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Concepts et chiffres de l'énergie : Conversion d'énergie et analyse sur cycle de vie

Delphine Chareyron

ENS Lyon / DGESCO

Hélène Horsin-Molinaro

ENS Paris-Saclay / DGESCO

Bernard Multon

ENS Rennes

Delphine Chareyron

ENS Lyon / DGESCO

25/01/2021


Introduction

Le dossier « Concepts et chiffres de l'énergie » est co-rédigé et co-publié avec le site Culture Sciences de l'ingénieur. Les données sont tirées de nombreuses références (rapports de groupes de recherche, publications dans des revues spécialisées, rapports d'instituts nationaux...)

Dans cette ressource, nous nous intéressons à la notion de cycle de vie de tout produit et plus particulièrement des convertisseurs d'énergie qui ont, comme principale caractéristique de consommer (convertir en réalité) de l’énergie (primaire ou finale [1] selon leur position dans le système énergétique) durant leur phase d’usage.

Dans l'article « Concepts et chiffres de l'énergie : comment définir le rendement d’un convertisseur d’énergie ? » [1] nous nous sommes intéressés aux notions de rendement qui caractérisent usuellement les convertisseurs d'énergie (à partir d’énergie primaire : électronucléaire, éolienne… ou à partir d’énergie finale : moteur thermique, chaudière, ampoule électrique, etc.). Nous avons pu nous rendre compte que la notion de rendement pouvait être restreinte au périmètre du convertisseur seul (en raisonnant en puissance ou en énergie) mais qu’elle pouvait également être étendue bien au-delà, en considérant l’origine de l’énergie finale consommée, les phases d’extraction des matériaux et de fabrication, etc., bien sûr, sa phase de fonctionnement « normal », enfin sa déconstruction et ou son recyclage, autrement dit : l’ensemble de son cycle de vie.

Du seul point de vue énergétique, seule la totalité de l’énergie primaire non renouvelable , consommée sur toute la vie du produit, doit être considérée car elle correspond à des ressources définitivement (aux échelles de temps humaines) détruites, contrairement aux énergies renouvelables de flux qui sont continûment approvisionnées par les cycles naturels.

Dans cet article, nous allons présenter ce qu'est l'analyse sur cycle de vie, qui peut être réalisée sur tout convertisseur d'énergie, de la même manière que sur tout produit [2] .

1. Cycle de vie d'un produit

Lorsque l'on s'intéresse au cycle de vie d'un produit, on prend en compte toute sa vie : de l'énergie et des matières premières nécessaires à sa construction, jusqu'à sa destruction et son recyclage, figure 1 [3][4] , tout en définissant cependant un périmètre précis.

Ce périmètre joue un rôle important et doit être le plus étendu possible (le plus étendu serait le « système Terre » tout entier !). Par exemple, dans le périmètre, se trouvent la zone géographique d’origine des matières premières ainsi que celle d’utilisation du produit, incluant, le cas échéant, un mix énergétique connu de production des formes d’énergie finale mises en jeu.

Figure 1 : Énergie consommée sur le cycle de vie d’un convertisseur, prise en compte de l’énergie grise.

(Source : Conversion d'énergie et efficacité énergétique, B. Multon, 2018 [1][3] )

Cela nous amène à introduire le cycle de vie d'un produit, produit qui peut être un convertisseur d'énergie. En plus de l'énergie et des matières premières nécessaires à sa construction, on prend en compte maintenant toute sa vie jusqu'à sa destruction et son recyclage, figures 2 et 3.

Figure 2 : Schéma du cycle de vie d'un produit.

(Source : L'analyse sur cycle de vie d'un produit ou d'un service. [5] )

L'ADEME a réalisé une courte vidéo pour sensibiliser le public au cycle de vie d'un produit.

Figure 3 : Vidéo présentant le cycle de vie d'un produit. (Source : ADEME, 2017.)

Adopter le point de vue de cycle de vie d'un produit, permet de l’étudier dans sa globalité, et surtout de mieux le concevoir, en considérant les étapes de sa fabrication jusqu’à la prise en charge de ses déchets et son recyclage, c’est-à-dire l’éco-concevoir. En dehors de la conception, l’analyse sur cycle de vie permet de comparer des produits différents mais permettant de satisfaire le même besoin.

2. Définition de l'analyse sur cycle de vie (ACV)

Les fondements de l'analyse sur cycle de vie (ACV, en anglais : LCA pour Life Cycle Assessment) ont émergé dans les années 70 [6] .

L’ACV s’est progressivement formalisée jusqu’à sa normalisation durant les années 2000. Au sein de la famille ISO 14000 [7] des normes internationales pour le management environnementale, elle fait désormais l'objet de normes (ISO 14040:2006 et ISO 14044:2006 [8][9] ) qui fournissent une base de travail et de calcul [10] . Ces deux normes s'intéressent uniquement aux impacts environnementaux, des considérations sociales, sociétales et économiques pourraient aussi entrer dans la balance [11] .

L'analyse sur cycle de vie constitue une démarche indispensable pour mener à bien des démarches d'éco-conception [12] . Dans ce contexte, les enjeux énergétiques et climatiques sont des moteurs tant du point de vue des choix que des normes soumises aux entreprises [13] .

Les critères sont nombreux : quantité de matières premières utiles, dont les matières premières énergétiques non renouvelables, utilisation de ressources primaires ou recyclées et recyclables, pollution (eau, air, sol), contribution au réchauffement climatique global (CO2, CH4, N2O,... rejetés), dégradation de la couche d'ozone, impacts sur les écosystèmes et la biodiversité, toxicité, etc. (figure 4).

Figure 4 : Impacts potentiels environnementaux associés à l'analyse sur cycle de vie. *L’eutrophisation des milieux aquatiques est un déséquilibre du milieu provoqué par l'augmentation de la concentration de nutriments (azote et phosphore) dans le milieu. Elle est caractérisée par une croissance excessive de plantes et d'algues invasives qui asphixient les écosystèmes.

(Source : European Platform on Life Cycle Assessment, Consumer's behaviour in assessing environmental impact of consumption [14] )

3. Méthodologies pour réaliser l'analyse sur cycle de vie

Il existe de nombreuses méthodes et bases de données pour déterminer les effets ou dommages des substances utilisées sur l'environnement. Il s'agit de créer un inventaire et de lister, à chaque étape de la vie de l'objet, les éléments à prendre en compte et leur pondération dans le calcul final réalisé par des logiciels, en fonction des méthodes choisies.

C'est un travail long, qui demande de l'organisation, beaucoup de données et n'est pas forcément facilement harmonisable mondialement. En effet l'impact dépend de nombreux paramètres locaux comme la distribution de la population humaine, les écosystèmes, les zones géographiques...

Les usages envisagés, dont leur durée, sont aussi des paramètres très importants. Il est d’ailleurs possible d’effectuer une analyse dynamique considérant l’évolution prévue d’un mix énergétique. Il peut y avoir des effets dont les causes sont directement liées à la conception du produit et d'autres qui sont des conséquences plus lointaines ; par exemple la participation à la dégradation de la couche d'ozone engendre une augmentation des rayons UV touchant le sol et cause ensuite des problèmes de santé pour l'homme.

L'Union Européenne s'inscrit dans cette démarche. La commission européenne développe des outils de travail et d'évaluation des analyses de cycles de vie pour rendre compte de l'empreinte écologique de la consommation des citoyens européens, figure 5.

Figure 5 : Indicateurs et évaluation de l'impact environnemental de la consommation de l'UE.

(Source : European Platform on Life Cycle Assessment, Sustainable Consumption [14] )

En janvier 2021, les indicateurs pour évaluer les impacts environnementaux de la consommation de l’UE étaient : 12- Production et consommation responsable ; 9- Industrie, innovation et infrastructure ; 11- Villes et communautés durables ; 3- Bonne santé et bien-être ; 6- Eau propre et assainnissement ; 13- Mesures relatives à la lutte contre les changements climatiques ; 14- Vie aquatique ; et 15- Vie terrestre [14] .

Ces indicateurs sont issus des 17 objectifs de développement durable pour parvenir à un avenir meilleur et plus durable pour tous définis par les Nations Unies. Ils répondent aux défis mondiaux auxquels nous sommes confrontés, notamment ceux liés à la pauvreté, aux inégalités, au climat, à la dégradation de l’environnement, à la prospérité, à la paix et à la justice, figure 6.

Figure 6 : Les 17 Objectifs de développement durable définis par les Nations Unies.

(Source : Objectifs de développement durable - Nations Unies [15] )

4. Complexité des résultats

Il faut garder en tête que malgré le cadre donné par les normes, l'analyse sur cycle de vie d'une filière (par exemple un type de convertisseur d'énergie) est très complexe. Les résultats peuvent différer d'une étude à l'autre, en fonction de la localisation de l'installation, des caractéristiques spécifiques du système, mais également parfois en fonction des critères retenus. En effet, il arrive malheureusement que de complexes ACV servent à justifier des produits, c’est pourquoi il est fondamental de conserver un esprit très critique lors de la lecture de rapports d’ACV.

Comme nous venons de le voir, une quantité énorme de données est à collecter pour une seule étude sur cycle de vie. Ainsi, dans le cas présent de filières énergétiques, il est important d’observer différentes sources et de les analyser avec une grande attention pour obtenir des résultats pertinents.

5. Analyses sur cycle de vie de filières énergétiques

Dans cette dernière partie, on propose de présenter rapidement quelques résultats d'études dont le nombre augmente sans cesse.

Comme nous l'avons évoqué plus haut, il est très difficile d'effectuer des comparaisons sur différentes filières de conversions d'énergie à cause des spécificités territoriales, économiques et propres à chaque territoire. On trouve néanmoins des études comparatives pour lesquelles, en majeure partie, on ne s'intéresse, qu'aux rejets de CO2 parmi tous les autres critères cités précédemment [11] .

Dans d'autres études plus complètes, on voit apparaitre beaucoup plus de facteurs environnementaux comme : la quantité de particules rejetées, la toxicité, l'impact sur le territoire (dégradation de l'environnement aquatique et occupation des terres). L'étude prend aussi en compte l'utilisation de minerais non renouvelables (mais recyclables, sauf en cas d’irradiation) : fer, cuivre, l'aluminium, l'énergie non renouvelable et la quantité de ciment utilisée à la fabrication des convertisseurs des filières de production d’électricité (figure 7). Dans cet exemple, les auteurs comparent les filières photovoltaïque, solaire concentré, hydroélectrique, éolienne, charbon et gaz naturel, ils ont volontairement choisis de ne pas traité la filière électronucléaire. Lorsqu'il s'agit de comparer des filières technologiques, il est nécessaire d'introduire une unité fonctionnelle, comme le MWh électrique dans la figure 7.

Figure 7 : Comparaison des impacts sur l'environnement à l'aide de l'analyse sur cycle de vie pour différentes filières de production d'énergie électrique.

(Source : Integrated life-cycle assessment of electricity-supply scenarios confirms global environmental benefit of low-carbon technologies, Proceding of the National Academy of sciences of the USA [16] )

Dans cette étude on réalise que quels que soient les convertisseurs d'énergie étudiés, leur impact n'est pas neutre sur l'environnement. En effet, par exemple, ce n'est pas la conversion d'énergie solaire en électricité à l'aide d'un panneau photovoltaïque qui va émettre du CO2, mais sa construction. De même, pour le solaire concentré, les éoliennes et les barrages, la quantité de ciment nécessaire est importante.

Comme nous l'avons vu dans l'article « Concepts et chiffres de l'énergie : Réserves et ressources en énergie et matières premières non énergétiques » [17] , il y a une pression forte sur les ressources minérales non énergétiques et les filières de recyclage commencent tout juste à se développer.

Dans le cas des barrages, le fait d’inonder de vastes superficies de terres végétalisées peut constituer une importante source d’émission de méthane durant la phase d’exploitation. C’est particulièrement le cas dans les forêts équatoriales non déforestées avant remplissage de la retenue d’eau, où de très grandes quantités de biomasse vont se décomposer de façon anaérobique et avoir une contribution au réchauffement global du même ordre de grandeur, voire supérieure à une production électrique identique à partir de combustibles fossiles.

Si l'on considère l’ensemble du cycle de vie et l’épuisement de ressources renouvelables, le calcul du rendement d'un convertisseur, conduit ainsi à des résultats très différents de ceux habituellement présentés..

Par, exemple, dans le cas du nucléaire, les étapes nécessaires sont :

  • Obtenir du combustible fissile : extraire les minéraux radioactifs (aujourd'hui de l'uranium naturel) dans des mines, transformer et transporter les minéraux vers les sites de transformation, enrichir l’uranium naturel pour augmenter sa teneur en isotope 235 (0,2% à l’état naturel et 3 à 4% pour qu’il devienne fissile) ;
  • Fabriquer la centrale : nécessité de rassembler une grande quantité de fer, ciment, etc. ;
  • Transformer l'énergie thermique nucléaire en électricité : dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur. Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur (circuit primaire). Le circuit primaire communique sa chaleur à un second circuit fermé (appelé circuit secondaire) pour générer de la vapeur. La vapeur sous pression est détendue dans une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Enfin, comme dans toutes les installations de production électrique de grande puissance, un transformateur élève ensuite la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour permettre son transport dans les lignes très haute tension [18] .

Chaque étape de transformation de l'énergie entraîne irrémédiablement des pertes. Quel est le rendement, quels sont les impacts de cette chaîne d'étapes depuis la mine à l'électricité produite, en passant par la construction de la centrale ?

Les analyses sur cycle de vie sont éminemment complexes, et ne seront pas développées ici, par ailleurs un exemple de calcul de rendement soutenable est poposé dans l'article Conversion d'énergie et efficacité énergétique (sections 6.3 et 6.4), en se basant sur le rapport de l’énergie finale produite ramenée à l’énergie consommée durant toute la vie de l’installation. Le rendement soutenable est calculé pour 2 cas de conversion d'énergie (nucléaire et photovoltaïque).

Autre exemple, dans le cas de l'éolien les étapes nécessaires sont :

  • Fabriquer l'éolienne : nécessité de rassembler une grande quantité de fer, ciment, etc.
  • Transformer l'énergie mécanique en électricité : le vent vient mettre en rotation la turbine de l'éolienne qui, selon les cas, entraîne un multiplicateur de vitesse à engrenages. Ce dernier entraîne en rotation un générateur électrique associé à un convertisseur électronique de puissance. Un transformateur situé à l'intérieur du mât, élève ensuite la tension du courant électrique produit par la chaîne de conversion pour être transporté dans un câble souterrain ou sous-marin jusqu'à un autre transformateur qui élève encore sa tension pour le transport sur les lignes très haute tension [19] .

De la même manière pour cette filière, chaque étape de transformation de l'énergie entraîne irrémédiablement des pertes. Quel est le rendement, quels sont les impacts de cette chaîne d'étapes depuis la construction de l'éolienne à l'électricité produite ?

Figure 8 : Centrale nucléaire et parc éolien.

(D'après : Le fonctionnement d'une centrale nucléaire et Le fonctionnement d'une éolienne, EDF) [18][19]

6. Conclusion

Les analyses sur cycles de vie permettent de prendre en compte un grand nombres de critères environnementaux afin de considérer la totalité du cycle du convertisseur d'énergie à l’intérieur d’un périmètre le plus étendu possible. Elles sont de plus en plus reconnues comme étant la meilleure façon de réduire nos impacts environnementaux et le nombre d'études n'arrête pas de croître. La figure 9 présente le nombre de publications scientifiques éditées par an contenant les mots Life Cycle Assessment energy dans la base de recherche de l'éditeur Science Direct regroupant plus de 3 400 journaux scientifiques.

Figure 9 : Évolution du nombre de publications sur l'analyse sur cycle de vie en rapport avec l'énergie entre 2010 et 2020.

(D'après : https://www.sciencedirect.com/)

En novembre 2020, on comptait 168 916 articles cumulés correspondants à ces termes.

En effet, la situation environnementale de notre planète encourage le développement de telles études. Actuellement de nombreux minéraux dont le sable, consommé essentiellement pour la production de béton, sont sous pression. L’effondrement de la biodiversité et le dérèglement climatique nous obligent à trouver des solutions pour réduire au maximum nos impacts environnementaux et, en particulier, nos rejets de gaz à effet de serre, notamment le CO2 (principalement issus de la transformation énergétique des combustibles fossiles). Enfin, d’un point de vue purement énergétique, il parait tout à fait légitime de considérer la totalité de la chaîne des transformations, de l'extraction minière jusqu'au recyclage des déchets (à condition qu’ils ne soient pas irradiés) pour pouvoir évaluer de façon pertinente le rendement d'une filière énergétique dans un contexte de développement durable.

6. Références, sources des illustrations et rapports

Dossier : Concepts et chiffres de l'énergie

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[1] voir glossaire