Les énergies fossiles ont des impacts environnementaux majeurs sur le changement climatique, la biodiversité, la santé humaine et conduisent fatalement à l’épuisement d’une ressource non renouvelable. Les énergies renouvelables génèrent également des impacts environnementaux de manière indirecte puisque la production de système EnR repose encore très largement sur l’utilisation d’énergie fossile mais aussi de manière directe dans certains cas. L’ACV est une méthode d’analyse systémique et multicritère qui permet d’évaluer ces impacts depuis l’extraction des matières premières jusqu’à la fin de vie.
Cette méthode d’ACV peut s’appliquer aux divers systèmes de production et de stockage d’énergie. Cependant, ces systèmes peuvent présenter une très importante variabilité quant à leur performance environnementale. Cette dernière s’explique par la variabilité technologique, spatiale et temporelle des systèmes passés, existants et futurs. En effet, le développement des filières industrielles de production d’énergie renouvelable et de stockage d’énergie conduit à des évolutions de caractéristiques de ces technologies et à des améliorations de leur performance mais aussi des procédés nécessaires à leur production industrielle. Cet aspect est à prendre en considération dans l’évaluation prospective de la performance environnementale de ces technologies.
Pour cela, une approche permettant d’élaborer des modèles paramétrés d’ICV a été mise au point. Cette méthode repose sur l’analyse et la paramétrisation d’ICV existants. Les paramètres du modèle d’ICV sont alors identifiés en analysant la variabilité des systèmes énergétiques, en remontant l’arborescence des ICV existants, en approfondissant l’analyse sur les procédés ayant une contribution relative importante aux impacts considérés et en croisant ces données à l’analyse de la littérature scientifique, de rapport de prospective, de données
CHAPITRE 2. MÉTHODE D’ÉVALUATION D’IMPACTS PAR ACV d’industriels et de diverses bases de données. Ces modèles peuvent ensuite être appliqués à une flotte complète de système de production d’énergie et alors permettre d’évaluer de manière bien plus riche et robuste la performance environnementale de la filière. Des analyses de sensibilités peuvent ensuite permettre d’identifier parmi les nombreux les plus influents suivant les catégories d’impacts retenus. Une représentation sous la forme d’une matrice de sensibilité colorée permet alors de synthétiser l’information.
Les ACV de stockage d’énergie publiée dans la littérature mettent en évidence l’importance du scénario d’usage de ces systèmes ainsi que l’importance du mix énergétique utilisé pour leur recharge. Ainsi, il apparait nécessaire d’évaluer la performance environnementale du stockage d’énergie en l’intégrant à un scénario de production et de consommation d’énergie. De telles ACV de scénarios énergétiques et permettent d’envisager la transition vers un modèle énergétique à plus faibles impacts environnementaux. Aujourd’hui, une partie de ces scénarios repose sur le déploiement massif d’énergies renouvelables dont la production est météo-dépendante, mais néglige les besoins de stockage qui peuvent être nécessaires pour assurer l’adéquation temporelle production-consommation. Une autre partie de ces scénarios considère bien ce stockage, mais le dimensionne soit de manière arbitraire ou non explicite, soit à partir de modèles d’optimisation technico-économique très sensibles aux hypothèses de coûts renseignés. Ce dimensionnement figé ne permet alors pas d’explorer des variantes de scénarios nécessaires au vu des incertitudes portant sur l’évolution de la consommation et à l’évolution des coûts des systèmes énergétiques. Par ailleurs, cet ”optimum technico-économique”, dans l’éventualité où les coûts futurs des systèmes auraient été correctement estimés, n’est pas nécessairement l’optimum technico-environnemental. Dans la perspective de limiter les impacts environnementaux, il devient nécessaire de combiner l’exercice de l’ACV à celui de la modélisation de scénarios énergétiques.
Dans cette optique, une approche permettant d’estimer les besoins de stockage induits par la météo-dépendance de la production, mais aussi de la consommation a été développée. Elle repose sur le couplage de modèles paramétrés de séries temporelles de production et de consommation. Ces séries temporelles sont notamment établies à partir de données climatiques : irradiation, vitesse de vent, température et pluviométrie. L’analyse statistique de la comparaison des séries temporelles de production et de consommation permet ensuite de déterminer les besoins de stockage et son utilisation. La dimension statistique de l’approche permet, au travers de paramètres dédiés, de dimensionner le stockage de manière à pouvoir stocker l’intégralité de la surproduction d’énergie lorsque ces besoins sont récurrents et, au contraire, d’écrêter une faible part de la production d’EnR lorsque l’ampleur de la surproduction n’est qu’occasionnelle.
Ainsi, la méthode globale dynamique et paramétrique développée permet d’évaluer, par ACV, les impacts environnementaux de scénarios énergétiques prospectifs. Cette méthode repose d’une part sur le développement de modèles paramétrés d’ICV permettant une évaluation prospective des impacts environnementaux par ACV des systèmes de production et de stockage d’énergie ce qui permet de tenir compte des aspects relatifs à la variabilité technologique, spatiale et temporelle de ces technologies. Les modèles paramétrés d’ICV sont respectivement détaillés dans les chapitres 3 et 4. D’autre part, cette méthode repose sur le développement et le couplage de modèles paramétrés de séries temporelles de production et de consommation afin d’estimer les besoins de stockage induits par l’intégration massive d’énergie dont la production est météo-dépendante. Ces modèles et les résultats qui en sont issus sont présentés dans les chapitres5 et6.
Chapitre 3
ACV de la production d’énergie
Sommaire3.1 Introduction du chapitre. . . 30
3.1.1 Contexte énergétique. . . 30
3.1.2 L’ACV de la production d’énergie . . . 31 3.2 La production d’énergie éolienne . . . 31
3.2.1 Présentation sommaire d’un système éolien . . . 31
3.2.2 État de l’art de l’empreinte carbone de l’énergie éolienne. . . 32
3.2.3 Modèle paramétré d’ICV de l’énergie éolienne . . . 33
3.2.4 Application du modèle paramétré d’ICV . . . 37
3.2.5 Analyse de sensibilité . . . 43 3.3 La production d’énergie PV. . . 46
3.3.1 Présentation sommaire d’un système PV. . . 46
3.3.2 État de l’art de l’empreinte carbone de l’énergie PV . . . 46
3.3.3 Modèle paramétré d’ICV de l’énergie PV . . . 49
3.3.4 Application du modèle paramétré d’ICV . . . 50
3.3.5 Analyse de sensibilité . . . 52 3.4 La production d’énergie hydroélectrique . . . 55
3.4.1 Présentation sommaire d’un système hydroélectrique . . . 55
3.4.2 État de l’art de l’empreinte carbone de l’énergie hydroélectrique . . 55
3.4.3 Modèle paramétré d’ICV de l’énergie hydroélectrique. . . 57
3.4.4 Application du modèle paramétré d’ICV . . . 58
3.4.5 Analyse de sensibilité multicritère . . . 61 3.5 La production d’énergie issue de centrales thermiques . . . 64
3.5.1 Présentation sommaire des centrales thermiques . . . 64
3.5.2 État de l’art de l’empreinte carbone de l’énergie issue de centrales thermiques . . . 65
3.5.3 Modèle paramétré d’ICV de l’énergie issue de centrales thermiques . 66
3.5.4 Application des modèles paramétrés d’ICV et analyse de sensibilité multicritère . . . 68 3.6 Comparaison multicritère des impacts environnementaux de la
production d’énergie . . . 72 3.7 Conclusion du chapitre . . . 75
CHAPITRE 3. ACV DE LA PRODUCTION D’ÉNERGIE
3.1 Introduction du chapitre
3.1.1 Contexte énergétique
Comptabilisé en énergie primaire, le mix énergétique mondial en 2015 reposait à près de 32 %sur le pétrole, 28 % sur le charbon et 21 % sur le gaz [15] soit un total de 81 % pour ces énergies fossiles. À la différence du charbon qui est principalement utilisé pour la production d’électricité, le pétrole est peu utilisé pour la génération d’électricité, mais il est le carburant sur lequel repose presque l’intégralité du système de transport [15; 37]. Le gaz, quant à lui, est utilisé aussi bien pour la production d’électricité que pour les besoins de chaleur et dans une plus faible mesure pour du transport [15].
Un premier constat est alors que le mix énergétique mondial ne se résume pas au mix électrique puisqu’une part importante, notamment de pétrole et de gaz est utilisée comme carburant pour les transports ou pour des besoins de chaleurs. Cependant, la tendance actuelle mondiale est à une électrification d’une part de ces usages au travers du développement de solutions de mobilité électrique sur route ou sur rails, mais aussi au travers du développement de pompe à chaleur [95]. Dans la mesure où il est attendu que cette électricité joue un rôle croissant dans le système énergétique mondial, cela justifie d’en évaluer fidèlement les impacts environnementaux. Cela explique pourquoi un nombre important d’études se concentrent sur le système électrique [12;14;35;65;107].
Par ailleurs, lorsqu’un usage est électrifié, cela peut conduire à une baisse significative de la consommation comptabilisée en énergie primaire. En effet, par convention, l’énergie primaire de combustibles fossiles est l’énergie thermique libérée par leur combustion alors que pour les énergies renouvelables solaire, éolienne et hydroélectrique, l’énergie primaire est l’énergie électrique générée [15]. Ainsi, un bus thermique qui consomme l’équivalent de 40 litres d’essence aux 100 kilomètres ne valorise, du fait du rendement du moteur que 20 − 25 % de l’énergie libérée par la combustion pour mettre en action le véhicule. En alimentant ce véhicule avec de l’électricité solaire, éolienne ou hydroélectrique, la consommation d’énergie primaire serait divisée par quatre ou cinq (et même davantage en récupérant l’énergie lors du freinage). De même, la chaleur produite par une pompe à chaleur alimentée par de l’énergie éolienne correspond à une consommation d’énergie primaire trois fois moindre qu’avec un chauffage au fioul. Ainsi, la comptabilisation en énergie primaire, par des conventions arbitraires, tend à réduire le poids de l’énergie électrique produite par des énergies renouvelables. Malgré tout, il reste vrai que le mix énergétique ne se limite pas au mix électrique.
Lorsqu’on ne s’intéresse qu’à la seule production d’électricité, on obtient, pour l’année 2017 la distribution suivante : 38 % de l’électricité provient du charbon, 23 % du gaz, 3 % du pétrole, 10 % du nucléaire, et 26 % des énergies renouvelables, dont 60 % provenant de l’hydroélectricité. Si la part des EnR reste modeste, ces EnR sont en plein développement. Ces systèmes représentaient plus de 60 % des nouvelles capacités de production installées en 2016 et plus de 70 % en 2017 [15]. Le photovoltaïque contribue pour plus de la moitié à ces nouvelles capacités renouvelables, l’éolien pour plus d’un quart et l’hydroélectrique pour un dixième [75].
CHAPITRE 3. ACV DE LA PRODUCTION D’ÉNERGIE
3.1.2 L’ACV de la production d’énergie
Pour chacune des filières, les performances environnementales publiées dans la littérature sont étudiées. Ces méta-analyses montrent une variabilité significative de la performance environnementale de la production d’énergie. Cette variabilité provient de la variabilité technologique, spatiale et temporelle des systèmes de production d’énergie existants. Cette variabilité de la performance environnementale pouvant être suffisamment importante pour être limitante dans un processus d’aide à la décision, il devient nécessaire d’en comprendre les origines.
Ainsi, pour chacune de ces filières, des modèles paramétrés sont développés. Ils permettent d’identifier les paramètres à l’origine de la variabilité observée dans la littérature, mais aussi de pouvoir évaluer spécifiquement la performance environnementale d’un projet de production d’énergie donné. Pour chacune des filières, des analyses de sensibilités sont effectuées afin d’identifier les paramètres les plus déterminants quant à la performance environnementale suivant les catégories d’impacts considérées. L’identification des paramètres influents peut, par la suite, servir à orienter les efforts de recherche et développement sur les aspects pouvant améliorer sensiblement la performance environnementale de la production d’énergie.
Les impacts environnementaux sur le cycle de vie des systèmes de production d’énergie éolienne, photovoltaïque et hydroélectrique sont respectivement présentés dans les sections
3.2, 3.3et 3.4. Les impacts environnementaux des centrales thermiques sont étudiés dans la section3.5. Enfin, les performances environnementales des différentes sources d’énergie sont comparées dans la section3.6.