L’électricité, une solution pour la transition énergétique ?

Les auteur·es du livre blanc Énergie et systèmes électriques s’appuient sur la synthèse des qualités de l’électricité comme vecteur énergétique, dans ses usages finaux - « pas d’émissions de matières, peu de nuisances sonores, faibles pertes énergétiques au cours des conversions » -, mais aussi de l’évolution de « notre rapport à l’énergie et ses modes d’usages », dans lequel l’électricité prendra « un rôle central ». L’enjeu n’est donc pas uniquement technique. La stratégie nationale bas carbone (SNBC 2050) cible zéro émissions nettes de carbone en 2050, avec un mix énergétique et des usages beaucoup plus électrifiés, combinant sobriété et efficacité. Objectif : réduire l’énergie finale consommée en France de 1650 TWh (terawatt-heure) en 2019 à environ 1200 TWh en 2050.

• un livre blanc est un rapport présentant des informations concises sur un sujet complexe, ayant généralement pour objectif de conseiller la prise de décision sur le sujet abordé. Il peut être notamment destiné aux institutions.
• un vecteur énergétique permet le transport de l’énergie sous une forme, telle que l’électricité, pour ensuite produire de la chaleur, une énergie mécanique, etc...
• l’énergie finale, utilisée par les consommateur·rices, s’oppose à l’énergie primaire qui a été utilisée au départ de la chaîne de production d’une forme d’énergie. Par exemple, l’énergie solaire est une énergie primaire, transformée en énergie finale, sous forme d’électricité, par des panneaux solaires.
• le mix ou bouquet énergétique est la combinaison de différentes sources d’énergies utilisées.

L’électricité, vecteur majeur des énergies renouvelables et du futur système énergétique

Depuis sa découverte, « la fée électricité » est une forme d’énergie incontournable, au cœur de toutes les activités humaines. Avec l’électronique, elle est devenue le vecteur quasi exclusif des systèmes d’information et de communication. Toutes les liaisons par satellites ou par câbles sous-marins et même par fibres optiques se fondent sur des mécanismes relevant de l’électromagnétisme ou du génie électrique. On ne conçoit plus un monde moderne sans électricité, sans laquelle tout s’arrête. Et son rôle en tant que vecteur énergétique est appelé à s’accroître fortement dans le futur.

Aujourd’hui, les hydrocarbures fossiles constituent 80% de l’énergie finale mondiale consommée, 63% en France. L’électricité ne constitue que 20% du mix énergétique final mondial, 28% en France. « Par son expansion vers plus d’usages, l’électricité deviendra majeure, qualitativement et quantitativement. Les scénarios pour 2050 lui prévoient au moins 50% du bouquet énergétique final ».

En premier lieu parce que la plupart des sources d’énergie décarbonées délivre de l’électricité. Les renouvelables avec le solaire photovoltaïque ou concentré (voir notre article Low-tech : 1, 2, 3... Soleil !), l’éolien moderne (éoliennes entrainant des générateurs électriques), l’hydraulique, avec ses barrages ou ses centrales au fil de l’eau. Le nucléaire, décarboné mais non renouvelable, délivre également de l’électricité, très peu de la chaleur produite par les centrales étant une énergie directement valorisable.

« Si la plus grande part de ces électricités décarbonées sera utilisée directement, une part notable devrait être utilisée pour la synthèse de nouveaux vecteurs de stock, tels que l’hydrogène ou du méthane, afin de réaliser le stockage indispensable des énergies issues de sources variables ou intermittentes », précise Stéphan Astier. L'électricité étant un vecteur très pratique pour le transport énergétique, mais difficile à stocker sous sa forme propre, elle est donc généralement transformée pour être stockée sous une autre forme.

Matériaux spéciaux et nouveaux matériaux

La recherche de nouveaux matériaux, mais surtout l’optimisation de ceux que l’on utilise déjà, participent à l’efficacité énergétique. Ces matériaux sont souvent précieux et couteux. La phase de transition énergétique en exigera beaucoup : cuivre, titane, terres rares, semi-conducteurs pour l’électronique, fils de câblage, appelés « bonding », en or, etc.

Aux côtés du silicium, abondant et utilisé depuis longtemps, apparaissent de nouveaux matériaux comme le « carbure de silicium » ou le « nitrure de gallium » qui font progresser les dispositifs électroniques en puissance et en haute tension.

L’objectif est non seulement d’obtenir une réduction de la quantité d’énergie finale totale consommée grâce à plus de sobriété et d’efficacité, mais aussi de réduire les « empreintes matières » des technologies de conversion, de stockage (batteries) ou des « moissonneuses d’énergie » (panneaux solaires, éoliennes). L’efficacité y contribue : certains onduleurs solaires (qui convertissent le courant continu, produit par les panneaux, en courant alternatif, utilisable par nos appareils domestiques) offrent des rendements de 98%. « Tout est donc question de compromis entre rentabilité et efficacité », analyse Stéphan Astier.

« Il s’agit de faire des choix éclairés en prenant en compte l’ensemble des éléments pour élaborer des solutions et opérer des optimisations multicritères sur tout le cycle de vie, de la production à la consommation de l’énergie. Pour cela, de nouvelles approches méthodologiques doivent être développées. Il faut tenir compte des performances des matériaux mais aussi de leur « criticité », incluant les quantités physiquement accessibles, les coûts, les aspects géopolitiques… »

• « l’empreinte matières », à l’instar de l’empreinte carbone, est un indicateur qui permet de rendre compte de l’ensemble des matières premières mobilisées dans un processus.

L’exemple du véhicule électrique

Si l’on prend l’exemple des transports, le besoin de l’usager se traduit simplement : rouler. Aujourd’hui, le besoin en énergie « à la roue » pour faire circuler un parc de 32 millions de véhicules individuels en France correspond à 62,5 TWh, mobilisant l’extraction d’environ 400 TWh primaires de pétrole, soit environ 40 milliards de litres. Les véhicules thermiques actuels ont un rendement moyen « de la pompe à la roue » de 25% : c’est le rapport entre l’énergie mise dans le réservoir et l’énergie « utile pour le déplacement ». « On prélève donc une énergie à la pompe quatre fois supérieure à celle utile pour rouler, soit 250 TWh dans cet exemple, dont 75% sont « gaspillés car non renouvelables », réagit Stephan Astier.

Par comparaison, des véhicules électriques à batterie munis d’électronique de puissance à haut rendement, offrent un rendement moyen « de la prise de recharge électrique à la roue » de 80%. Pour une flotte supposée identique le « besoin » ne serait donc « plus que » de 80 TWh au lieu de 250 TWh.

« Bien sûr, il faut considérer la problématique des points de recharge, si tous les véhicules opèrent la recharge de leurs batteries en même temps », poursuit le chercheur. C’est pourquoi il avance d’autres solutions futuristes mais répondant aux scénarios d’efficacité énergétique, reposant particulièrement, au-delà des aspects technologiques, sur une profonde modification des usages, comme la mise en circulation et l’utilisation plus massive de transports en commun électriques...

Une autre voie candidate, complémentaire et prometteuse, est celle de l’énergie stockée sous la forme d’hydrogène obtenu par électrolyse, mieux adaptée aux poids lourds ou au ferroviaire, voire à l’aéronautique. Son rendement global, fonction des chaînes de valeur, est cependant moindre. « Mais il faut mettre en regard que la construction des batteries mobilise des matériaux. Il faut apprécier toute la complexité de la chaine d’approvisionnement, de consommation, d’usure et de recyclage, pour décider. »

Les recherches sont foisonnantes, plusieurs voies sont identifiées, « mais on est encore loin d’être vraiment en capacité de refonder un nouveau système énergétique sur ces sources décarbonées », conclut-il.

Le génie électrique, kesako ?

Production, distribution, utilisation : le génie électrique est un vaste domaine. Avant l’apparition de la terminologie « génie électrique », traduction littérale de l’anglais « electrical engineering », on parlait en France d’électrotechnique, un domaine couvrant les machines et les réseaux électriques. Puis le domaine s’est élargi avec l’arrivée de l’électronique, de l’optronique, et de l’informatique qui met à profit ces technologies pour le traitement de l’information par petits signaux, et enfin de l’électronique de puissance, trait d’union entre l’électronique de faible puissance et l’électrotechnique pour des usages électriques enrichis (vitesse variable par exemple) dans l’industrie et les foyers. On associe aussi au génie électrique les sciences de l’automatisme et du contrôle des systèmes de puissances. Il inclut également les dispositifs d’énergies renouvelables qui pour beaucoup délivrent de l’énergie électrique, comme les générateurs solaires, les éoliennes ou l’hydroélectricité issue d’un barrage. Plus récemment encore, avec le besoin de stockage à plus grande échelle de cette énergie électrique renouvelable, on y ajoute des éléments d’électrochimie.

Enercoop, le modèle alternatif pour fournir l’électricité

Auteur d’une thèse intitulée L’initiative de nouvelle économie sociale d’Enercoop dans le secteur électrique : Utopies et Réalités de coopératives militantes pour les énergies renouvelables, soutenue en novembre 2022, le sociologue Rémi Maître revient sur le rôle que les coopératives énergétiques occupent dans la volonté de soutenir les énergies renouvelables. Un chemin vers la sobriété ?

Né en 2004, à la faveur de la libéralisation du secteur électrique français, le fournisseur Enercoop affiche sa volonté :  fournir de l’électricité renouvelable en circuit court et sortir des énergies non renouvelables. « Enercoop est un anti-modèle », pose en préambule le sociologue. 

« Dénonçant un manque de transparence des décisions et du fonctionnement de l’opérateur EDF, ses fondateurs et fondatrices ont lancé une initiative de contestation sociale pour déployer un projet de démocratie énergétique dans le cadre d’un système économique basé sur la solidarité ». Enercoop apparait comme une structure où la gouvernance nait d’une inventivité sociale, citoyenne et militante. Le réseau appartient à ses consommateurs, producteurs, salariés, partenaires et collectivités. Ce sont aujourd’hui 50 000 sociétaires, selon le site de l’opérateur - réunis en une dizaine de coopératives locales qui s’approprient les questions énergétiques en faisant le choix d’énergies 100% renouvelables et de source locale.

Un modèle politique qui s’oppose à la centralisation qu’impose l’usage des énergies fossiles et fissiles (nucléaires), doublé d’un objectif de sobriété. Et selon les dernières études diffusées par l’opérateur, les clients Enercoop consommeraient aujourd’hui 20% moins d’énergie que la moyenne des Français.

Recours exceptionnel au nucléaire

Face à la flambée des prix de l’énergie, Enercoop s’est résolu en juin 2022 à recourir à une énergie nucléaire produite par EDF et vendue à prix coutant aux fournisseurs alternatifs français, via l’Arenh (Accès régulé à l’électricité nucléaire historique), non sans protestation de ses sociétaires historiques, opposés au nucléaire. « Enercoop est un acteur pionner dans le soutien aux énergies renouvelables et reste de petite taille par rapport aux grands opérateurs d’énergie ; ses marges de manœuvre dans un secteur hautement capitalistique sont étroites », analyse Rémi Maître. Une brèche dans son modèle face au risque de fluctuations élevé de la production d’électricité, qui pourrait être source d’évolution, passant de coopérative de consommation à coopérative de production. La thématique de la thèse du sociologue pourrait prendre un nouveau titre : utopie ou réalité ?

Stéphan Astier est enseignant-chercheur, professeur émérite, en génie électrique à Toulouse INP (Institut national polytechnique), au sein du Laboratoire plasma et conversion d'énergie - Laplace (CNRS, Université Toulouse III - Paul Sabatier, Toulouse INP). Il est co-rédacteur de l'introduction du livre blanc Énergie et systèmes électriques, Systèmes d’énergie électrique dans leurs dimensions sociétales - SEEDS, septembre 2023.

Rémi Maître est docteur en socio-anthropologie et économie de l'énergie de l'Université Toulouse - Jean Jaurès, au sein du Centre d’étude et de recherche travail organisation pouvoir - Certop (CNRS, Université Toulouse - Jean Jaurès, Université Toulouse III – Paul Sabatier). Sa thèse s'intitule L’initiative de Nouvelle Économie Sociale d’Enercoop dans le secteur électrique : Utopies et réalités de coopératives militantes pour les énergies renouvelables.

Aller plus loin :

• Énergie et systèmes électriques, Systèmes d’énergie électrique dans leurs dimensions sociétales - SEEDS, septembre 2023

Les dossiers Exploreur explore un sujet en croisant le regard de plusieurs disciplines scientifiques. Journaliste : Valérie Ravinet. Visuel : Delphie Guillaumé. Coordination et suivi éditorial : Clara Mauler, Séverine Ciancia, Valentin Euvrard, Élodie Herrero, Simon Leveque.