Les consommations énergétiques,

leurs évolutions

et leurs liens avec les éco-systèmes naturels. Ce résumé est tiré d'une présentation de ces travaux au Colloque Annuel de la Société Française des Thermiciens, PAU - 25 et 26 mai 1993.

Quelques données générales sur létat thermique de la terre et les grands éco-systèmes naturels sont rappelées.

Les consommations énergétiques d'origine humaines sont présentées et quelques commentaires approtés sur les données générales, aux échelles de la population du globe ou de différents pays, sur l'hétérogénéité des niveaux de vie et des consommations énergétiques.

Certaines perspectives d'évolution relative des diverses sources d'énergie, par grands agrégats et sur les prochaines décennies, sont présentées et commentées.

Quelques éléments de réflexions sur les grands domaines ou intervient la thermique et sur les problématiques connexes, aux diverses échelles que constituent les eco-systèmes globaux naturels, les continents, les structures régionales ou locales, sont enfin esquissées.

Souhaitant ici mettre l'accent sur l'homme et ses sociétés, prenant donc partie pour l'étude des phénomènes au service de l'homme, à moins que ce point de vue ne soit celui du mécanicien extérieur observant la terre et ses drôles d'habitants depuis Sirius, nous commencerons donc, au risque de justifier l'accusation d'un anthropomorphisme excessif, par évoquer la Terre comme système physique, pour n'aborder qu'ensuite les considérations énergétiques.

LA TERRE ET SES HABITANTS
Une planète - rayon moyen : 6350 km, masse approximative : 6,6 x 10^21 t, volume : 1,1 MMkm^3 - dont la surface totale est d'environ 510 millions de km^2 (Mkm^2), dont actuellement, 150 Mkm^2 environ de terres émergées, tel est ce domaine, la Terre, où vivent plus de 5 milliards d'habitants (% Ghabitants), soit une densité moyenne proche de 40 habitants par km^2.

Ce qui est frappant, dans les évolutions de cette population mondiale, c'est sa croissance forte: la terre acueille actuellement plus de 200000 habitants supplémentaires par jour !

Par agrégat géographique, les populations, dont l'hétérogénéité de la distribution esy bien connue, bénéficient de conditions économiques et de vie bien différentes également. Nous perdons souvent de vue:

• que non seulement l'hétérogénéité en la matière est forte: le PIB, produit intérieur brut, par habitant au Niger, en Sierra Leone ou en Ethiopie est 40 fois plus faible que celui des Etats-Unis, voire de certains pays d'Europe; d'autres indicateurs de développement humains, plus complets, confirment cette hétérogénéité, avec des valeurs de cet indicateur qui varient de 1 à 10, des pays les plus pauvres au pays les plus nantis.
• mais aussi que cette hétérogénéité n'est pas en voie de réduction: ainsi à titre d'exemple, le PIB du Nigeria, pays pétrolier de 120 Mhab, est passé de 400$/hab dans les années 1970 à 300$/hab en 1990.

LE SYSTEME "SURFACE TERRESTRE-ATMOSPHERE"
La situation thermique, ou thermodynamique, du syst`eme dans lequel nous évoluons est telle que nous pouvons considérer qu'en première approximation les flux géothermiques, en provenance des profondeurs terrestres, ont une contribution globale négligeable à un ensemble qui correspond donc essentiellement à la seule surface terrestre complétée par l'atmosphère qui la surmonte (système STA).

Dans ce contexte, si nous ne considérons que les flux thermiques "physiques" - l'intervention des biomasses, terrestres et marines, est également importante -, trois aspects doivent être pris en compte. le rayonnement solaire, le cycle de l'eau et celui du gaz carbonique. Leurs couplages sont tels que l'un ne saurait être étudié sans une prise en compte rigoureuse des deux autres.

Le rayonnement solaire
Corps noir (ou gris) se propageant autour du soleil, la Terre verrait, en l'absence de l'atmosphère et des effets de serre qu'elle induit, la température moyenne de sa surface s'établir aux environs d'une petite dizaine de degrés Celsius, avec des contrastes impressionnants entre zone éclairée et zones à l'ombre.

Avec un éclairement maximum hors atmosphère, sur une surface perpendiculaire aux rayons solaires de 1450 W.m^{-2}, le soleil apporte à la terre environ 1,7 x 10^17 W, soit 170000 TW (1 TeraW = 1000 GW = 1 MMW).

A l'échelle globale, le bilan du système STA peut s'éxprimer d'une manière relativement simple. Une part importante, 30% environ, du flux solaire est directement réfléchie et diffusée par les très hautes couches de l'atmosphère et n'intervient pas dans le système. Le régime globalement permanent qui caractérise l'état de ce système correspond donc à une émission, dans le domaine infra-rouge, d'un flux égal au flux absorbé, soit 120000 TW environ. Parmi les paramètres dont dépendent les évolutions de ce système, sont à noter: le flux solaire en tant que tel, la distance terre-soleil, la valeur de l'albedo qui dépend fortement, bien sûr, du sytème STA lui-même.

A l'intérieur du système STA, et toujours à cette échelle très globale, il est à noter que près de 90000 TW du rayonnement solaire atteignent le sol des terres émergées ou la surface des océans. Les flux quittant cette "surface terrestre" vers l'atmosphère, sont tous, quant à eux, sensiblement de même ampleur, qu'il s'agisse du rayonnement par le sol, qui est partiellement absorbé par l'atmosphère, des transferts par condiction-convection vers l'air et du flux correspondant au cycle de l'eau.

Les bilans hydriques
La figure 3 présente, à l'échelle globale, les différents flux mis en jeu par le cylce de l'eau. Il est généralement difficile de se rendre compte de l'ampleur des flux mis en jeu et, par voie de conséquence, d'imaginer leur rôle ou celui de leurs variations globales ou régionales (les irrégularités des comportements locaux, voire régionaux, nous sont régulièrement rappelés par ce que nous appelons les catastrophes naturelles). Quelques éléments:

• le cycle évaporation-précipitations met en jeu chaque année près de 0,4 Mkm^3 d'eau, soit plus de 10 millions de tonnes d'eau par seconde (10 Mt/s)
• ce flux annuel peut être comparé aux principaux stocks d'eau liquide: les neiges et glaces (environ 25 Mkm^3), les eaux souterraines (25 Mkm^3 également), les océans et les mers (1350 Mkm^3, soit 3800 m dépaisseur moyenne).

Le rôle considérable, à l'échelle planétaire, du processus évaporation-condensation ne saurait bien sûr occulter son influence à des échelles plus régionales. De plus, les mouvement sinternes à la masse des océans et leur couplage avec les mouvement de l'atmosphère sont devenus un sujet d'étude essentiel en écologie générale.

En témoigne également, par exemple, le programme franco-américain qu'ont mis en oeuvre le CNES et la NASA : à l'aide du satellite TOPEX-POSEIDON, lancé en août 1992, le niveau moyen des océans est régulièrement mesuré, à quelques centimètres près. Les informations recueillies sont utilisées pour caler et vérifier les modèles hydrodynamiques qui permettront à terme une meilleure connaissance de certains mouvement des océans et des masses atmosphériques qui les surmontent (des phénom\enes tels que "El Nino" dans le Pacifique Sud, par exemple, ou les échanges entre atmosphère et l'atlantique Nord, aux latitudes élévées, ...)

Les flux et stocks de gaz carbonique
Une présentation globale des flux et stocks de CO2 - les effets importants d'autres gaz que le CO2 ne sont pas évoqués ici -, analogue à celle proposée poir les bilans hydriques, est montrée figure 4. A cette échelle globale, plusieurs aspects sont à noter:

• les échanges entre atmosphère et biomasses, particulièrement végétales, mettent en jeu des flux importants, supérieurs à 400 Gt/an,
• les échanges entre l'atmosphère et les océans, autre élément important de l'équilibre du CO2, ont une ampleur comparable,
• le flux causé par l'activité humaine, industrielle et domestique, est d'une ampleur plus modeste, puisqu'il est environ égal à 20 Gt/an, chiffre cohérent avec la consommation de produits carbonés.

Ce dernier chiffre ne prend pas en compte l'influence importante de l'espèce humaine sur d'autres éléments essentiels des cycles de CO2 (modification de la distribution des géomasses végétales, feux de forêts, ...)

Néanmoins, il est clair que la corrélation entre croissance de la concentration moyenne du gaz carbonique dans l'atmosphère et activité humaine reste un sujet d'étude important, toute conclusion sur ce point semblant, maintenant, tout à fait prématurée.

S'il ne fait pas de doute, en effet, que, depuis un certain temps, nous enregistrons une croissance régulière de cette concentration moyenne - à l'observatoire d'Hawai, la la concentration moyenne sur l'année de CO2 dans l'air est ainsi passée de 320 à 340 ppmv entre 1965 et 1985 [Lambert, 1987] -, s'il ne fait pas de doute non plus, que la présence de CO2 dans l'atmosphère, comme de toute molécule triatomique, a une influence sur l'effet de serre, il ne conviendrait pas d'en déduire hâtivement que l'homme est responsable, a fortiori le seul responsable, des évolutions constatées.

Si les causes des effets constatés ne sont pas toujours bien identifiés, nous noterons par contre qu'il semble y avoir une corrélation forte entre teneur en gaz carbonique dans l'atmosphère et température moyene: la figure 5 [Barnola et al., 1987], présentant certains des travaux franco-soviétiques menés sur des glaces anciennes issues de forages effectués à Vostok [Raynaud, 1993], le montre clairement.

LA CONSOMMATION ENERGETIQUE MONDIALE
Nous névoquons ici que les consomations et productions énergétiques sous forme explicite, négligeant ainsi tous les apports énergétiques correspondant à notre seule subsistance en tant qu'êtres humains.

Si chacun d'entre nous disspe en permanence une puissance thermique moyene d'environ 100 W (le métabolisme de base, au repos, à jeun, correspond \ a 70 W, soit 1500 Kcalories quotidiennes), ne perdons jamais de vue que les produits consommés sont les produits de plusieurs étapes de chaines biocénotiques - chaque étape a un rendement énergétique moyen maximal de 10% - dont l'étendue des zones cultivées et d'élevage attestent des ressources énergétiques importantes, essentiellement d'origine solaire, qu'elles mobilisent.

Dans des comparaisons avec les chiffres indiqués plus loin un accroissement de plusieurs ordres de grandeur de cette puissance de référence - 100 W/hab - apparaît donc souvent indispensable. Félicitons-nous encore de ne pas être exclusivement carnivore et de ne manger nous-mêmes que peu de carnivores !

A l'échelle du globe, la population mondiale consomme actuellement, sous forme explicite, environ 8 milliards de tonnes d'équivalent pétrole (tep) par an (8 Gtep/an) soit une consommation moyenne de plus d'un tep par habitant et par an, équivalente à 1400 W environ.

Après avoir noté que, sans aucun doute, la population mondiale, fortement croissante, aura des besoins croissants (figure 6 et 11), il convient, à l'échelle globale, de formuler quelques remarques générales:

• pour colossale qu'elle soit, la consommation globale reste faible par rapport au flux "naturels" mis en jeu : notre terre reçoit globalement, par exemple du soleil, 15000 fois plus que notre consommmation explicite d'énergie (les 170000 TW sont équivalents à environ 120000 Gtep/an),
• en 1990, les poids relatifs approximatifs des différentes sources d'énergie étaient les suivants: 39% pour le pétrole, près de 28% pour le charbon, 20% pour le gaz naturel, le reste correspondant, à égalité, à l'électricité hydraulique et au nucléaire, 6 à 7% chaque (figure 6),
• ce qui est frappant c'est la très forte hétérogénéité entre les pays (figure 7) : en 1988, si, en France, nous consommions pour l'ensemble de nos activités, 3,8 tep par an et par habitant - tep/(an.hab) - en énergie primaire, la consommation aux Etats-Unis et au Canada était proche de 10 tep/(an.hab) (presque 6 pour la partie orientale de l'Allemagne) et n'atteignait que 0,6 en Asie poids de la chine) et 0,3 en Afrique.

L'EVOLUTION DES PRINCIPALES SOURCES D'ENERGIE
Diverses formes d'énergie ne sont pas évoquées ici : l'énergie solaire exploitée sous forme thermique ou électrique, l'énergie des vents (une forme dérivée de l'énergie solaire !), l'énergie géothermique, souvent considérée comme non-renouvelable, formulation le plus souvent inadaptée à ses conditions réelles d'exploitation, celle des marées ... Ce choix restrictif correspond à la volonté de limiter cette présentation aux aspects globaux. Il ne signifie pas qu'à certaines échelles régionales ces formes d'énergie ne soient pas très importantes (e.g. la géothermie en Islande ou au Salvador).

En ce qui concerne les évolutions de la consommation d'énergie mondiale - hors, répétons-le, les importants flux d'énergie solaire correspondant aux activités agricoles et d'élevage, sur lesquels de nombreux travaux de synthèse restent à accomplir-, les prévisions quantitatives sont encore plus incertaines que celles relatives à la population mondiale. C'est la raison pour laquelle, alors que nous n;avons retenu, pour cette dernière, qu'une possibilité, plus ou moins moyenne, voire basse (6,3 Ghabitants environ en 2000, figure 1), la palette présentée ici pour l'énergie est plus vaste : toujours pour 2000, la figure 6 fait référence à 16,5 Gtep/an, la figure 11 indique plutôt 9,5 Gtep/an.

Nous noterons les incertitudes considérables des prévisions en la matière et les évolutions, dans le temps, des conlusions de divers groupes d'experts impliqués sur ce thème, comme la variété des scénarios examinés [Boy de la Tour, 1993]. Cependant, par rapport à des approches variées, incluant des hypothèses sur l'évolution de la population mondiale, qui conduisaient, il y a une quinzaine d'années, à une fourchette de consommation de 19 à 45 Gtep/an, en 2020, les estimations se sont progressivement affinées.

La dernière Conférence Mondiale de l'Energie, à Madrid à l'automne 1992, a retenu [Boy de la Tour, 1993] trois scénarios d'évolition jusqu'en 2020 : (1) un scénario de référence, avec une croissance économique de 3,3%/an, conduisant à une demande énergétique de 13,3 Gtep/an, (2) un scénario de croissance soutenue (3,8%/an), base de réflexion sur la manière de répondre à des besoins supérieus à 17 Gtep/an, enfin (3) un scénario "vert", avec une croissance identique à celle de (1), mais avec un fort appel aux énergies renouvelables et l'accroissement des efficacités énergétiques, qui conduit à environ 11 Gtep/an.

Le charbon
Des trois combustibles fossiles que sont le charbon, le gaz et le pétrole, le charbon est celui dont les réserves sont les plus importantes. Elles sont en effet, considérées [DGEMP, 1990], en y incluant la lignite, comme équivalente à 900 Gtep, soit plusieurs siècles de consommation au rythme actuel.

Le maintien et l'extension de l'usage du charbon d'une part de l'amélioration des conditions humaines dans lesquelles sont exploitées les gisements de plus en plus profonds et d'autre part de l'amélioration de la souplesse d'utilisation du produit. La gazéification in situ est ainsi, par exemple et par voie de conséquence, l'un des domaines techniques ouverts pour l'avenir.

Le gaz
Le gaz, dont les réserves mondiales sont estimées [DGEMP, 1990] à environ 130 Gtep, soit plus d'un demi-siècle de la consommation des années 1990, connait depuis plusieurs années un développement régulier. Réparties un peu partout dans le monde, les réserves de gaz sont principalement situées dans l'ancienne URSS (près de 40%) et au proche orient (30%).

Compte tenu dela souplesse de son emploi - dont atteste, par exemple, le développement des turbines à gaz -, des perspectives de production, si nécessaire, de carburants liquides classiques à partir du gaz, combinés à d'autres éléments, la consommation de gaz, stimulée par les besoins des pays occidentaux, continuera à croître au cours de la prohaine décennie (figure 8 et 6).

Le pétrole
Les réserves prouvées sont actuellement estimées à 45 années de production [DGEMP, 1990]. De nombreux éléments amènent à considérer que cette source essentielle d'énergie est probablement celle où la géopolitique joue le rôle le plus important:

• les pays du Moyen-Orient détiennent environ 65% des réserves mondiales (figure 9) [Champonet al., 1990],
• la position dominante du Moyen-Orient est de surcroît renforcée par le fait que c'est dans cette région que les coûts de production sont les plus bas. En fait, les 3/4 des réserves mondiales ont un coût de production inférieur à 4$/bbl (1 baril = 0,159 m^3 environ). 90% de cette fraction est située au Moyen-Orient !

Dans ce context, nous comprenons tou l'intérêt, à titre souvent conservatoire, d'efforts de recherche et de développement soutenus [Alazard et Montadert, 1993], de la même manière que s'explique la relative modestie des perspectives d'évolution du pétrole, à terme, par rapport à celle du gaz, voire du charbon.

Si les usages du pétrole sont variés, et dépendent des pays utilisateurs (l'exemple de l'évolution rapide de la structure française, avec le développement du nucléaire et la quasi-suppression du pétrole et de ses dérivés pour la production d'électricité est à cet égard particulièrement spectaculaire), nous retiendrons bien sûr son rôle irremplaçable comme base de la pétrochimie et plus classiquement dans le domaine des transports.

La production mondiale de véhicule routiers (automobiles, ...) a atteint, en 1990, 50 millions de véhicules, le parc mondial tous véhicules confondus étant estimés, la même année, à un peu plus de 500 Mvéhicules. Certaines projections permettent d'estimer que ce parc atteindra 900 Mvéhicules, vers 2010 [Girard, 1992].

Le nucléaire
L'évolution en hausse très mod'erée du nucléaire civil devraient se poursuivre dans les prochaines décennies. Cette croissance (figure 10), sans incidence forte sur les poids relatifs des différentes sources d'énergies, affectés sans doute par l'évolution dans l'ex-URSS, correspond à un accroissement du nombre des tranches connectées aux réseaux. Fin 1992, 424 réacteurs étaient opérationnels dans le monde [AIEA, 1993] : durant l'année 1992, six tranches nouvelles avaient été connectées, trois arrêtées (65 réacteurs définitivement arrêtés de puis le début de l'ère nucléaire), 72 tranches sont actuellement en construction, dans 19 pays.

En ce qui concerne le nucléaire, nous noterons la difficulté d'adaptation de ce moyen de production d'électricité `a la phase de développement de certains pays du tiers-monde, phase qui devraient caractériser, espérons-le, le 21ème siècle : en effet, la réalisation et le suivi de production électrique de grand taille, 900 ou 1300 MW par exemple, supposent l'existence ou la mise en place de réseaux électriques dense, justifiés dans certains pays ou existant en Europe qui ne sont pas sans présenter, en regard d'avantages significatifs, quelques inconvénients.

Dans un pays comme le nôtre, par exemple, le seul tansport d'électricité à travers le réseau correspond à 6 à 7% de la production électrique totale.

LES TENDANCES ET LES PROBLEMATIQUES
Si nous étudions de manière plus fine, à l'échelle de pays, de procédés, ... les problèmes énergétiques, nous constatons l'existence d'éléments qui, complétant ce panorama général, sont autant de pistes de réflexions et, pour certains, de sources d'espoir (l'espoir signifiant, d'une manière instinctive, une meilleure maitrise dela croissance de la consommation énergétique). Parmi ceux-ci:

• dans les pays les plus avancés, la consommation totale d'énergie de tous types, rapportée au nombre d'habitants, s'est ainsi non seulement stabilisée, mais commence à se réduire, ceci indépendamment d'éventuels effetst de délocalisation à l'étranger d'activités industrielles lourdes,
• en effet, le progrès technique permet depuis quelques années de réduire continûment les consommations spécifiques de chaque activité: ainsi, de 1973 à 1985, une réduction moyenne de 20% a été obtenue dans le chauffage résidentiel en France oupour la production d'une tonne d'acier au Japon, de plus de 20% pour les consommations automobiles, au kilomètre parcouru, aux Etats-Unis [[DGEMP, 1990],
• dans ces mêmes pays avancés,une prise en compte, qui va se généralisant, des problèmes d'environnement conduira à des stratégies parralèles d'économie, de matière et d'énergie, de plus en plus performantes : il en est ainsi, par exemple, des procédés liés à la gestion des déchets de tous types,
• une maîtrise adaptée à chaque région des différentes solutions énergétiques apparaît désormais possible : solaire, biomasse, hydraulique, toutes formes plus ou moins renouvelables, géothermie dans un rôle d'apport moins important localement mais faible au plan global,
• si les grandes tendances se maintiennent à l'échelle du globe et au cours du prochain siècle, le pétrole sera progressivement relayé par le gaz naturel,
• unemeilleure compréhension des flux naturels locaux et des systèmes de production de biomasse devraient enfin conduire à lémergence de productions énergétiques ou de techniques d'économie ou de récupération, sans incidence forte sur les bilans globaux, mais néanmoins significatives aux échelles de leur mise en oeuvre.

EN GUISE DE CONCLUSION
Les éléments généraux du décor que nous avons esquissé sont autant d'aspects qui, s'ils sont intégrés dans une vision globale et dans les stratégies qui s'en déduisent, peuvent permettre d'élaborer des démarches cohérentes et satisfaisantes pour tous :

• d'une part, il importe d'amplifier et d'approfondir les travaux permettant à l'échelle globale de mieux comprendre, et la tâche est immense, le comportement thermique de ce système complexe que constitue la surface terrestre complétée par cette atmosphère qui nous fait vivre,
• d'autre part, s'agissant des hommes, n'oublions jamais que notre situation en Europe de l'Ouest est celle de priviliégiés et que rien ne serait plus pervers et irréaliste que de suggérer, ou d'essayer d'imposer aux autres des schémas de développement intégrant des limitations qui ne seraient pas les nôtres actuellement, voire ne l'ont pas été dans un passé récent.

Pour le plus long terme ce n'est pas l'existence potentielle d'une ressource énergétique globalement suffisante pour l'humanité, et son exploitation, qui doivent motiver notre attention, encore qu'il apparaisse de la sagesse la plus élémentaire d'économiser cette ressource au maximum, mais plutôt les conditions d'appropriation par le plus grand nombre et la diffusion la plus large des technologies énergétiques, des technologies intégrant réllement les dimensions environnementales à toutes les échelles écologiques, locales, régionales ou globales.

S'ils ont la volonté d'intǵrer ;eurs efforts dans ce contexte et s'ils en sont capables, il n'est pas impossible de penser que les thermiciens pourront, avec d'autres, préparer certaines des clés de l'avenir.

Quelques références

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