité nucléaire » aux 10 Gtep d’énergie primaire. Se fondant sur ces 2 %, elle a ajouté que la contribution du nucléaire à la lutte contre l’effet de serre était marginale, commettant là une deuxième erreur : pour produire des 0,2 Gtep d’électricité à partir de combustibles fossiles, il aurait fallu en brûler 0,6 Gtep, soit 6 % de la consommation mondiale totale d’énergie. M. Sarkozy, en parlant de la France, a également comparé l’électricité finale nucléaire (37 Mtep) à l’énergie primaire (260 Mtep) ; il a quand même noté la très forte contribution du nucléaire français à la réduction des rejets de CO2 dans notre pays.

Plus généralement, on constate que la faible proportion de l’électricité dans l’énergie finale, due au fait que les pertes thermodynamiques sont en amont pour l’électricité et en aval pour les énergies thermiques, tend à faire perdre de vue le rôle essentiel que l’électricité peut et doit jouer dans la lutte contre l’effet de serre. En France, par exemple, l’électricité représente 28 % de l’énergie finale mais fournit 47 % de l’énergie utile. Remplacer en partie le pétrole par l’électricité dans les transports, remplacer le gaz et le fioul par des pompes à chaleur dans l’habitat, permettrait d’augmenter ce ratio à près de 60 %. Or le Grenelle de l’environnement n’en parle pratiquement pas et ne propose aucune mesure concrète pour promouvoir l’électricité au détriment des combustibles fossiles.

Quelques pièges à éviter

Les concepts d’énergie primaire, finale et utile ne permettent pas de faire le tour complet des questions d’énergie. Il est indispensable d’introduire plusieurs autres facteurs :
• Les économies d’énergie permettent de réduire les quantités nécessaires d’énergie utile ; un logement mieux isolé, avec des besoins de chauffage de 100 kWh/m² au lieu de 200, consommera deux fois moins d’énergie utile (et finale).
• Une efficacité énergétique améliorée permet de réduire la quantité d’énergie primaire nécessaire pour produire une énergie finale donnée, et (ou) la quantité d’énergie finale nécessaire pour fournir une quantité donnée d’énergie utile.
• Il faut bien évidemment compléter tout cela par une optimisation des coûts, qui passera généralement par une combinaison de mesures de natures diverses, dans une approche système qui intègre l’ensemble des facteurs évoqués dans cette note.

En amont, l’extraction d’une énergie primaire peut elle-même être consommatrice d’énergie : c’est le cas notamment des sables bitumineux et des schistes asphaltiques, pour lesquels il faut fournir près de 1 tep d’énergie extérieure pour obtenir 1 tep de brut. Si cet apport d’énergie est du gaz naturel, on multiplie par 1,5 à 2 les émissions de CO2 du pétrole issu de ces gisements. Globalement, si ces gisements « non conventionnels » contribuent pour 10 % à l’approvisionnement en pétrole, les rejets de CO2 dus à la consommation de pétrole augmenteront de 5 à 10 %. Quand on regarde la production de biocarburants, il est également comptabiliser les dépenses d’énergie nécessaires pour produire la matière première utilisée.

[1] P. Bacher – L’énergie en 21 questions, chap. 2 – Odile Jacob (2007)
[2] Statistiques Energétiques : éléments pour un débat – DGEMP (février 2003)

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