par Tyler Durden
Lun., 28/10/2019 - 21:20
Ecrit par Gail Tverberg via le blog Notre Monde Finite,
Les besoins en énergie de l’économie mondiale semblent faciles à modéliser. La consommation d'énergie est mesurée de différentes manières, notamment en kilowattheures, en barils d'équivalent pétrole, en unités thermiques britanniques, en kilocalories et en joules. Deux types d’énergie sont équivalents s’ils produisent le même nombre d’unités d’énergie, non ?
Par exemple, le modélisateur de xkcd, Randall Munroe, explique l’avantage des énergies renouvelables dans la vidéo ci-dessous. Il nous dit que sur la base de son modèle, l'énergie solaire, si elle est portée à des niveaux ridicules, peut fournir suffisamment d'énergie renouvelable pour nous-mêmes et une demi-douzaine de nos voisins. Le vent, s'il est porté à des niveaux absurdes, peut fournir suffisamment d'énergie renouvelable pour nous-mêmes et une douzaine de nos voisins.
Cette analyse présente toutefois un inconvénient majeur. Les types d'énergie produits par le vent et le solaire ne sont pas les types d'énergie dont l'économie a besoin. L'éolien et le solaire produisent de l'électricité intermittente disponible uniquement à des moments et à des endroits spécifiques. Ce dont l'économie mondiale a besoin, c'est d'une variété de types d'énergie différents qui répondent aux besoins énergétiques des nombreux appareils en place dans le monde. Cette énergie doit être transportée au bon endroit et conservée au bon moment de la journée et au bon moment de l'année. Il peut même être nécessaire de stocker cette énergie d’une année sur l’autre en raison des sécheresses éventuelles.
Je pense que la situation est analogue à celle des chercheurs qui ont décidé qu'il serait utile ou plus efficace que les humains modifient leur régime en 100% d'herbe au cours des 20 prochaines années. L'herbe est une forme de produit énergétique, mais ce n'est pas le produit énergétique que l'homme consomme normalement. Il ne semble pas être toxique pour l'homme en petites quantités. Cela semble bien se développer. Passer à l'utilisation de l'herbe pour la nourriture semblerait être bénéfique du point de vue du gaz carbonique. Le fait que les humains n’ont pas évolué pour manger de l’herbe rappelle le fait que les secteurs de la fabrication et des transports de l’économie actuelle ne se sont pas développés autour de l’utilisation de l’électricité intermittente en provenance du vent et du soleil.
La substitution de l'herbe à la nourriture pourrait «fonctionner», mais nécessiterait de tout nouveaux systèmes
Si nous considérons d'autres espèces, nous constatons que les animaux à quatre estomacs peuvent en fait très bien vivre avec un régime à base d'herbe. Ces animaux ont souvent des dents qui poussent continuellement parce que la silice dans l'herbe a tendance à s'user. Si nous pouvions simplement contourner ces petits détails, nous pourrions peut-être faire le changement. Nous aurions probablement besoin de développer des estomacs supplémentaires et d'ajouter des dents en croissance continue. D'autres ajustements pourraient également être nécessaires, tels qu'un cerveau plus petit. Tel serait notamment le cas si un régime exclusivement composé d’herbe ne permettait pas de soutenir la croissance et l’activité cérébrales d’aujourd’hui.
Le problème avec presque toutes les analyses d'énergie aujourd'hui est qu'elles utilisent des limites étroites. Ils n'examinent qu'une petite partie du problème - généralement le coût (ou le "coût énergétique") des appareils eux-mêmes, et supposent qu'il s'agit du seul coût impliqué dans un changement. En fait, les chercheurs doivent reconnaître que de tout nouveaux systèmes peuvent être nécessaires, analogues aux estomacs supplémentaires et aux dents toujours plus grandes. La question est parfois décrite comme la nécessité d’avoir des «frontières larges» dans les analyses.
Si l'analyse xkcd compense les coûts énergétiques indirects du système, y compris l'énergie liée à tous les systèmes nouvellement requis, les résultats de l'analyse changeront probablement considérablement. La capacité combinée de l’énergie éolienne et de l’énergie solaire d’alimenter sa propre maison et celle d’une douzaine de voisins et demi disparaîtrait probablement. Le système renouvelable produirait bien trop d’estomacs et de dents en croissance constante pour que le système fonctionne. L'économie mondiale pourrait ne pas fonctionner comme par le passé si l'équivalent du cerveau devait être plus petit.
Est-ce que «l'énergie utilisée par une douzaine de nos voisins» est une métrique appropriée ?
Avant de poursuivre mon analyse de ce qui ne va pas dans la modélisation des énergies renouvelables intermittentes, permettez-moi de dire quelques mots sur la façon dont Munroe quantifie le résultat de son analyse énergétique. Il parle de "l'énergie consommée par un ménage et par une douzaine de voisins." La métrique utilisée par Munroe est similaire. Mais, cela nous dit-il ce que nous devons savoir dans ce cas ?
Notre économie nécessite la consommation d'énergie de nombreux types d'utilisateurs, y compris les gouvernements pour construire des routes et des écoles, les agriculteurs pour planter des cultures et les fabricants pour fabriquer des appareils de toutes sortes. Laisser la consommation d'énergie non résidentielle en dehors du calcul n'a pas beaucoup de sens. (En réalité, nous ne savons pas exactement ce que Munroe a inclus dans son calcul. Son libellé suggère qu'il n'inclut que la consommation d'énergie résidentielle.) Aux États-Unis, mon analyse indique que les utilisateurs résidentiels ne consomment qu'environ un tiers de l'énergie totale1. Le reste est consommé par les entreprises et les gouvernements.
Si nous voulons ajuster les indications de Munroe pour inclure l’énergie consommée par les entreprises et les gouvernements, nous devons diviser par trois le nombre indiqué de ménages résidentiels alimentés en énergie. Ainsi, au lieu que les unités soient «énergie consommée par une douzaine de nos voisins», elles seraient «énergie consommée par quatre de nos voisins, y compris la consommation d'énergie associée par les gouvernements et les entreprises». Le bénéfice apparemment énorme procuré par l'énergie éolienne et solaire devient beaucoup plus petit lorsque nous divisons par trois, même avant tout autre ajustement.
Quels pourraient être les coûts indirects de l’énergie éolienne et solaire ?
Il existe un certain nombre de coûts indirects:
(1) Les coûts de transport sont beaucoup plus élevés que ceux d’autres types d’électricité, mais ils ne sont pas imputés à l’énergie éolienne et solaire dans la plupart des études.
Une étude réalisée en 2014 par l'Agence internationale de l'énergie indique que les coûts de transport de l'énergie éolienne sont environ trois fois plus élevés que ceux du charbon ou de l'énergie nucléaire. Le montant des coûts excédentaires a tendance à augmenter à mesure que les énergies renouvelables intermittentes représentent une part plus importante du total. Les coûts de transmission plus élevés pour les énergies éolienne et solaire sont notamment dus aux raisons suivantes:
(a) Un nombre disproportionné de lignes doivent être construites pour l'éolien et le solaire, car les lignes de transmission doivent être dimensionnées à la production maximale plutôt qu'à la production moyenne. La production éolienne est généralement disponible 25% à 35% du temps; l'énergie solaire est généralement disponible dans 10 à 25% des cas.
(b) La distance entre le lieu où l'énergie renouvelable est capturée et celle où elle est consommée a tendance à être plus longue que celle de la production traditionnelle.
(c) L'électricité renouvelable n'est pas produite dans une centrale à combustible fossile, avec les mêmes contrôles sur les nombreux aspects de l'électricité du réseau. Le réseau de transport doit donc apporter des corrections qui ne seraient pas nécessaires pour d’autres types d’électricité.
(2) L'augmentation du transport d'électricité sur les longues distances nécessite une maintenance accrue des lignes de transport. Si cela n'est pas effectué correctement, des incendies sont probables, en particulier dans les zones sèches et venteuses.
Il a été récemment démontré qu'un entretien insuffisant des lignes de transport constitue un risque majeur d'incendie.
En Californie, l’entretien insuffisant des lignes électriques a entraîné la faillite de l’entreprise de services publics PG & E située dans le nord de la Californie. Au cours des dernières semaines, PG & E a mis en place deux coupures de courant préventives, l'une touchant jusqu'à deux millions de personnes.
Selon le Texas Wildfire Mitigation Project, «les lignes électriques ont provoqué plus de 4 000 incendies de forêt au Texas au cours des trois dernières années et demie».
Le Venezuela dispose d’une ligne de transport longue distance reliant sa principale centrale hydroélectrique à Caracas. L'une des pannes survenues dans ce pays semble être liée à des incendies proches de cette ligne de transmission.
Certaines mesures peuvent être prises pour prévenir ces incendies, telles que l’enfouissement des lignes souterraines. Même en utilisant un fil isolé, au lieu d'un fil de transmission ordinaire, semble aider. Mais toute solution a un coût. Ces coûts doivent être pris en compte dans la modélisation du coût indirect de l’ajout d’une quantité énorme d’énergies renouvelables.
(3) Un investissement énorme dans les stations de charge sera nécessaire si quelqu'un d'autre que les très riches veut utiliser des véhicules électriques.
De toute évidence, les riches peuvent se permettre des véhicules électriques. Ils ont généralement des garages avec des connexions à l'électricité. Grâce à cet agencement, ils peuvent facilement charger un véhicule alimenté par l'électricité lorsque cela convient.
Le problème, c’est que les moins riches n’ont souvent pas les mêmes possibilités de recharger leurs véhicules électriques. Ils ne peuvent pas non plus se permettre de passer des heures à attendre que leurs véhicules chargent. Ils auront besoin de stations de recharge rapide peu coûteuses, situées dans de très nombreux endroits, si l’on veut que les véhicules électriques soient un choix approprié. Le coût de la recharge rapide devra probablement inclure une redevance pour l'entretien des routes, car c'est l'un des coûts qui est aujourd'hui inclus dans les prix du carburant.
(4) L'intermittence ajoute une couche de coûts très importante.
L’opinion générale est que l’intermittence peut être gérée par de petits changements, tels que la tarification à l’heure, les réseaux intelligents et la coupure de courant pour quelques clients industriels sélectionnés s’il n’ya pas assez d’électricité. Cette croyance est plus ou moins vraie si le système est essentiellement un système à combustible fossile et nucléaire, avec un faible pourcentage d’énergies renouvelables. La situation change à mesure que de nouvelles énergies renouvelables intermittentes sont ajoutées.
Une fois que plus d’un faible pourcentage d’énergie solaire est ajouté au réseau électrique, des piles sont nécessaires pour lisser la transition rapide qui se produit à la fin de la journée lorsque les travailleurs rentrent chez eux et souhaitent manger leurs dîners, même si le soleil le permet. ensemble. Il y a aussi des problèmes d'électricité provoquée par le vent qui coupe le courant pendant les tempêtes; Les piles peuvent aider à atténuer ces transitions.
Il y a aussi des problèmes à plus long terme. Les grandes tempêtes peuvent perturber l’électricité pendant plusieurs jours, à n’importe quel moment de l’année. Pour cette raison, si un système doit fonctionner uniquement à partir d'énergies renouvelables, il serait souhaitable de disposer d'une batterie de secours pendant au moins trois jours. Dans la courte vidéo ci-dessous, Bill Gates exprime sa consternation à l’idée d’essayer de fournir une pile de secours de trois jours pour la quantité d’électricité utilisée par la ville de Tokyo.
À ce stade, nous ne disposons pas de suffisamment de batteries pour fournir une batterie de secours de trois jours à l’alimentation en électricité dans le monde. Si l’économie mondiale doit fonctionner à partir d’énergies renouvelables, la consommation d’électricité devra augmenter par rapport au niveau actuel, ce qui rendra encore plus difficile le stockage de trois jours.
Un problème beaucoup plus difficile que le stockage d'électricité pendant trois jours est la nécessité d'un stockage saisonnier, si l'on veut utiliser de manière significative les énergies renouvelables. La figure 1 illustre l'évolution saisonnière de la consommation d'énergie aux États-Unis.
Figure 1. Consommation d'énergie aux États-Unis par mois de l'année, à partir des données de la US Energy Information Administration. "Tous les autres" est l'énergie totale, moins l'électricité et l'énergie de transport. Il comprend le gaz naturel utilisé pour le chauffage de la maison. Il comprend également les produits pétroliers utilisés pour l'agriculture et les combustibles fossiles de toutes sortes utilisés à des fins industrielles.
Contrairement à cette tendance, la production d’énergie solaire a tendance à atteindre un sommet en juin; il tombe à un niveau bas de décembre à février. L’énergie hydroélectrique a tendance à atteindre son maximum au printemps, mais sa quantité varie souvent d’une année à l’autre. L'énergie éolienne est assez variable d'une année à l'autre et d'un mois à l'autre.
Notre économie ne peut gérer de nombreux démarrages et arrêts d’approvisionnement en électricité. Par exemple, les températures doivent rester élevées pour faire fondre les métaux. Les ascenseurs ne doivent pas s'arrêter entre les étages lorsque l'électricité s'arrête. La réfrigération doit continuer lorsque la viande fraîche est conservée au froid.
Deux approches peuvent être utilisées pour résoudre les problèmes d’énergie saisonniers:
Le système énergétique basé sur les énergies renouvelables a été considérablement construit, afin de fournir suffisamment d’électricité lorsque l’énergie totale est le plus nécessaire, généralement en hiver.
Ajoutez une quantité énorme de stockage, telle que la batterie, pour stocker de l’électricité pendant des mois, voire des années, afin de limiter l’intermittence.
Chacune de ces approches est extrêmement coûteuse. Ces coûts sont comme l’ajout d’estomacs supplémentaires au système humain. Pour autant que je sache, ils ne figurent à ce jour dans aucun modèle. Le coût de l’une de ces approches doit être inclus dans tout modèle analysant les coûts et les avantages des énergies renouvelables, si l’on al’intention de les utiliser comme une part infime de la consommation totale d’énergie.
La figure 2 illustre le coût élevé en énergie pouvant résulter de l’ajout d’une batterie de secours importante à un système électrique. Dans cet exemple, l ’« énergie nette »fournie par le système est essentiellement éliminée par la sauvegarde sur batterie. Dans cette analyse, le retour d'énergie sur l'énergie investie (EROEI) compare la production d'énergie à l'entrée d'énergie. C'est l'une des nombreuses mesures utilisées pour estimer si un appareil fournit une sortie d'énergie adéquate pour justifier les entrées d'énergie frontales.
Figure 2. Graphique de Graham Palmer sur le retour d’énergie dynamique dans l’énergie investie dans «Energy in Australia».
L'exemple de la figure 2 est basé sur le modèle d'utilisation de l'électricité à Melbourne, en Australie, où le climat est relativement doux. L'exemple utilise une combinaison de panneaux solaires, de batteries et de génération de secours diesel. Les panneaux solaires et les batteries de secours fournissent de l'électricité pour les 95% de consommation annuelle d'électricité les plus faciles à couvrir avec ces appareils; la génération diesel est utilisée pour les 5% restants.
L'exemple de la Figure 2 pourrait être ajusté pour être «renouvelable uniquement» en ajoutant beaucoup plus de batteries, un grand nombre de panneaux solaires ou une combinaison de ceux-ci. Ces batteries et panneaux solaires supplémentaires seraient très peu utilisés, ce qui réduirait encore l'EROEI du système.
À ce jour, la faible part de la production d’électricité qu’ils ont générée a été l’une des principales raisons pour lesquelles le système électrique a pu éviter les coûts liés à la construction excessive ou à l’ajout d’une batterie de secours importante. En 2018, le vent représentait 5% de l'électricité mondiale. l'énergie solaire s'élevait à 2%. En pourcentage de l’approvisionnement énergétique mondial, ils représentaient respectivement 2% et 1%.
Une deuxième raison pour laquelle le système électrique a pu éviter de traiter le problème de l'intermittence est que les fournisseurs d'électricité de secours (charbon, gaz naturel et nucléaire) ont été contraints de fournir des services de secours sans compensation adéquate de la valeur des services qu'ils fournissent. Cela se produit en donnant à l'éolien et au solaire la subvention de «commencer». Cette pratique pose problème car les fournisseurs de services de secours ont des coûts fixes importants et ne sont souvent pas suffisamment indemnisés pour ces coûts fixes.
S'il est envisagé de cesser d'utiliser des combustibles fossiles, tous ces fournisseurs d'électricité de secours, y compris le nucléaire, disparaîtront. (Le nucléaire dépend également des combustibles fossiles.) Les énergies renouvelables devront être autonomes. C’est à ce moment que le problème de l’intermittence deviendra écrasant. Les combustibles fossiles peuvent être stockés de manière relativement peu coûteuse; les coûts de stockage de l'électricité sont énormes. Ils incluent à la fois le coût du système de stockage et la perte d'énergie occasionnée par le stockage.
En fait, le problème du sous-financement lié à la priorité donnée aux énergies renouvelables intermittentes est déjà en train de devenir un problème accablant à quelques endroits. L’Ohio a récemment choisi d’accorder des subventions aux fournisseurs de charbon et de centrales nucléaires pour résoudre ce problème. L’Ohio réduit également le financement des énergies renouvelables.
(5) Le coût du recyclage des éoliennes, des panneaux solaires et des batteries doit être pris en compte dans les estimations de coûts.
Une hypothèse courante dans les analyses énergétiques semble être que, d'une manière ou d'une autre, à la fin de la durée de vie théorique des éoliennes, des panneaux solaires et des batteries, tous ces dispositifs disparaîtront d'une manière ou d'une autre sans frais. Si le recyclage est effectué, on suppose que le coût du recyclage sera inférieur à la valeur des matériaux issus du recyclage.
Nous découvrons maintenant que le recyclage n’est pas gratuit. Très souvent, le coût énergétique du recyclage des matériaux est supérieur à celui de l’énergie nécessaire à leur extraction. Ce problème doit être pris en compte dans l'analyse du coût réel des énergies renouvelables.
(6) Les énergies renouvelables ne remplacent pas directement un grand nombre des dispositifs / processus que nous avons aujourd’hui. Cela pourrait entraîner une réduction importante du fonctionnement de l'économie et une transition beaucoup plus longue.
Il existe une longue liste de choses que les énergies renouvelables ne peuvent remplacer. Aujourd’hui, nous ne pouvons pas fabriquer d’éoliennes, de panneaux solaires ou de barrages hydroélectriques d’aujourd’hui sans combustibles fossiles. Cela, en soi, indique clairement que le système de combustible fossile devra être maintenu pendant au moins les vingt prochaines années.
Il y a beaucoup d'autres choses que nous ne pouvons pas faire avec les énergies renouvelables seules. L'acier, les engrais, le ciment et les plastiques sont quelques exemples mentionnés par Bill Gates dans sa vidéo ci-dessus. L’asphalte et bon nombre des drogues d’aujourd’hui sont d’autres exemples de produits qui ne peuvent être fabriqués uniquement à partir d’énergies renouvelables. Nous aurions besoin de changer notre façon de vivre sans ces biens. Nous ne pouvions pas paver de routes (sauf avec de la pierre) ni construire bon nombre des bâtiments d’aujourd’hui uniquement à partir d’énergies renouvelables.
Il semble probable que les fabricants essaieraient de remplacer le bois par des combustibles fossiles, mais la quantité de bois disponible serait beaucoup trop faible à cette fin. Le monde serait confronté à des problèmes de déforestation d’ici quelques années.
(7) Il est probable que la transition vers les énergies renouvelables prendra 50 ans ou plus. Pendant ce temps, l’énergie éolienne et solaire agira davantage comme un ajout au système de combustible fossile que comme un substitut. Cela augmente également les coûts.
Pour que les industries des combustibles fossiles puissent continuer, une part importante de leurs coûts devra être maintenue. Les personnes travaillant dans les industries des combustibles fossiles doivent être payées toute l'année, pas seulement lorsque les services publics d'électricité ont besoin d'énergie de secours. Les combustibles fossiles nécessiteront des pipelines, des raffineries et du personnel qualifié. Les entreprises utilisant des combustibles fossiles devront payer leurs dettes liées aux installations existantes. Si le gaz naturel est utilisé comme énergie de remplacement pour les énergies renouvelables, il lui faudra des réservoirs pour stocker le gaz naturel en hiver, en plus des pipelines. Même si la consommation de gaz naturel est réduite de 90%, par exemple, ses coûts vont probablement baisser beaucoup moins, par exemple 30%, car une grande partie des coûts est fixe.
L'une des raisons pour lesquelles une très longue transition sera nécessaire est qu'il n'y a même pas de chemin à suivre pour s'éloigner des combustibles fossiles dans de nombreux cas. Si un changement doit être effectué, des inventions visant à faciliter ces changements sont indispensables. Ensuite, ces inventions doivent être testées dans des situations réelles. Ensuite, de nouvelles usines sont nécessaires pour fabriquer les nouveaux appareils. Il est probable qu’il faudra trouver un moyen de rémunérer les propriétaires actuels pour la perte de valeur de leurs dispositifs existants fonctionnant avec un combustible fossile; sinon, il y aura probablement d'énormes défauts de paiement. Ce n'est qu'après toutes ces étapes que la transition peut réellement avoir lieu.
Ces coûts indirects amènent à s'interroger sur l'utilité d'encourager l'utilisation généralisée de l'énergie éolienne et solaire. Les énergies renouvelables peuvent réduire les émissions de gaz carbonique si elles remplacent réellement les combustibles fossiles dans la production d'électricité. S'ils sont généralement des ajouts coûteux au système, il y a une vraie question: est-il même logique d'obliger une transition vers l'éolien et le solaire ?
Le vent et le solaire offrent-ils vraiment un avenir à plus long terme que les combustibles fossiles ?
À la fin de la vidéo xkcd présentée ci-dessus, Munroe fait observer que le vent et le soleil sont disponibles indéfiniment, mais que les approvisionnements en combustibles fossiles sont assez limités.
Je conviens avec Munroe que les réserves de combustibles fossiles sont assez limitées. Cela est dû au fait que les prix de l’énergie ne sont pas suffisamment élevés pour que nous puissions en extraire une grande partie. Les prix des produits finis à base de combustibles fossiles doivent être suffisamment bas pour que les clients puissent se les payer. Si ce n'est pas le cas, les achats de biens facultatifs (par exemple des voitures et des téléphones intelligents) chuteront. Étant donné que les voitures et les téléphones intelligents sont fabriqués avec des produits de base, y compris des combustibles fossiles, la moindre demande pour ces produits finis entraînera une chute des prix des produits de base, y compris le pétrole. En fait, il semble que le prix du pétrole ait chuté la plupart du temps depuis 2008.
Figure 3. Prix moyen hebdomadaire du Brent Oil ajusté de l’inflation, basé sur les prix au comptant du pétrole dans l’EIA et l’inflation urbaine de l’IPC américain.
Il est difficile de voir pourquoi les énergies renouvelables dureraient plus longtemps que les combustibles fossiles. Si leur coût non subventionné est plus élevé que celui des combustibles fossiles, ce serait un coup contre eux. Ils sont également très dépendants des combustibles fossiles pour la fabrication de pièces détachées et la réparation de lignes de transport.
Il est intéressant que les modélisateurs du changement climatique semblent convaincus que de très grandes quantités de combustibles fossiles peuvent être extraites à l'avenir. La question de savoir combien de combustibles fossiles peuvent réellement être extraits est un autre problème de modélisation qui doit être examiné de près. La quantité d'extraction future semble dépendre fortement du maintien du système économique actuel, y compris de l'ampleur de la mondialisation. Sans la mondialisation, l'extraction de combustibles fossiles devrait diminuer rapidement.
Avons-nous trop confiance dans les modèles ?
L'idée d'utiliser des énergies renouvelables semble certes séduisante, mais le nom est trompeur. La plupart des énergies renouvelables, à l’exception du bois et des excréments, ne sont pas très renouvelables. En fait, ils dépendent des combustibles fossiles.
Toute la question de savoir si le vent et le solaire valent la peine d’être analysée. La caractéristique habituelle d'un produit énergétique qui présente un avantage substantiel pour l'économie est que sa production a tendance à être très rentable. Avec ces profits élevés, les gouvernements peuvent lourdement imposer les propriétaires. Ainsi, les bénéfices peuvent être utilisés pour aider le reste de l'économie. C'est l'une des manifestations physiques de «l'énergie nette» fournie par le produit énergétique.
Si l'éolien et le solaire fournissaient réellement une énergie nette substantielle, ils n'auraient pas besoin de subventions, pas même de subvention pour commencer. Ils jetteraient des bénéfices pour le reste de l'économie. Peut-être que les énergies renouvelables ne sont pas aussi bénéfiques que beaucoup de gens le pensent. Les chercheurs ont peut-être trop misé sur des modèles déformés.
