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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Première partie. Introduction

2. Énergie, effet de serre et changement climatique

Valérie Masson-Delmotte, Hervé Le Treut et Didier Paillard

Texte intégral

1Notre planète peut être vue comme une machine thermique qui intercepte de l’énergie solaire, et en transforme une partie en chaleur, en mouvement de l’air ou en précipitations. Notre nourriture est issue de la photosynthèse* et les questions d’alimentation sont aussi des problèmes d’énergie. Ainsi, un être humain a besoin de 100 - 150 W pour sa subsistance, soit environ au total une puissance de 1 TW (mille milliards de watts) pour l’humanité. Notre consommation d’énergie sous toutes ses formes est voisine de 18 TW, soit presque 20 fois plus que pour cette seule subsistance. Il est instructif de la confronter à des grandeurs comme la dissipation des marées (4 à 5 TW), qui mélange les eaux profondes océaniques et agit sur la rotation terrestre, ou au flux de chaleur géothermale (30 - 50 TW) qui engendre volcanisme et dérive des continents. L’humanité manipule aujourd’hui des quantités d’énergie qui en font un acteur important à l’échelle des équilibres planétaires (figure 1). Ce texte présente quelques aspects reliant énergie, effet de serre et climat, le lecteur curieux étant renvoyé à l’ouvrage Le climat à découvert qui présente de manière approfondie les méthodes en sciences du climat.

NOS BESOINS ÉNERGÉTIQUES

Puissance moyenne en TW

Nourriture des êtres humains

0,5 - 1

Consommation mondiale (autre que nourriture)

15 - 17

Besoins énergétiques futurs (en 2050 - 25 Gtep/an = 32,5 TW)

30 - 35

LES SOURCES PRIMAIRES D’ÉNERGIE

Puissance moyenne en TW

Le Soleil

175 000

La Terre (géothermie)

40 - 50

La Lune (les marées)

3 - 4

QUELQUES RESSOURCES RENOUVELABLES QUI EN DÉCOULENT

Puissance moyenne en TW

Photosynthèse globale

150 - 250

… dont biosphère continentale

70 - 100

… dont biosphère continentale déjà utilisée par l’homme

20 - 50

Énergie mécanique totale de l’océan

65 - 70

… dont vagues côtières

2

Énergie éolienne totale de l’atmosphère

1 000 - 1 500

… dont disponible sur les continents à quelques dizaines de mètres

20 - 70

Fig. 1 – Estimations des besoins énergétiques de l’humanité et des sources renouvelables disponibles sur notre Planète (en TW = 1012 W). Notre consommation présente ou future est comparable à certaines grandeurs géophysiques. À l’exception de l’énergie solaire, la plupart des ressources renouvelables apparaissent potentiellement limitées face aux besoins

Impact des activités anthropiques

2La déforestation, la production de ciment et la combustion d’énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz) entraînent le rejet de dioxyde de carbone (CO2 dans) l’atmosphère. D’autres gaz à effet de serre sont émis du fait des activités agricoles et industrielles, comme le méthane (CH4), l’oxyde nitreux (N2O) ou les chlorofluorocarbures. La combustion d’énergies fossiles ou de biomasse entraîne également des rejets de particules de pollution (aérosols).

3Gaz à effet de serre et aérosols modifient le bilan radiatif terrestre en piégeant le rayonnement infrarouge dans les basses couches de l’atmosphère (effet de serre) et en réfléchissant une partie du rayonnement solaire (albédo). Plus de la moitié de l’augmentation de l’effet de serre est due aux rejets de CO2 dans l’atmosphère, qui présentent également la spécificité d’avoir des effets sur le très long terme (millénaires). Chaque année, la moitié des émissions anthropiques de CO2 est absorbée par les puits naturels, océans, végétation et sols. L’impact radiatif net des aérosols est en moyenne négatif, mais certaines particules (par exemple les suies*) réchauffent le climat. Les teneurs en aérosols dans l’atmosphère sont caractérisées par une forte hétérogénéité spatiale (concentration autour des grandes métropoles) du fait de leur courte durée de vie dans l’atmosphère (quelques jours).

4Les rejets de gaz à effet de serre dus à la déforestation se sont stabilisés au cours de la dernière décennie suite à une compensation partielle entre déforestation et croissance des forêts, sur des terres agricoles abandonnées et dans les régions boréales. Par contraste, les émissions liées à la consommation d’énergie fossile et la production de ciment ont fortement augmenté : + 1 % par an entre 1990 et 2000, + 2,9 % par an au cours de la dernière décennie (2002-2011). Cette évolution récente est principalement due à l’augmentation de la consommation mondiale de charbon. Depuis 2005, les émissions des pays émergents et en développement ont dépassé celles des pays industrialisés, la Chine étant le premier émetteur de CO2, suivie des États-Unis, de l’Union européenne, l’Inde, la Russie et le Japon. Les émissions de CO2 par habitant dues aux énergies fossiles dépendent du mix énergétique de chaque pays, ainsi que de la consommation d’énergie. Ainsi, elles dépassent 12 tonnes/an/habitant pour l’Arabie Saoudite, le Qatar, les États-Unis, le Canada et l’Australie ; elles sont de l’ordre de 5 à 12 tonnes/an/habitant pour les divers pays de l’Union européenne, l’Afrique du Sud, la Corée du Sud, la Chine ou la Russie ; et < 5 tonnes/an/habitant pour le Brésil, l’Inde et les pays en développement. Les émissions totales de gaz à effet de serre doivent prendre en compte les autres gaz (traduits en CO2 - équivalent) ainsi que les changements d’usages des sols.

Fig. 2 – Interactions entre énergie, climat et environnement. Impacts directs et indirects du climat, de sa variabilité et ses extrêmes sur les trois éléments-clés (l’environnement naturel ou bâti, la population et les activités socio-économiques), illustrant l’importante sphère d’influence et la complexité des impacts climatiques. D’autres enjeux, tels que le développement technologique, les choix de société, le vieillissement des infrastructures, les changements démographiques, se produisent en parallèle et interagissent avec ces changements climatiques. Il est à noter que dans ce document, l’environnement naturel fait référence au regroupement des cinq sous-systèmes climatiques défini par Peixoto and Oort (1992) où l’atmosphère est l’initiateur du changement climatique qui induit ces impacts

5En France en 2010, le pouvoir de réchauffement global lié aux émissions nationales est dû à 73,4 % au CO2, 11,9 % au CH4, 11,3 % au N2O et 3 % pour les HFC, PFC et SF6. Les évolutions récentes sont liées à une diminution de la combustion de charbon et des rejets de N2O, une augmentation de la combustion du gaz naturel (résidentiel) et du transport routier, ainsi qu’à une augmentation des rejets de gaz utilisés en réfrigération et climatisation. En moyenne, les émissions de CO2 sur le territoire national sont de l’ordre de 6,8 tonnes/an/habitant (9,6 tonnes de CO2 équivalent en intégrant les autres gaz). Il faut y ajouter les émissions rejetées lors de la production de produits importés, ce qui correspond au final à 12,6 tonnes de CO2 équivalent/an/habitant.

Modèles de prévisions climatiques

6La variabilité du climat dépend de perturbations radiatives naturelles (injection d’aérosols, par exemple d’origine volcanique ; variations de l’activité du Soleil), anthropiques (gaz à effet de serre et aérosols, usages des sols) et enfin de la variabilité interne du système océan-atmosphère (comme l’occurrence d’événements El Niño). Les observations du changement climatique en cours montrent un réchauffement d’environ 0,8 °C de la température à la surface du globe depuis 1900, une modification du profil vertical de température, une augmentation de l’humidité atmosphérique, un réchauffement plus marqué à la surface des continents que des océans et très prononcé dans l’Arctique, caractérisé par un retrait des zones enneigées et englacées, une augmentation de la fréquence des vagues de chaleur et de l’intensité des précipitations les plus fortes… Toutes ces caractéristiques sont cohérentes avec les études théoriques de l’impact sur le climat d’une augmentation des concentrations atmosphériques en gaz à effet de serre, concluant à un impact dominant des activités humaines sur l’évolution du climat global au cours des derniers cinquante ans.

Facteur d’émission carbone (kg CO2/GJ)

Essence France

73

Gazole France

75

Fuel lourd

78

Gaz naturel

57

Kérosène

74

Charbon

95

GPL

64

Huile de schiste

107

Fig. 3 – Facteurs d’émissions de CO2 des différents combustibles. Facteur de conversion de 3,66 entre kgCO2 Sources : ADEME et CO2 emissions from fuel combustion, IEA, 2011

7Les modèles numériques sont également utilisés pour évaluer les risques d’évolution future du climat, en réponse à différents scénarios de perturbations anthropiques. Pour l’exercice d’inter-comparaison des modèles climatiques en cours (appelé CMIP5), la gamme de scénarios correspond à des perturbations radiatives faibles ou modérées (2,6 W/m2) à fortes (8,5 W/m2), correspondant à des concentrations allant de ~ 490 à plus de 1 300 ppmv de CO2 équivalent dans l’atmosphère. Les différences d’émissions de gaz à effet de serre (et de scénario) sont déterminantes pour l’évolution du climat au-delà de 2050, avec un réchauffement modeste (typiquement < 2 °C) pour le scénario le plus optimiste et un réchauffement important (> 4 °C) pour le plus pessimiste. Tous les modèles simulent une intensification des changements déjà observés : recul de la banquise arctique, intensification du cycle de l’eau, augmentation de l’intensité et de la fréquence des vagues de chaleur, montée du niveau des mers, modification de la circulation atmosphérique de grande échelle avec déplacement des zones de subsidence (descentes d’air sec en région subtropicale) vers les pôles, acidification des océans… L’échelle de temps des conséquences de rejets de CO2 dans l’atmosphère est particulièrement longue actuellement. Environ 50 % des rejets anthropiques de CO2 sont actuellement captés par les océans (qui s’acidifient), les sols et la végétation, mais l’efficacité de ces puits de carbone pourrait diminuer dans un climat plus chaud. Le cycle du carbone évolue à des échelles de temps particulièrement longues : les processus d’érosion et de sédimentation qui vont réduire la teneur en CO2 atmosphérique agissent à l’échelle des millénaires, étendant les perturbations climatiques à ces mêmes horizons.

Impacts du changement climatique sur l’énergie

8Les impacts du changement climatique sont et seront variables selon les différentes régions du monde, et affecteront à la fois la capacité de production d’énergie et la demande d’énergie. Ainsi, en moyenne, la demande d’énergie pour le chauffage en hiver dans les régions tempérées pourrait diminuer, tout en continuant d’exiger la possibilité de faire face à des vagues de froid. À l’inverse, la demande d’énergie pour la climatisation pourrait fortement augmenter, du fait du risque accru de vagues de chaleur. Les impacts du réchauffement climatique sur le débit et la température des eaux de surface (fleuves et mers côtières) pourraient affecter la capacité de refroidissement des centrales thermiques ou nucléaires. Les changements du cycle de l’eau (précipitations), la fonte des glaciers de montagne peuvent également affecter la capacité de production d’hydroélectricité. La capacité de renouvellement de la biomasse (utilisable pour la production de chaleur ou d’agrocarburants) pourrait également être affectée par le changement climatique et son interaction avec l’évolution de la qualité de l’air. Il existe de très grandes incertitudes sur l’évolution des événements de petite échelle spatiale comme les ouragans ou les tempêtes auxquels sont exposés les systèmes de production énergétique ainsi que les réseaux de transport d’électricité. Les zones littorales qui concentrent populations et infrastructures sont particulièrement vulnérables en particulier vis-à-vis de l’augmentation du niveau des mers. La croissance planifiée de la part des énergies renouvelables (en particulier solaire et éolienne) dans le mix énergétique français, européen et mondial renforce le besoin de prévisions météorologiques (vents, nébulosité) afin de gérer l’intermittence de la production d’électricité. Les centres de recherche sur le climat développent des diagnostics issus des scénarios d’évolution climatique à court (décennies) et long terme (50-100 ans) pour permettre aux pouvoirs publics ainsi qu’aux industriels de différents secteurs d’évaluer leurs impacts possibles et s’y préparer.

Fig. 4 – À gauche : scénarios de rejets de dioxyde de carbone liés à l’utilisation des énergies fossiles et la production de ciment (PgC/an). Les scénarios utilisés dans le rapport du GIEC* de 2007 figurent en bleu ; ceux utilisés dans le rapport de 2012 figurent en couleur. Lalege courbe en noir présente l’évolution récente des rejets. À droite : simulations de l’évolution du climat en réponse à différents scénarios de rejets de gaz à effet de serre et d’aérosols (les « Representative Concentration Pathways »). Chaque courbe de couleur correspond à une moyenne de simulations conduites avec plusieurs modèles climatiques pour un scénario donné. Les zones grisées indiquent l’écart type entre les différents modèles

9La production d’énergie représente la source majeure de gaz à effet de serre et le terme principal de l’action de l’homme sur le climat. Ce lien entre énergie et climat, toutefois, est beaucoup plus complexe qu’il n’y paraît de prime abord. Les différentes filières énergétiques ne produisent pas seulement du CO2, mais aussi, et de manière très différenciée, d’autres gaz à effet de serre (méthane, protoxyde d’azote, de manière indirecte ozone, vapeur d’eau stratosphérique) qui ont des absorptivités et des durées de vie variables. Elles ont aussi des impacts climatiques de natures différentes : émission de particules et aérosols (susceptibles d’avoir masqué environ la moitié de l’impact radiatif passé des gaz à effet de serre), modification des surfaces continentales (déforestation associée à l’usage du combustible* bois, dépôts de suie sur la neige). Comparer les impacts des différentes filières énergétiques demande d’élargir la perspective à l’ensemble des contraintes environnementales (climat, biodiversité, alimentation…). L’exemple des agrocarburants montre bien que la détermination de priorités dans le domaine énergétique passe par une analyse largement interdisciplinaire. Si l’on limite l’analyse au lien direct entre problématiques climatiques et énergétiques, il n’existe aucune limite à la production souhaitable d’agrocarburants. Si l’on prend en compte l’impact sur l’alimentation, sur la préservation de la biodiversité, ou les différences structurelles entre pays du Nord et du Sud, on constate au contraire que cette production se heurte à des limites considérables, qui ne peuvent être tranchées uniquement par l’expertise scientifique parce qu’elles relèvent aussi de problèmes de justice.

Bibliographie

Références bibliographiques

• Rapports de synthèse du Groupe Intergouvernemental d’Experts sur l’Évolution du Climat (GIEC), www.ipcc.ch.

• Plan national d’adaptation au Changement Climatique, 2011-2015, www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/ONERC-PNACC-complet.pdf.

• Sous la direction de C. JEANDEL et R. MOSSERI – Le Climat à Découvert, CNRS Éditions, 2011.

• Global Carbon Project, www.globalcarbonproject.org.

Table des illustrations

Légende Fig. 2 – Interactions entre énergie, climat et environnement. Impacts directs et indirects du climat, de sa variabilité et ses extrêmes sur les trois éléments-clés (l’environnement naturel ou bâti, la population et les activités socio-économiques), illustrant l’importante sphère d’influence et la complexité des impacts climatiques. D’autres enjeux, tels que le développement technologique, les choix de société, le vieillissement des infrastructures, les changements démographiques, se produisent en parallèle et interagissent avec ces changements climatiques. Il est à noter que dans ce document, l’environnement naturel fait référence au regroupement des cinq sous-systèmes climatiques défini par Peixoto and Oort (1992) où l’atmosphère est l’initiateur du changement climatique qui induit ces impacts
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10901/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 570k
Légende Fig. 4 – À gauche : scénarios de rejets de dioxyde de carbone liés à l’utilisation des énergies fossiles et la production de ciment (PgC/an). Les scénarios utilisés dans le rapport du GIEC* de 2007 figurent en bleu ; ceux utilisés dans le rapport de 2012 figurent en couleur. Lalege courbe en noir présente l’évolution récente des rejets. À droite : simulations de l’évolution du climat en réponse à différents scénarios de rejets de gaz à effet de serre et d’aérosols (les « Representative Concentration Pathways »). Chaque courbe de couleur correspond à une moyenne de simulations conduites avec plusieurs modèles climatiques pour un scénario donné. Les zones grisées indiquent l’écart type entre les différents modèles
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Auteurs

Climatologue, Membre de l’Académie des Sciences, Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie en détachement du CNRS, Professeur à l’École Polytechnique, Directeur de l’IPSL, Paris.
letreut@ipsl.jussieu.fr

Climatologue, Directeur de Recherche au CEA, LSCE, Gif-sur-Yvette.
didier.paillard@ lsce.ipsl.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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