Biomasse, lumière, CO2 et effet de serre

Les végétaux croissent en absorbant de l’eau dans le sol et du dioxyde de carbone (CO2) dans l’air. L’eau et le CO2 réagissent ensemble pour former une molécule plus complexe, grâce à la lumière, en rejetant du dioxygène (O2)1.

Pour avoir un ordre de grandeur des quantités : en Europe, chaque m2 de sol reçoit en moyenne 3,5 kWh de lumière par jour, ce qui devrait permettre 250 kg de biomasse par an. Mais le rendement n’est pas de 100 %. L’efficacité du processus est faible : seulement entre 0,5 et 2% de la lumière disponible est transformée. La production est donc située entre 1 et 5 kg par m2, et par an, en moyenne ( entre 10 tonnes et 50 tonnes à l’hectare).

Une fois coupé et séché, le bois peut restituer l’énergie stockée sous forme chimique, en brûlant. Il peut aussi être converti en combustibles, liquides ou gazeux, plus commodes à utiliser. Cette combustion dégage du CO2 qui ne contribue pas à l’augmentation de l’effet de serre si l’on replante la même quantité de végétaux que celle qui est consommée. La production  de carburants issus de la biomasse devrait donc pouvoir remplacer les carburants fossiles, sans avoir leur impact sur l’effet de serre.

 

  1. Il faut environ 0,14 kWh de lumière pour fabriquer  30 g d’hydrate de carbone C6H12O6 []

Impacts de notre consommation

La consommation actuelle, en France, en Europe, dans les pays développés, n’est pas durable car elle comporte trop de risques : pollution de l’environnement, réchauffement  climatique, et épuisement  les sources d’énergie actuelles.

 

Poster 2

risques Les risques des activités liées à l’énergie

Ils sont de différentes natures et de diverses gravités.

La pollution est une modification défavorable du milieu naturel. Autrefois, les pollutions venaient de phénomènes naturels, comme les éruptions volcaniques, émettant du dioxyde de soufre. Ce gaz, dangereux pour les espèces vivantes qui le respirent, produit de l’acide sulfurique lorsqu’il réagit avec l’eau. En sa présence les pluies deviennent acides et détruisent les forêts. Aujourd’hui, à ces phénomènes naturels s’ajoutent les activités humaines, sources de dégradations de l’environnement au moins aussi importantes. Les pollutions graves sont légions, comme la pollution au mercure ou au PCB 1 des eaux de rivière et de mer, pour des générations2. Une attitude différente, plus respectueuse de notre environnement est devenue indispensable.

Le poster illustre  quelques causes de pollution graves dues aux activités humaines : le rejets de gaz de combustion (carburants) qui polluent l’air3,  l’extraction du charbon mine_charbon, les accidents nucléairescentrale_nucleaire, le transport du pétrole petrolier4

La réduction des risques dus aux activités humaines passe par l’amélioration des techniques, la règlementation et le contrôle, et aussi par le changement des comportements individuels. Par exemple, il s’agit d’améliorer la sécurité des installations à risque élevé, ou de les fermer, d’interdire ou limiter les produits toxiques, d’encourager leur recyclage des déchets.

Nous devons aussi faire face à deux autres risques, de nature et d’impact différents. Ils font aussi l’objet du poster :

  • L’épuisement des combustibles fossiles : les stocks d’énergie fossiles diminuent et ne pourront satisfaire la demande croissante d’énergie au delà de quelques dizaines d’années. Chaque jour, on brûle 13 milliards de litres de pétrole qui avaient mis des millions d’années à se former.
  • Le risque climatique : l’utilisation des énergies fossiles est à l’origine des trois quarts des gaz à effets de serre responsables du réchauffement climatique. Il est urgent de réduire ces émissions en consommant mieux et moins, et en développant les énergies alternatives.

Urgence climatique et réserves qui diminuent : les hydrocarbures doivent laisser la place à de nouvelles énergies. Mais ils ne peuvent pas être remplacés du jour au lendemain.  Les besoins en énergie augmentent, les énergies renouvelables ne sont pas prêtes à remplacer immédiatement et à 100 % les énergies fossiles, parce que tout notre système économique est organisé autour du pétrole. Il faut une transition énergétique qui durera des dizaines d’années. Dans cette période il faudra que les énergies fossiles soient mieux utilisées, et que les énergies renouvelables et tout ce que leur utilisation implique soient développées à grande échelle.

 

co2 Changement climatique et effet de serre

Un changement climatique est en cours. Il est dû aux gaz à effet de serre que nous ajoutons à l’atmosphère. Il menace les écosystèmes naturels dont nous dépendons.

La température moyenne de l’Univers est de –270°C. Sans source d’énergie, notre planète, si elle existait, serait à cette température. Heureusement l’intérieur de la Terre est chaud, en grande partie à cause de la radioactivité naturelle. Ce flux de chaleur géothermique se diffuse lentement vers l’extérieur. Avec cette seule source d’énergie, la température de notre planète serait de –243 °C et l’air serait liquide. Mais là encore, heureusement, le Soleil, notre étoile,  fournit l’essentiel de notre énergie. Son flux, 4 000 fois supérieur à celui qui nous vient de l’intérieur de la Terre, porterait, sans effet de serre, la température moyenne de notre planète à –18 °C. L’effet de serre naturel nous fait gagner encore 33°C ce qui donne une température moyenne de 15°C.

Si l’effet de serre naturel n’existait pas, nous ne pourrions en parler car nous n’existerions pas. Grâce à lui, la température moyenne sur notre planète est de +15°C au lieu de –18°C. A –18°C, l’eau serait sous forme de glace et la vie, s’il y en avait une, prendrait d’autres formes que celles que nous connaissons.

co2ville L’Homme accroît l’effet de serre

L’effet de serre climatique est dû à la vapeur d’eau, au dioxyde de carbone (CO2),  au méthane (CH4) et certains autres gaz que nous rejetons dans l’atmosphère.

co2villeLa concentration des gaz à effet de serre a déjà varié au cours du million d’années qui vient de s’écouler, de même que le climat sur Terre. La concertation de ces gaz  a varié entre  180 et 290 ppmv5. Aujourd’hui, la concentration en gaz à effet de serre est de 370 ppmv,  elle est sortie de sa zone de variation naturelle. C’est que depuis le début de l’ère industrielle, l’homme a rejeté dans l’atmosphère du dioxyde de carbone (émis notamment lors de la combustion des hydrocarbures ou du charbon), du méthane (issu des rizières, des ruminants ou des décharges à ciel ouvert) et du protoxyde d’azote (qui provient des engrais azotés utilisés en agriculture et dans certaines industries), qui n’ont pu être entièrement absorbés par la nature. Ceci ne peut pas être sans conséquences sur la température moyenne de la Terre,  sur les climats des différentes régions de la Terre, sur le niveau des mers, sur les événements atmosphériques extrêmes, sur les écosystèmes en général.

Courbe 2 Scénarios de changement climatique au 21ème siècle

Le futur dépend de nos émissions de gaz à effet de serre
evolution-climat-vs-co2_0

La figure comporte une courbe, noire, qui se divise en deux courbes jaunes et rose, à la date d’aujourd’hui. Elles indiquent l’évolution de la température moyenne de la Terre dans les années à venir, selon deux scénarios d’émission de gaz à effet de serre.

Si  un effort spécial est fait pour réduire les émissions de CO2, la température pourra n’augmenter que de  2°C à la fin du siècle. Si aucun effort n’est fait  et que toutes les réserves de fossiles sont transformée en CO2, la température moyenne pourrait même monter de 4 °C environ au vu des réserves possibles de charbon et autres combustibles non conventionnels et polluants qui pourraient être utilisés (voir la partie du poster sur les stocks)

On a pu calculer que l’évolution à venir du climat jusqu’en 2030 est déjà fixé : il est dû aux gaz à effet de serre qui ont déjà été rejetés dans l’air : il faut 100 ans pour que 50 % du carbone rejeté dans l‘air soit absorbé par les océans.  Ce qui n’est pas absorbé ainsi reste encore plus longtemps dans l’air.  Même si  l’humanité s’arrêtait aujourd’hui d’émettre totalement du CO2, cela n’empêcherait pas la température d’augmenter encore pendant des années. C’est ensuite,  à partir de 2030 que l’évolution du climat dépendra de nos rejets de gaz à effet de serre à venir. Pour  limiter la hausse de température à 2 °C au cours  21éme siècle, les émissions mondiales de CO2 devraient descendre à 13 milliards de tonnes de CO2 par an en 2050, contre 30 aujourd’hui. Pour la France, cela signifie diviser par 4 ses émissions de gaz à effet de serre d’ici 2050.

ours Les conséquences du changement climatique

Les conséquences du changement climatique en 2050 ou 2100 sont difficiles à prévoir avec exactitude. C’est un vaste sujet de recherche.

Depuis un siècle, la température moyenne de la Terre a augmenté de 0,8  °C, mais vers le Pôle Nord, la température a augmenté de 10 °C ! L’Europe et l’Afrique ne sont pas encore aussi touchées par la hausse des températures, mais commencent à subir des changements de leur climat (canicules, fortes pluies, évènements extrêmes).

Les conséquences du changement climatique  sont et seront multiples :
  • réchauffement de l’air et des eaux de mer,
  • augmentation de l’intensité et de la fréquence des vagues de chaleur,
  • modifications des débits et températures des rivières
  • recul de la banquise, et des glaciers,
  • augmentation du niveau des mers de 20 cm à 1 m en 2100.
  • Impacts sur les risques liés aux événements extrêmes,
  • Impacts variés sur la production agricole
  • déplacement d’espèces et d’écosystèmes.

Avec 2 °C de plus, en moyenne globale, une grande partie de la France aura peut être le climat qui règne aujourd’hui dans le sud de l’Espagne, avec des problèmes de canicule, de manque d’eau dans les rivières et au robinet, de production agricole.  Et avec 4 °C ? Tous ces changement demanderont des adaptations qui ont un coût important aussi bien pour les hommes que pour l’économie et l’environnement.

Courbe 1 Scénarios d’épuisement des stocks de combustibles fossiles

Les réserves d’énergie fossile constituent un stock limité.

Il existe plusieurs estimations des stocks d’énergie et plusieurs scénarios d’épuisement de ceux-ci. Parmi tous les scénarios de production d’énergie, celui de l’Association for Study of Peak Oil, (Aspo)6 est l’un des plus débattu. Le résultat principal de ce scénario est tracé en pointillé noir sur le graphe ci-dessous.

scenario_energie_0
  • en noir : production d’énergies fossiles par habitant et par an7.
  • en rouge : consommation  d’énergie totale (fossiles + renouvelables).
  • En pointillés : évolution future passant par un pic, vers ou avant 2020. L’incertitude sur cette courbe correspond à un décalage de celle-ci d’au moins 5 ans.
  • en vert : besoin en énergies renouvelables pour satisfaire la consommation totale.

On observe que la courbe noire, qui représente  la production rapportée à la population mondiale, plafonne vers ou avant 2020, puis décroit : la cause est que la production n’est plus capable de satisfaire la demande. 8

La zone verte indique le besoin en énergies renouvelables pour assurer une consommation mondiale (courbe rouge) de 18 Gtep en 2100 pour 10 milliards d’habitants (contre 12 Gtep aujourd’hui d’énergie primaire).

scenario-aie_0D’autres scénarios comme celui de l’Agence Internationale de l’Énergie (ci-dessus) considèrent que les combustibles liquides ne manqueront pas avant 2035 et même au-delà. Pourtant selon elle, l’extraction de pétrole conventionnel ne peut que diminuer. C’est qu’elle compte sur les réserves non conventionnelles. Celles-ci sont plus chères et leur extraction est plus polluante. Enfin, pour un prix encore plus élevé, il est aussi possible de produire de l’essence à partir de charbon, comme l’a fait l’Allemagne pendant la seconde guerre mondiale, ou l’Afrique du Sud. Les combustibles liquides ne sont donc pas prêts de manquer, mais à des prix bien plus élevés que le pétrole conventionnel.

Pour les émissions de CO2, une réduction d’un facteur 2 en 2050 au niveau mondial implique une réduction volontaire de la production plus rapide que celle qui est prédite (courbe noire pointillée) dans le scénario de l’ASPO.  Pour y arriver,  gaz et pétrole s’épuisant, il faudra laisser dans le sol charbon et bitumes lourds non conventionnels et polluants, grâce à des réductions de consommation et l’intervention des énergies durables.

 

besoin_energie_renouv Les conséquences de l’épuisement des réserves : la transition énergétique

Les besoins en énergie augmentent, les stocks d’énergies fossiles diminuent, et les énergies renouvelables ne sont pas prêtes pour les remplacer.  Nous entrons dans une période de transition, avec des énergies renouvelables qui doivent prendre progressivement le relais des énergies fossiles. Toute notre économie reposant sur les énergies fossiles, c’est dès  à présent qu’il faut développer des systèmes énergétiques propres et anticiper la pénurie. Si on l’attend sans la préparer, elles aura des effet brutaux  dans les régions les plus pauvres et dans les régions du monde qui sont dépendantes des importations, comme l’Europe9.

Cette période de transition vient de commencer, et devrait durer plusieurs décennies. L’enjeu est double : satisfaire le développement économique, et limiter les impacts environnementaux.

puce Compléments

puce Références

  1. Les polychlorobiphényles (PCB) sont des liquides plus ou moins visqueux insolubles dans l’eau qui peuvent pour certains perdurer des milliers d’années. Les PCB sont toxiques, y compris à faible dose en tant que perturbateurs endocriniens. En France, fabriquer et/ou utiliser des PCB est interdit depuis 1987. (Informations de Wikipédia) []
  2. Poissons contaminés aux PCB – – Empoisonnement alimentaire – Cancer – part 2/8 https://www.youtube.com/watch?v=9eur0IsXjI8 []
  3. voir par exemple

    []

  4. On trouve sur Internet différentes évaluations des risques, par exemple celle du groupe Climat d’une grande banque (en anglais) http://www.longfinance.net/programmes/london-accord.html?id=448, dans ce rapport

    http://www.longfinance.net/images/reports/pdf/dbcca_energymarkets_2011.pdf []

  5. ppmv : parties par millions en volume. Soit entre 0,180 et 0,290 millilitres de gaz à effet de serre par litre d’air []
  6. créée par Jean Laherrère, géologue et ancien directeur de la production chez Total. Les courbes indiquées sont extraites de son cours à l’école des mines à Sophia Antipolis en 2012. http://aspofrance.viabloga.com/texts/documents []
  7. Pour les calculs, le nombre d’habitants est fourni par les projections de l’UNESCO, qui prévoit une augmentation de la population de 7 milliards aujourd’hui, à 10 milliards de terriens en 2100. []
  8. Cette courbe indique la même décroissance que le PDG de Total, Christophe de Margerie, exprime fin 2012 dans le journal Le Monde : « Le niveau de production de pétrole devrait donc commencer à plafonner vers 2020-2025 » « Sachant que les énergies fossiles représentent aujourd’hui 81 % de la consommation mondiale d’énergie, cette part devrait passer à 74 % en 2035 », ce qui est compatible avec le graphe ci dessus qui est rapportée au nombre d’habitants : comme le nombre d’habitant augmente, la production par habitant plafonne avant 2020 []
  9. L’Europe achète plus de 600 milliards d’euros par an l’énergie qu’elle importe sous forme de carburants fossiles []