Production d'électricité

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La production d'électricité est essentiellement un secteur industriel qui approvisionne en énergie électrique les fournisseurs d'électricité. Ceux-ci la livrent ensuite aux consommateurs en utilisant les réseaux de transport et de distribution.

L'électricité est produite depuis la fin du XIXe siècle dans des centrales électriques. Les centrales transforment des énergies primaires, généralement grâce à des générateurs électriques entraînés soit par une machine thermique alimentée en combustible fossile (charbon, gaz naturel ou pétrole), en combustible organique (biomasse, déchets), en énergie nucléaire ou en énergie géothermique, soit directement par l'énergie mécanique hydroélectrique ou éolienne ou par l'énergie solaire.

La part de l'électricité dans la consommation finale d'énergie mondiale s'élevait à 20,6 % en 2021. La production mondiale d'électricité était issue en 2021 des combustibles fossiles pour 61,5 %, du nucléaire pour 9,8 % et des énergies renouvelables pour 28,3 % (hydroélectricité 15,5 %, éolien 6,5 %, solaire 3,6 %, biomasse 2,2 %, géothermie 0,3 %). Les deux principaux pays producteurs d'électricité en 2022 totalisent 46 % de la production mondiale : Chine 30,5 % et États-Unis 15,4 %.

La production d'électricité et de chaleur est en 2021, au niveau mondial, responsable de 43,6 % des émissions de CO2 liées à l'énergie.

Un turbo-alternateur dans la centrale thermique de Boxberg.
Une turbine hydraulique avec sa génératrice.
Deux éoliennes.

Histoire[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Histoire des centrales électriques et Histoire de l'électricité.

En 1868, l'inventeur belge Zénobe Gramme améliore la dynamo, à courant continu, point de départ de l'industrie électrique moderne, et fonde la Société des machines magnétoélectriques Gramme avec l'industriel Hippolyte Fontaine. Quelques années plus tard, les boulevards des grandes capitales sont illuminés par la bougie Jablochkoff alimentée par des machines Gramme, avant qu'elle soit supplantée par les lampes à incandescence de Thomas Edison[1],[2],[3]. La deuxième révolution industrielle est en marche.

En 1878, une centrale hydroélectrique de 7 kW est construite par William George Armstrong à Cragside en Angleterre. Elle tire son énergie de lacs situés sur la propriété de l'ingénieur, via des dynamos, et alimente sa demeure ainsi que des machines et bâtiments de ferme[4].

En 1882, Thomas Edison construit la centrale de Pearl Street Station, première aux États-Unis. Elle abrite six dynamos « Jumbo » mues par des machines à vapeur, celle-ci étant produite grâce au charbon, et fournit du courant continu dans un rayon de 800 m[5]. D'une capacité de 1 200 lampes, elle éclaire 85 maisons, bureaux et boutiques de Manhattan[6]. Moins d'un an plus tard, d'autres centrales, toujours plus puissantes, éclairent plus de 430 immeubles new-yorkais avec plus de 10 000 ampoules. C'est également la première centrale à cogénération, dont la chaleur résiduelle est distribuée aux bâtiments voisins et la vapeur vendue aux usines locales. La technologie sera par la suite adoptée dans le monde entier.

En 1890, le courant alternatif sort vainqueur de la guerre des courants l'opposant aux partisans du courant continu. La production centralisée d'électricité se généralise alors, grâce au transport de l'énergie à haute tension, sur de longues distances.

Moyens de production[modifier | modifier le code]

Les moyens de production sont diversifiés et dépendent de nombreux facteurs, notamment :

  • Production d’électricité annuelle dans le monde (1980-2011)
  • Production par type d'énergie.
    Production par type d'énergie.
  • Détail des énergies renouvelables.
    Détail des énergies renouvelables.

Enjeux environnementaux[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Impact environnemental des centrales thermiques, Effets sur l'environnement des éoliennes et Panneau solaire : Impact environnemental.

L'électricité est communément présentée comme une « énergie propre ». En effet, les équipements l'utilisant n'émettent, localement, ni gaz polluant, ni gaz à effet de serre (GES). Toutefois, l'électricité n'est pas disponible naturellement sur Terre, elle n'est qu'un vecteur énergétique. Elle est produite par conversion d'énergie primaire en « énergie électrique ».

Les énergies renouvelables électriques, à l'instar de l'énergie nucléaire[7], sont qualifiées de « durables ».

Le classement de l'énergie nucléaire dans les énergies durables fait l'objet de débats en Europe. En 2022, des conditions au « label vert » sont fixées par l'Union européenne concernant le futur de l'électricité d'origine nucléaire. Les projets de construction de nouvelles centrales nucléaires devront avoir obtenu un permis de construire avant 2045. Les travaux permettant de prolonger la durée de vie des centrales nucléaires existantes devront avoir été autorisés avant 2040[8].

À l'échelle européenne, selon le think tank Agora Energiewende (de), la part des renouvelables dans la production d'électricité de l'Union européenne est passée de 21 % en 2010 à 38 % en 2020, année où elle a pour la première fois dépassé la part des énergies fossiles (37 %) ; l'éolien atteint 14 % et le solaire 5 %. Le charbon a reculé de 705 TWh en 2015 à 365 TWh en 2020 alors que l'éolien et le solaire totalisent 570 TWh en 2020. Les émissions de GES de l'électricité ont reculé de 317 geqCO2/kWh en 2015 à 226 geqCO2/kWh en 2020[9]. L'Agence internationale de l'énergie (IEA) prévoit une croissance des puissances installées dans le monde entre 2019 et 2024 d'environ 700 GW pour le solaire et de 350 GW pour l'éolien, portant leur part dans la production d'électricité de 26 % à 30 %[10].

Mais la plupart des processus de production d'électricité, y compris ceux qualifiés de durables, exercent une influence dommageable sur l'environnement.

Émissions de gaz à effet de serre[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Émission de dioxyde de carbone, Empreinte carbone de l'électricité et Émission de gaz à effet de serre par source d'énergie électrique.
Émissions mondiales de CO2 liées à l'énergie par secteur économique en 2019[11].
  • Électricité, 40 %
  • Transports, 23 %
  • Industrie, 23 %
  • Bâtiments, 10 %
  • Autres, 4 %

La production d'électricité et de chaleur est en 2021, au niveau mondial, responsable de 43,6 % des émissions de CO2 liées à l'énergie, devant les transports (22,7 %), l'industrie et le bâtiment (18,9 %), le secteur résidentiel (5,9 %), le secteur tertiaire (2,4 %) et les autres secteurs énergétiques (4,7 %)[12]. En 2019, cette part était de 40 %, dont 29 attribuables au charbon (soit 72 % des émissions dues à l'électricité), 9 au gaz et 2 au pétrole[11].

Selon les estimations de l'Energy Institute, le charbon assure 35,4 % de la production mondiale d'électricité en 2022 ; au total, 60,6 % de la production mondiale d’électricité provient des combustibles fossiles[13].

En raison des ruptures d'approvisionnement en gaz russe en 2022, l'Allemagne entend recourir davantage aux centrales à charbon[14] et défend l'extension de la mine de Garzweiler[15]. En Asie, les multiples projets de centrales à charbon risquent aussi de mettre à mal les objectifs climatiques[16],[17],[18],[19]. Ainsi, entre le premier semestre 2019 et le premier semestre 2021, l'augmentation de la production électrique des centrales à charbon en Chine a été supérieure à la production de l'ensemble des centrales à charbon de l’Union européenne au premier semestre 2021. « La transition du secteur électrique chinois devient pourtant cruciale »[20],[21],[22]. En 2021, la production d'électricité a fortement augmenté, couverte à hauteur de plus de la moitié par la hausse de la combustion du charbon. Mais l'IEA pense que l'augmentation attendue de la production d'électricité dans les prochaines années sera de plus en plus assurée par les énergies renouvelables[23]. Richard York et The Shift Project affirment qu'à l'échelle mondiale, les énergies renouvelables ont plus tendance à s'ajouter aux énergies classiques qu'à les remplacer, en particulier dans le domaine de l'électricité[24],[25]. Une étude publiée en 2015 par le département de recherche et développement d'EDF, qui simule le fonctionnement du système électrique européen avec de l'éolien et du photovoltaïque, nuance ces affirmations. Elle conclut que 700 GW d'énergies renouvelables intermittentes permettront de réduire de 160 GW les moyens conventionnels de base (thermiques pour l'essentiel), mais exigeront 60 GW de moyens de production de pointe (back-up, également thermique pour l'essentiel) pour assurer la satisfaction de la demande lors des périodes sans vent et sans soleil ; l'économie de moyens de production conventionnels sera donc de 100 GW[26].

Opposition à la mine de Garzweiler. Traduction : « 1,5 °C signifie : Lützerath reste ! ».

En outre, la construction de tout ouvrage et de toute machine requiert des matériaux et de l'énergie grise, qui impliquent eux-mêmes pollution, rejets et autres impacts environnementaux. L'analyse du cycle de vie révèle ainsi, par exemple, qu'une éolienne est responsable d'émissions indirectes de CO2 qui représentent, moyennées sur sa durée de vie, 12,7 g/kWh, les 11/13 de ces émissions ayant lieu lors de sa fabrication[27] ; par ailleurs, toute l'énergie qu'elle produit pendant sa première année de fonctionnement ne fait que compenser celle qui a été dépensée pour la mettre en service[28]. À titre de comparaison, l'énergie nucléaire est responsable d'émissions dans le même ordre de grandeur que l'éolien, le solaire photovoltaïque de 40 à 45 g/kWh, le thermique à gaz de 400 à 500 g/kWh et le thermique à charbon de 1 000 g/kWh[29],[30],[31].

Le photovoltaïque est « presque trop carboné, à cause de la fabrication du panneau », d'après Jean-Marc Jancovici[32],[33]. En France, les émissions de CO2 liées à la production d’électricité ont été, en 2015, de 23,1 Mt pour 546 TWh, soit 0,06 kg(CO2)/kWh[34],[35]. Selon EDF, les émissions de CO2 par kilowatt-heure du solaire photovoltaïque sont de 48 g contre 12 g pour le nucléaire, 11 g pour l’éolien et 24 g pour l'hydraulique[36].

Selon une étude parue dans Nature en 2020, même à supposer que le contenu en carbone de l'électricité ne présente pas d'amélioration, il y a quand même intérêt à passer aux voitures électriques pour les transports, et aux pompes à chaleur pour les bâtiments[37]. L'IEA aboutit à la même conclusion. Elle envisage également, pour décarboner l'électricité, la séquestration du CO2[38].

Pollution[modifier | modifier le code]

Les centrales thermiques à flamme rejettent des oxydes de soufre et d'azote, des suies et d'importantes quantités de dioxyde de carbone (principal moteur du réchauffement climatique) ; d'un autre ordre, les eaux employées dans les centrales thermiques, essentiellement les eaux de refroidissement des centrales thermiques, sont traitées chimiquement et rejetées à des températures sensiblement supérieures pouvant perturber l’équilibre des cours d'eau.

Les pales des éoliennes sont faites d'un matériau composite comprenant une matrice de résines thermoplastiques et thermodurcissables et un renfort de fibres de carbone ou de verre. Elles ne sont pas recyclées. À partir de 2025, au moins la moitié des nacelles et des pales devront réglementairement être recyclées[39].

Les panneaux solaires photovoltaïques sont composés essentiellement de verre, d'aluminium et de semi-conducteurs (leurs équipements annexes, tels les onduleurs et accumulateurs, sont catégorisés comme déchets électroniques). Tous ces matériaux sont hautement recyclables et peuvent être incorporés à la fabrication de nouveaux panneaux ou à d'autres processus industriels. PV Cycle annonce ainsi un taux de valorisation de 94,7 % pour un module photovoltaïque à base de silicium cristallin avec un cadre en aluminium[40].

L'extraction du minerai d'uranium peut poser des problèmes de pollution. Ainsi, à la suite de l'épuisement de la mine d'Akouta au Niger en 2020, une vingtaine de millions de tonnes de résidus de traitement, qui contiennent à peu près 80 % de la radioactivité, sont stockés à l'air libre. L'exploitant s'est engagé à les protéger par un sarcophage[41]. Concernant le stockage des déchets nucléaires, bien que les études relatives à la sûreté du Centre de stockage de la Manche soient très positives, le site n'est pas banalisable à l’issue des 300 ans ; il convient donc d'en garder la mémoire[42].

Les centrales nucléaires produisent des déchets radioactifs[43], dont une petite partie, d'une durée de vie dépassant le millénaire, est appelée à être stockée en couche géologique profonde, cependant que les seuils de libération des métaux valorisés lors du démantèlement font l'objet d'un débat[44]. Les 56 réacteurs français produisent approximativement dix tonnes de plutonium par an[45], matière émettant des particules alpha qui pourraient provoquer la survenue du cancer du poumon chez des travailleurs du nucléaire[46].

Perturbation des écosystèmes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Pollution thermique.

Les grands barrages hydroélectriques, tels que le barrage des Trois-Gorges en Chine, modifient profondément les écosystèmes[47].

Les centrales thermiques, qu'elles soient nucléaires ou à combustible fossile, rejettent de la chaleur[48] dans les cours d'eau, dans la mer ou dans l'atmosphère (avec un rendement de 34 %, une centrale évacue environ deux fois plus de chaleur qu'elle ne produit d'électricité). Ces rejets de chaleur engendrent une « nuisance directe sur l’environnement de la centrale »[49].

Les éoliennes contribuent à l'artificialisation des sols par leurs socles en béton[50].

Consommation de minerais rares ou sensibles[modifier | modifier le code]

Le développement des énergies renouvelables électriques (en particulier l'éolien en mer) requiert beaucoup plus de minerais par mégawatt que le développement du nucléaire, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE)[51]. En fonctionnement permanent, un réacteur nucléaire de 1 100 MW requiert un approvisionnement en combustible de 100 tonnes d'uranium enrichi par an[52]. L'uranium n'est pas mentionné comme métal critique dans le rapport que leur consacre l'AIE[53] et il ne figure pas dans la liste des 30 matières premières critiques pour l'économie européenne établie par la Commission européenne[54].

Un rapport de l'AIE prévoit en 2021 que les besoins de l'énergie solaire photovoltaïque en 2040 atteindront 0,8 à 1,0 Mt/an de cuivre et 0,7 à 0,8 Mt/an de silicium. Les besoins en minéraux de l'éolien (surtout zinc et cuivre) varient de 10 à 14 t/MW selon les types de turbine[53]. Par comparaison, la consommation de cuivre en 2018, pour les besoins totaux de la société, était de 20,9 Mt/an[55]. Cela sera dû à la très forte croissance des énergies renouvelables, qui atteindra en moyenne plus de 160 GW par an jusqu'en 2040[56]. Selon l'IFP Énergies nouvelles (IFPEN), qui a modélisé en 2021 les besoins futurs en matériaux nécessaires pour limiter le réchauffement climatique à 2 °C, le monde pourrait consommer entre 60 et 90 % des ressources en cuivre connues aujourd'hui d'ici à 2050. Pour la bauxite, ces chiffres se situent entre 50 et 85 %, pour le cobalt autour de 80 %, 60 % pour le nickel, 30 % pour le lithium et 4 % pour les terres rares[57].

L'exploitation sous-marine des nodules polymétalliques est évoquée dans la zone de fracture de Clipperton, très convoitée. Un paradoxe résiderait dans le fait que, pour accélérer la transition vers les énergies renouvelables, il faille détruire les plaines abyssales[58],[59].

Empreinte au sol[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Densité surfacique de puissance : Production d'énergie.

L'empreinte au sol mesure la superficie utilisée, directement et indirectement, par une activité humaine. Elle peut être considérée comme un indicateur de l'artificialisation des sols. L'empreinte au sol de la production d'électricité a fait l'objet de plusieurs études. En particulier, l'étude publiée en par la Convention des Nations unies sur la lutte contre la désertification (UNCCD) et l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) fournit, à partir d'une compilation d'études d'impact, une estimation de l'empreinte au sol ou « intensité d'utilisation des terres » des principaux modes de production d'électricité (en mètres carrés par mégawattheure) : nucléaire 0,1, gaz naturel 0,2, charbon 0,2 (mine souterraine) ou 5 (mine à ciel ouvert), éolien 1, géothermie 2,5, hydroélectricité (grands barrages) 10, solaire photovoltaïque 10, solaire thermodynamique 15, biomasse 500[60]. Une autre étude, publiée en , donne des estimations peu différentes, en hectares par térawattheure et par an (médianes) : nucléaire 7,1, géothermie 45, éolien 130 (empreinte) ou 12 000 (espacement), biomasse (déchets) 130, gaz naturel 410 (empreinte) ou 1 900 (espacement), hydroélectricité 650, charbon 1 000, solaire thermodynamique 1 500, solaire photovoltaïque (centrale au sol) 2 000, biomasse (culture dédiée) 58 000. Les estimations de type « empreinte » ne prennent en compte que les composants physiques de la centrale, alors que celles de type « espacement » y ajoutent les espaces inoccupés entre ces composants (pour un parc éolien, les espaces entre les mats des éoliennes)[61].

Selon l'association négaWatt, les modèles d’éoliennes de 100 mètres installés en France dans les années 2010 ont une fondation d'une vingtaine de mètres de diamètre, pour une profondeur de 3 mètres et une masse de béton de 800 tonnes, armée de 40 tonnes d’acier. Ainsi, la consommation annuelle de béton pour la filière éolienne représente en France 0,5 % de la production nationale, et l’éolien contribue à hauteur d'environ 1,5 % à l’artificialisation des terres[50].

Le développement des énergies renouvelables intermittentes nécessitera une interconnexion plus poussée[62] : un « système électrique avec une part très élevée d'énergies renouvelables s’accompagnerait d’une plus grande empreinte territoriale des réseaux », ce qui pose un problème d'acceptabilité sociale, d'après RTE et l'IEA[63],[33].

Techniques de production d'électricité[modifier | modifier le code]

Techniques largement utilisées[modifier | modifier le code]

Techniques en développement[modifier | modifier le code]

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