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Les chiffres de l'énergie : réserves et ressources en énergie et matières premières non énergétiques

Delphine Chareyron

ENS Lyon / DGESCO

Hélène Horsin-Molinaro

ENS Paris-Saclay / DGESCO

Bernard Multon

ENS Rennes

Delphine Chareyron

ENS Lyon / DGESCO

19/10/2020


Introduction

Le dossier « Les 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 cet article, nous proposons au lecteur les données (chiffres et graphes), en l’état actuel des connaissances, des réserves et ressources en énergie et matières premières non énergétiques (celles nécessaires à la construction des convertisseurs d’énergie). Chaque document est sourcé afin de pouvoir retrouver les données ou les comparer à d'autres pays, périodes, unités... Les définitions des termes emloyés peuvent être retrouvées dans le glossaire du dossier.

1. Évolution de la consommation mondiale d’énergie primaire

La figure 1 présente l’évolution de la consommation mondiale d’énergie primaire durant deux siècles. Ce graphe illustre l’importance prise par l’énergie au cours des deux derniers siècles. Si la population mondiale a augmenté en moyenne de 1%/an, la consommation moyenne d’énergie primaire a elle, augmenté de 1,7%/an [1] . Ces moyennes masquent bien sûr les disparités d’une région du monde à une autre dont les consommations ont varié d’une période à l’autre.

Figure 1 : Évolution de la consommation mondiale d’énergie primaire de 1800 à 2018, les chiffres sont donnés en Mtep. (Méga tonne équivalent de pétrole, voir : Mémento des unités)

(Sources : [1][2][3] )

Une grande partie de l’énergie primaire consommée est non renouvelable à l’échelle humaine, comme les matières premières non énergétiques (métaux et terres rares) mais qui sont, elles, recyclables (sauf lorsqu’elles ont été irradiées). À ce rythme de consommation, on peut s’interroger sur les quantités encore disponibles et pour combien de temps.

2. Réserves et ressources

Que l’on parle de matières premières énergétiques (fossiles ou fissiles) ou non énergétiques (métaux, terres rares, etc.), les notions de ressources et de réserves sont fréquemment confondues, ce qui est source de malentendus. Nous proposons ici des définitions simplifiées suivantes :

  • Les ressources représentent les quantités totales estimées de la matière première considérée en stock dans la nature. Elles sont connues généralement avec un assez fort degré d’incertitude ;
  • Les réserves représentent une fraction des ressources et sont relatives à des critères techniques et économiques d’exploitation. Elles tiennent compte, en outre, des pertes à l’extraction.

Les réserves sont donc inférieures aux ressources. Elles peuvent augmenter en fonction des progrès technologiques et de la prospection et également si l’on accepte de dépenser plus pour y accéder. Durant ces dernières décennies elles ont généralement augmenté, parfois fortement.

Le rapport Réserves (en tonnes) sur Production annuelle (en tonnes/an), appelé R/P , correspond au nombre potentiel d’années de production au rythme en cours et sur la base des réserves connues à l’instant t. R/P s’exprime ainsi en années. En fonction des réévaluations des réserves le rapport R/P évolue à la hausse ou à la baisse. Le pétrole, et bien d’autres matières premières (énergies fossiles ou métaux) ont vu leur rapport R/P rester sensiblement constant depuis des décennies, voire augmenter.

L’utilisation fréquente et intempestive du rapport R/P ainsi que la confusion entre ressources et réserves sont ainsi à l’origine d’égarements dans les médias et l’opinion publique, tels « qu’au-delà de ce nombre d’années, il y aurait pénurie ». Ceci est encore plus faux lorsqu’il s’agit des matières premières non énergétiques, généralement recyclables.

3. Ressources énergétiques non renouvelables

Les ressources énergétiques non renouvelables, les fossiles et les fissiles, ont des stocks épuisables, donc ces ressources ne se reconstituent pas à nos échelles de temps.

3.1 États des ressources et réserves

Les ressources de combustibles fossiles , c’est-à-dire le charbon, le pétrole, le gaz naturel, y compris sous les formes non conventionnelles (comme les pétroles lourds et gaz de schistes) sont estimées très approximativement à 12 000 Gtep , et pour plus de 90% il s’agit de charbon sous ses différentes formes [4] .

Les réserves prouvées , techniquement et économiquement accessibles sont d'environ 1 000 Gtep , soit 242 Gtep de pétrole (figure 3), 190 Gtep de gaz (figure 5) et 568 Gtep de charbon (figure 7) [4] [5] .

Les graphiques suivants représentent les évolutions du rapport réserve sur production du pétrole, du gaz naturel et du charbon pour différentes régions du monde ainsi qu'au niveau global (en gris). La valeur de R/P, en ordonnée, est donc donnée en années. Les figures renseignent sur la valeur de ce rapport par région du monde en 2019, et de 1989 à 2019 (les années sont seulement notées à l'aide des deux derniers chiffres).

Figure 2, on voit que rapport R/P du pétrole en Amérique du Nord en 2019 était de presque 30 ans. Le rapport R/P mondial du pétrole a peu fluctué durant ces 30 dernières années (courbe grise), en 2019 il était estimé à environ 50 années.

Figure 2 : a) Rapport R/P du pétrole par région en 2019, b) historique de son évolution de 1989 à 2019 (en années).

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

L'acronyme CIS est employé pour représenter : Commonwealth of Independent States ou Communauté des États Indépendants (CEI), entité intergouvernementale composée de 10 des 15 anciennes républiques soviétiques.

On note (figure 3) que le Moyen Orient détenait en 2019, 48% des réserves mondiales prouvées de pétrole.

Figure 3 : Répartition des réserves prouvées de pétrole (en milliards de barils) en 1999, 2009 et 2019.

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

Le rapport R/P mondial du gaz naturel était estimé en 2019 à environ 50 années (figure 4b, courbe grise).

Figure 4 : a) Rapport R/P du gaz naturel par région en 2019, b) historique de son évolution de 1989 à 2019 (en années),

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

Note : Cela peut paraître contrintuitif que R/P mondial reste constant alors que R/P du Moyen-orient baisse depuis 30 ans, sachant que cette région du monde possède les plus grandes réserves de gaz naturel. Cela s'explique par le fait que le Moyen-Orient exploitait peu ses réserves jusqu'à maintenant, donc c'est le P du Moyen-Orient qui a fortement augmenté.

On note que le moyen orient détenait 38% des réserves mondiales prouvées de gaz naturel et le CIS 32% en 2019 (figure 5).

Figure 5 : Répartition des réserves prouvées de gaz naturel (en milliards de mètres cubes) en 1999, 2009 et 2019.

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

Le rapport R/P mondial du charbon était estimé en 2019 à environ 130 années (figure 6b, courbe grise).

Figure 6 : Rapport R/P du charbon par région en 2019 et historique de son évolution de 1989 à 2019.

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

On note (figure 7) que l’Asie-Pacific, en 2019, détenait plus de 42% des réserves mondiales prouvées de charbon et l’Amérique du Nord 24%.

Figure 7 : Répartition des réserves prouvées de charbon (en milliards de tonnes) en 1999, 2009 et 2019.

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

On constate ici, qu’à la différence des réserves de pétrole et de gaz naturel, les réserves prouvées de charbon sont restées à peu près constantes depuis 1999.

Dans tous les cas, les réserves restent encore relativement en-deçà des ressources et c’est bien le problème vis-à-vis du dérèglement climatique. En effet, les risques à craindre ne résident plus, comme on l’a longtemps entendu, dans la pénurie de combustibles fossiles (notamment le pétrole), mais dans leur abondance qui constitue la plus grande menace pour le climat.

Les ressources en uranium fissible étaient estimées à 240 Gtep en 2017 (sur la base de la fission de l’isotope 235, contenu dans l’uranium naturel, dans les réacteurs actuels, par exemple type EPR). Quand aux réserves d’uranium, elles sont définies de façon plus probabiliste que celles de combustibles fossiles, elles sont actuellement estimées à environ 75 Gtep (calculées sur la base de 6,1 Mtonnes Unat) [6] [1].

L'évolution des réserves raisonnablement assurées en uranium est à mettre en perspective avec les techniques d'exploration et leurs coûts (moins de 130 ou moins de 260$/kg).

On note à partir de 2005 (figure 8), une forte croissance des dépenses d’exploration (courbe en pointillé noir) et du prix (130 à 260$/kg) sans pour autant augmenter les réserves de façon importante (environ +25%).

Figure 8 : Réserves connues d’uranium et dépenses d’exploration (pointillé noir) de 1975 à 2017.

(Source : World Nuclear Association, [7] )

Avant la catastrophe de Fukishima-Daïchi en 2011, les cours de l’uranium étaient montés à des niveaux très élevés (pic en 2008) et l’approvisionnement promettait d’être fortement tendu en 2012, mais depuis, la consommation d’uranium a diminué et remonte légèrement depuis 2019.

3.2 Aspects économiques

Les cours des matières premières énergétiques fluctuent fortement en fonction de diverses causes et ont de lourdes conséquences sur les plans économique et politique. Le prix du baril de pétrole brut (il existe différents bruts de références cotés en bourse : Brent, WTI...) constitue une référence importante des cours de l’énergie, figure 9.

Figure 9 : Prix annuel moyen du pétrole brut de l’OPEP entre 1861 et 2019 [Dollar US corrigé de l'inflation].

(Source : BP Statistical Review of World Energy, 2020, [5] )

Le cours de l’uranium est également instable (figure 10) et soumis à des phénomènes sensiblement différents, comme le désarmement nucléaire qui a conduit à la fin du 20e siècle à une forte baisse des cours (surplus d’uranium disponible), mais également des accidents graves comme ceux de Three Mile Island en 1979 aux USA (arrêt du programme nucléaire américain) et de Fukushima-Daiichi en 2011 au Japon.

Figure 10 : Cours de l’uranium (U3O8) de 1968 à 2017 [Dollar courant US/kg - non corrigé de l'inflation]. Les évènements ayant entraîné une augmentation du prix sont en vert, ceux ayant entraîné une diminution sont en rouge.

(Source : Energy Fuels Inc., United States securities and exchange commisson, 2017, [8] )

4. Ressources énergétiques renouvelables

Dans le cas des ressources énergétiques renouvelables, on ne parle pas de ressources et de réserves, mais de ressources et de Potentiels Techniques Exploitable (PTE). Le potentiel technique correspond à ce que les technologies actuelles, matures sur le plan économique, permettent d’extraire des ressources primaires renouvelables compte tenu de leurs caractéristiques et des espaces disponibles.

Une grande partie de l’énergie renouvelable (10 000 fois la consommation mondiale d'énergie primaire, notée 10 000 Eh) arrive de l’énergie solaire. Environ 30% frappent les hautes couches de l’atmosphère et sont directement réémis dans l’espace, 45% (4 500 Eh) arrivent à la surface des terres et des océans et sont transformés en chaleur basse température puis rayonnés vers l’espace, enfin 25% (2 500 Eh) sont convertis dans les cycles hydrologiques (vents, cycle de l'eau, houle, courants de circulation thermohaline). Deux autres sources, beaucoup plus modestes, proviennent de la chaleur des profondeurs de la terre (géothermie, environ 2 Eh) et des effets de marées associés à l’interaction gravitationnelle soleil-terre-lune (0,16 Eh). Le prélèvement annuel par la photosynthèse, sur l’énergie solaire, correspond à environ 6 Eh.

Toutes ces formes d’énergie renouvelable sont bien sûr primaires (état brut dans la nature).

Eh  : Energie primaire de l’humanité prise comme référence, était d’environ 14 Gtep en 2018.

thermohaline : Circulation océanique à grande échelle engendrée par les différences de densité de l’eau de mer.

Figure 11 : Ressources énergétiques primaires renouvelables ramenées à la consommation annuelle d’énergie primaire de l’humanité.

(Source : Énergie électrique, [9] )

La terre reçoit donc annuellement dans la troposphère, une quantité d’énergie primaire renouvelable égale à environ 7 000 fois l’énergie primaire qu’elle consomme [2] . Ce qui signifie qu’en un peu plus d'une heure, la Terre reçoit autant d’énergie primaire du soleil que ce qu’elle consomme annuellement. Et cette ressource devrait durer encore quelques milliards d’années. On constate que les ressources renouvelables sont largement assez abondantes pour subvenir à nos besoins.

Néanmoins, ce calcul théorique ne prend pas en compte l'espace réellement disponible sur Terre, étant donné que 30% de la planète est composé de terres émergées dont 40% sous forme de désert de glace ou de sable. Ainsi, la mise en place d'installations de conversion et de transport de l'énergie, en prenant en compte les différents rendements de la chaîne ne permettra jamais de cumuler une telle quantité d'énergie, d’ailleurs, il serait sans doute très dangereux de l’exploiter intégralement sans perturber à nouveau la machine climatique et les écosystèmes. Mais, la marge est énorme, puisque nous parlons de milliers de fois la consommation annuelle actuelle.

Il faut ensuite évidemment arriver à les convertir en énergie finale exploitable à des coûts environnementaux les plus faibles possibles. Pour cela, il faut mettre en œuvre des convertisseurs (par exemple générateurs photovoltaïques, éoliennes) et ceux-ci requièrent des métaux, du béton et d’autres matériaux. Ceux-ci doivent bien entendu être suffisamment abondants et recyclables. En outre, la variabilité des deux sources, de très loin les plus abondantes, le rayonnement solaire et le vent, nécessite de savoir gérer leurs fluctuations temporelles (cycles diurnes, saisonniers, …) et engendre également des besoins de matières premières non énergétiques, notamment pour réaliser des moyens de stockage [11] .

5. Ressources en matières premières non énergétiques

Les principales matières premières, nécessaires à la conversion d’énergie (renouvelable ou non), sont répertoriées figure 12.

Elles sont généralement recyclables, contrairement aux ressources énergétiques non renouvelables. Les quantités présentes sur Terre sont également quantifiées par les notions de ressources et de réserves (figure 13).

Figure 12 : Eléments chimiques correspondant aux matières premières non énergétiques nécessaires à différents secteurs énergétiques.

(Source : Bureau de Recherche Géologiques et Minières, [12] )

La conversion des énergies renouvelables a la réputation d’être beaucoup plus gourmande en métaux, dont certains critiques, que celle des ressources fossiles et fissiles. C’est tout à fait vrai, mais ce raisonnement omet de dire que les renouvelables permettent d’économiser massivement les stocks d’énergie non renouvelable et les pollutions associées. Quant aux terres rares, souvent mentionnées dans le domaine des énergies renouvelables, elles ne sont en rien indispensables, pas plus dans le photovoltaïque que dans l’éolien. Si elles sont parfois utilisées, c’est parce qu’elles apportent un avantage économique significatif.

Les quantités présentes sur Terre sont également quantifiées par les notions de ressources et de réserves (figure 13).

Figure 13 : Ressources, réserves et production mondiale de quelques matières premières non énergétiques. USGS : United States Geological Survey .

(Source : USGS, Mineral Commodity Summaries 2020, [10] )

Sauf exception, les gisements de minerais à haute concentration sont généralement déjà épuisés. Les gisements actuels présentent une concentration plus faible en minerai, ce qui entraîne une consommation d’énergie spécifique d’extraction plus élevée, mais également plus de dégâts environnementaux. Les débuts de l’extraction minière ont été essentiellement à partir de gisements de surface. La technologie d’extraction se perfectionnant, l’exploration est ensuite allée à quelques dizaines, puis quelques centaines de mètres de profondeur au XXe siècle, notamment grâce à l’avènement du pétrole autorisant aujourd’hui de bien plus grandes profondeurs. L’augmentation des profondeurs d’extraction entraine également plus d’énergie spécifique d’extraction et une augmentation de son coût.

Le problème majeur de l’extraction minière, qu’il s’agisse d’ailleurs de matières énergétiques (pétrole, uranium...) ou non (métaux, silicium...), réside dans ses pratiques généralement contraires à l’éthique du développement durable, tant sur les plans environnementaux que sociaux. Si le recyclage se développe réellement et massivement, il pourrait compenser l’augmentation de l’énergie et du coût d’extraction, car le recyclage des métaux demande beaucoup moins d’énergie que l’extraction minière. C’est donc l’ensemble des pratiques de notre société de consommation qu’il faut revoir et non la seule transition énergétique.

Références

Dossier : Les chiffres de l'énergie

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[1] Les réserves et ressources en uranium naturel sont annuellement réévaluées et publiées dans le “Red Book” [4] par la NEA et l’IAEA. Les réserves ou « Identified resources recoverable » valent environ 8 Mt à moins de 260 $/kg (très faibles concentrations), dont la moitié dans la tranche 130 à 260, qui était encore exclue des quantifications en 2007. Quant aux ressources, en excluant celles à extrêmement faible concentration (phosphates, eau de mer), elles sont évaluées à 24 Mt, qui se répartissent en : “Identified ressources”: 10,6 Mt, “Prognosticated resources and speculative resources” : 7,5 Mt et “Reported undiscovered resources” : 5,9 Mt.

Pour le calcul de la valeur énergétique :

Sur la base de la fission de l’isotope 235 contenu dans l’uranium naturel (et après enrichissement), la valeur énergétique (en chaleur primaire) d’une tonne d’uranium vaut environ 10 ktep. Par conséquent, en faisant abstraction des filières non matures et au développement improbable (neutrons rapides et thorium), les réserves et les ressources valent respectivement environ 75 et 240 Gtep de chaleur primaire.