Thesis
Reference
Valorisation intensive des énergies renouvelables dans l'agglomération franco-valdo-genevoise (VIRAGE) dans une
perspective de société à 2'000W
FAESSLER, Jérôme
Abstract
Ce travail a évalué, dans le cadre du concept de société à 2000W, les quantités d'énergies réellement mobilisables des filières à ressource renouvelable locale ou régionale de l'agglomération franco-valdo-genevoise, en tenant compte de facteurs techniques, environnementaux et sociaux. Les gisements renouvelables accessibles des filières à ressources locales ou régionales sont présents en quantités significatives, essentiellement pour des prestations thermiques (chaud et froid) et plus modestement pour de l'électricité. Le gisement est quasi nul pour les carburants. Les dynamiques des différentes ressources et leurs disponibilités réelles au niveau du territoire sont décrites de manière détaillée. Selon le bassin de vie considéré, la somme des gisements accessibles représente entre 2'400 et 2'800 W/hab. En comparant les consommations actuelles du canton de Genève et les gisements des ressources renouvelables locales, cette étude arrive à la conclusion qu'une future société à 2000W - avec trois quarts d'énergies renouvelables - est possible à long terme, sous réserve d'une utilisation [...]
FAESSLER, Jérôme. Valorisation intensive des énergies renouvelables dans
l'agglomération franco-valdo-genevoise (VIRAGE) dans une perspective de société à 2'000W. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2011, no. Sc. 4336
URN : urn:nbn:ch:unige-172728
DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:17272
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:17272
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Institut des Sciences de l’Environnement Prof. Bernard Lachal Institut Forel
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Valorisation intensive des énergies renouvelables dans l’agglomération franco-valdo-genevoise (VIRAGE) dans une
perspective de société à 2'000W
THÈSE
Présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève
Pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention Sciences de l’environnement
par
Jérôme Faessler
de Genève (Suisse)
Thèse N° 4336
GENÈVE Repromail
2011
Terre & Environnement, vol. 103, xxii + 274 pp. (2011)
ISBN 978-2-940472-03-1
À Laure et Margaux
Remerciements
Je tiens à remercier ici les différentes personnes ayant collaboré à la construction de mes réflexions et m’ayant permis de réaliser ce travail personnel. Plus particulièrement, je rends hommage à tous les chercheurs, étudiants et collaborateurs ayant contribué de près ou de loin au centre universitaire d’étude des problèmes de l’énergie (CUEPE) durant sa vie trentenaire (1977-2007). L’accumulation des connaissances et du savoir sur les systèmes énergétiques est impressionnante et permet aujourd’hui d’être de plus en plus en phase avec les questionnements de la société sur l’avenir énergétique mondial et local. Même si le passé ne se répète jamais, nous espérons vraiment que la thématique interdisciplinaire qu’est l’énergie, dans un monde de plus en plus complexe, va (re)prendre plus d’ampleur à l’intérieur des murs de l’Université de Genève, afin d’essayer, modestement, de répondre davantage aux attentes de la société.
De manière plus pragmatique, je remercie pour leurs apports éclairés lors de nos nombreuses discussions les chercheurs faisant partie du groupe énergie/Forel en avril 2011 :
• Jean-Luc Bertholet, Daniel Cabrera, Anthony Harouthunian, Pierre Hollmuller, Pierre Ineichen, Jad Khoury, Bernard Lachal, Catherine Lavallez, Thibault Lejeune, André Mermoud, Floriane Mermoud, Theodora Seal, Pierre-Alain Viquerat, ainsi qu’Eric Pampaloni pour sa grande disponibilité ;
Bien entendu, une mention spéciale est décernée à mon directeur de thèse Bernard Lachal, qui, grâce à son enthousiasme et ses compétences, m’a permis de faire aboutir sans complications 3 ans et demi de travaux complexes.
Je remercie également les membres du jury de ma thèse d’avoir consacré une partie de leur précieux temps à la lecture critique de ce travail personnel :
• Dr Olivier Epelly, directeur du service de l’énergie, office de l’environnement, Etat de Genève ;
• Prof Suren Erkman, faculté des géosciences et de l’environnement, Université de Lausanne ;
• Dr Patrick Faucher, délégation au développement durable, ville de Bordeaux ;
• Prof. Walter Wildi, directeur de l’institut Forel, faculté des sciences, Université de Genève ;
Le travail évolutif réalisé ici n’aurait pu se faire sans la collaboration « intensive » des membres de l’Etat de Genève qui ont participé de près (et financé !) les différentes études VIRAGE : M. Rémy Beck, Mme Catherine Bertone, M. Daniel Chambaz, M. Xavier De Rivaz, M. Sylvain Ferretti, M.
Patrik Fouvy, Mme Sophie Meisser, M. Michel Meyer, M. François Pasquini, M. Denis Pattay, M.
Philippe Steinmann et M. Jean-Pierre Viani.
Je tiens à remercier également M. Olivier Ouzilou, l’un des instigateurs du projet VIRAGE à l’Etat de Genève, M. Philippe Matthey et Mme Christine Hislaire, pour leur soutien de la démarche du projet VIRAGE ainsi que l’ensemble des membres du service de l’énergie de l’Etat de Genève, qui, à travers leurs questionnements et leurs besoins, m’ont toujours motivé à analyser de manière soutenue mes propres réflexions.
J’aimerais encore saluer la contribution essentielle aux contenus des rapports VIRAGE des personnes suivantes :
• Mme Annick Aeberhard, ancienne étudiante du MUSE, auteure du master
« biométhanisation dans la région franco-valdo-genevoise : potentiel des ressources, bilans matière-énergie de deux installations typiques », dont les recherches fouillées m’ont permis de bien expliciter les enjeux des filières des déchets organiques ;
• Mme Hélène Beauchamp, ancienne étudiante du MESSNE, auteure du master « heated effluents and the Rhône river in Geneva : thermal pollution or sustainable development ? », dont les recherches précurseurs ont permis de développer l’analyse fine du Rhône genevois ;
• M. David Gallay, ingénieur agronome HES, dont le dynamisme et les compétences nous ont permis de mener à bien les analyses du métabolisme agricole régional ;
• M. Anthony Harouthunian, ingénieur en génie mécanique HES, pour sa grande maîtrise des outils de simulation lors de la mise en place du modèle thermique du Rhône genevois ;
• M. Alain Dubois, chargé d’enseignement à l’Université de Genève, pour son aide précieuse dans le cadre de mon certificat de géomatique ;
• Ainsi que les différentes personnes des entreprises ayant fourni des données pour les rapports sur l’eau et les biomasses.
Un immense merci aux relecteurs des différentes parties de mon travail, qui, par leurs apports et leurs contributions, l’ont rendu plus lisible, précis et judicieux :
• Marc Faessler, Laure Faessler-Rusterholz, Pierre Hollmuller, Bernard Lachal, Catherine Lavallez, Emmanuel Lierdeman, Pierre-Alain Viquerat.
Enfin, sans le soutien permanent des familles Faessler et Rusterholz, ce travail n’aurait pu aboutir.
Résumé
L’énergie au sens large est un thème en soi interdisciplinaire. Il va de la technique à l’économie, en passant par les aspects politiques, sociaux et environnementaux. Les enjeux globaux d’une mutation du système énergétique mondial sont colossaux. Mais leur étude doit porter sur le fonctionnement réel de filières qui, même mondialisées sous certains aspects, restent toujours locales dans leur mise en place.
Trois arguments principaux peuvent être mis en avant pour une nécessaire relocalisation des filières énergétiques basées sur des ressources essentiellement locales et renouvelables :
• l’épuisement programmé des ressources non renouvelables ;
• les problèmes intrinsèques et pratiquement insurmontables – à long terme - de l’utilisation des filières fossiles (pollutions, changements climatiques) ou des filières fissiles (gestion des déchets radioactifs, accident, prolifération nucléaire) ;
• l’émergence d’une nouvelle géopolitique mondiale qui tend à rééquilibrer les flux des ressources entre le Nord et le Sud, leur contrôle et leur prix.
Sans pour autant vouloir aboutir à n’importe quel prix à une autonomie énergétique trop souvent idéalisée, on doit s’interroger sur les possibilités de relocaliser au moins partiellement les filières énergétiques. Cette relocalisation invite à nous questionner sur deux points fondamentaux :
• premièrement, la finitude physique de ce territoire « restreint » et son aptitude réelle à fournir des gisements de ressources renouvelables locales ;
• deuxièmement, les besoins, réels ou supposés, de nos sociétés.
Ce travail a évalué, dans le cadre du concept de société à 2000W, les quantités d’énergies réellement mobilisables des filières à ressource renouvelable locale ou régionale, en tenant compte de facteurs techniques, environnementaux et sociaux. L’analyse a porté sur le territoire du canton de Genève et, dans la mesure du possible, sur le territoire élargi à l’agglomération franco-valdo-genevoise. La prise en compte des contraintes liées aux multiples conflits d’usage ont nécessité la définition de différents gisements : bruts, accessibles et mobilisables. Les gisements accessibles représentent des ordres de grandeur de ce que le territoire peut fournir aux sociétés humaines de manière pérenne, sans dommages sur l’environnement local.
Ce travail montre que les gisements renouvelables accessibles des filières à ressources locales ou régionales sont présents en quantités significatives, essentiellement pour des prestations thermiques (chaud et froid) et plus modestement pour de l’électricité. Le gisement est quasi nul pour les
carburants. Les dynamiques des différentes ressources et leurs disponibilités réelles au niveau du territoire sont décrites de manière détaillée. Selon le bassin de vie considéré, la somme des gisements accessibles représente entre 2'400 et 2'800 W/hab.
En comparant les consommations actuelles du canton de Genève et les gisements des ressources renouvelables locales, cette étude arrive à la conclusion qu’une future société à 2000W - avec trois quarts d’énergies renouvelables - est possible à long terme, sous réserve d’une utilisation plus rationnelle de l’énergie en parallèle (Figure 66) :
Figure 66 : schéma de synthèse des gisements renouvelables locaux et régionaux annuels en relation avec la consommation brute actuelle et future (canton de Genève ; 454'000 habitants)
Le passage d’une société essentiellement dépendante des énergies fossiles à une société majoritairement dépendante des énergies renouvelables locales, pose de nombreuses questions et ouvre de nouveaux champs de recherche de type interdisciplinaire. Certaines contradictions sur la comptabilisation des énergies renouvelables montrent la nécessité d’indicateurs de suivi opérationnel judicieux et compréhensibles par tous.
Mots-clés : société à 2000W, énergie renouvelable, ressource renouvelable, filière énergétique, relocalisation, conflits d’usage, agglomération franco-valdo-genevoise.
Abstract
Energy in the broad sense is in itself an interdisciplinary theme. It ranges from the technical to the economic, passing through political, social and environmental aspects. Changing the global energy system raises enormous issues. Their analysis must examine the concrete functioning of the energy sector, which even though globalized in some aspects, is always local in its implementation.
•
Three main arguments can be put forward for the necessary relocation of energy industries based on essentially renewable and local resources :
•
the programmed depletion of non-renewable resources;
•
the intrinsic and almost insurmountable (long term) problems linked to the use of fossil- fuel or fissile sectors (pollution, climate change for the former and waste, accidents, nuclear proliferation for the latter);
the emergence of a new world geopolitical order with a trend towards rebalancing the flow of resources between developed and developing world, as well as their control and their price.
•
Without necessarily seeking attain an all too often idealized situation of energy independence, one must consider the possibilities of at least partially relocalising energy sectors. This relocalisation invites us to study two fundamental matters:
firstly, the limits posed by the finite physical nature of an area and its actual ability to
•
provide local renewable resource deposits;
secondly, the needs, real or imagined, of our societies.
This study has evaluated, from the perspective of the 2000W society, the amount of renewable energy which could potentially be produced by industries at the local or regional level, taking into account technical, environmental and social factors. The analysis focused on the Canton of Geneva and whenever possible, extended to the surrounding territory in neighbouring France and the Canton of Vaud (the franco-valdo-genevois agglomeration). Taking into account the constraints linked to multiple conflicts of use have required the definition of different types of energy source : raw, accessible and mobilized. The accessible sources characterize an order of magnitude of what the territory can provide to human societies in a sustainable manner without damage to the local environment.
This analysis shows that the local or regional accessible renewable resources are present in significant quantities, mainly for provision of thermal (hot and cold) supply and on a smaller scale,
for electricity. The resources are almost nil for fuel purposes. The dynamics of the various resources and their actual availability in the territory are described in detail. Depending on the territory considered, the sum of available deposits is between 2,400 and 2,800 W / inhabitant.
In comparing the current consumption of the Canton of Geneva with the local deposits of renewable resources, this study concludes that a 2000W society is possible in the long term future - with three quarters of the energy based on renewables - this result being dependent on more rational use of energy in parallel (see Figure 66) :
Figure 66: Summary of local and regional renewable deposits in relation to current and future annual gross consumption (Canton of Geneva; 454'000 inhabitants)
The transition from a society which primarily dependent on fossil fuels to one which is largely dependent on local renewable energy sources, raises many questions and opens up new areas for interdisciplinary research. Some contradictions in the calculation of renewable ressources show the need for appropriate and universally understandable operational monitoring indicators.
Keywords: 2000W society, renewable energy, renewable resources, energy sectors, relocation, use conflicts, franco-valdo-genevois agglomeration.
Table des matières
Remerciements... iii
Résumé ... vii
Abstract ... ix
Table des matières ... xiii
Acronymes ... xix
Introduction générale ... 1
1 Contextes de l’étude ... 7
1.1 Contexte international ... 7
1.1.1 Scénarios énergétiques prospectifs ... 8
1.1.2 Efficacité, sobriété et énergies renouvelables ... 9
1.1.3 Autres approches sur les énergies renouvelables locales ... 11
1.2 Contexte suisse – société à 2000W ... 14
1.3 Contexte français – facteur 4 ... 20
1.4 Contexte genevois ... 21
1.5 Contexte élargi - AFVG ... 27
1.6 Evolution passée des territoires analysés ... 30
1.6.1 Population et énergie finale ... 30
1.6.2 Puissance brute en W/hab et W/m2 ... 31
2 Nomenclature des ressources naturelles et des filières énergétiques locales ... 37
2.1 Cycle ouvert de l’énergie et cycle fermé de la matière ... 38
2.2 Ressources naturelles énergétiques ... 40
2.2.1 Ressources non renouvelables : stocks et réserves ... 42
2.2.2 Ressources renouvelables : flux et gisements ... 43
2.3 Pénurie des ressources et transfert géographique de la pénurie ... 44
2.4 Des ressources aux filières énergétiques d’un territoire ... 45
2.4.1 Définition des gisements renouvelables ... 47
2.4.2 Définition des filières à ressources locales, régionales ou internationales ... 49
3 Gisements des filières à ressources renouvelables locales ou régionales ... 55
3.1 Filières à ressources régionales ... 56
3.1.1 Filières biomasses ... 57
3.1.1.1 Caractéristiques principales des ressources biomasses ... 57
3.1.1.2 Disponibilité des filières biomasses ... 59
3.1.1.3 Coproduits agricoles ... 62
3.1.1.3.1 Hypothèses générales sur les bilans de matière et d’énergie de l’agriculture .. 63
3.1.1.3.2 Grandes cultures ... 64
3.1.1.3.3 Bilan énergie grandes cultures AFVG ... 69
3.1.1.4 Cultures dédiées... 72
3.1.1.5 Bois... 74
3.1.1.5.1 Bois naturel ... 76
3.1.1.5.2 Bois usagé ... 78
3.1.1.6 Déchets organiques ... 81
3.1.1.6.1 Comparaison des filières déchets verts ménagers ... 82
3.1.1.6.2 UVTD Cheneviers - incinération ... 83
3.1.1.6.3 Site de Châtillon – méthanisation et compostage ... 85
3.1.1.6.4 Bilan des rendements de valorisation des deux filières déchets verts ... 87
3.1.1.6.5 Déchets organiques ménagers ... 91
3.1.1.6.6 Déchets organiques industriels ... 93
3.1.1.7 Bilan annuel des gisements biomasses régionaux en W/hab et W/m2 ... 94
3.1.2 Filières hydrologiques ... 96
3.1.2.1 Caractéristiques principales des ressources en eau ... 96
3.1.2.2 Disponibilité des filières hydrologiques ... 98
3.1.2.3 Ressource lac Léman ... 102
3.1.2.3.1 Gisements des filières lac Léman régional ... 104
3.1.2.3.2 Bilan annuel du gisement lac Léman régional en W/hab et W/m2 ... 106
3.1.2.4 Ressource Rhône ... 108
3.1.2.4.1 Hydroélectrique ... 114
3.1.2.4.2 Hydrothermique ... 117
3.1.2.4.3 Modèle Robinet ... 121
3.1.2.4.4 Scénarios issus du modèle robinet ... 130
3.1.2.4.5 Résumé du modèle robinet ... 135
3.1.2.4.6 Bilan annuel des gisements du Rhône régional en W/hab et W/m2 ... 136
3.1.2.5 Ressource Arve ... 139
3.1.2.5.1 Hydroélectrique ... 140
3.1.2.5.2 Hydrothermique ... 140
3.1.2.6 Autres rivières locales ... 142
3.1.2.7 Bilan annuel des gisements de l’eau régional en W/hab et W/m2 ... 143
3.2 Filières à ressources locales ... 149
3.2.1 Filières solaires ... 151
3.2.1.1 Ressource solaire ... 151
3.2.1.2 Transformation et valorisation du gisement solaire ... 152
3.2.1.2.1 Capteurs thermiques ... 152
3.2.1.2.2 Panneaux photovoltaïques ... 155
3.2.1.3 Disponibilité des filières solaires locales ... 158
3.2.1.4 Bilan annuel du gisement solaire local en W/hab et W/m2 ... 166
3.2.2 Filières géothermiques ... 169
3.2.2.1 Ressource géothermique ... 169
3.2.2.2 Valorisation du gisement géothermique ... 171
3.2.2.2.1 Electricité ... 172
3.2.2.2.2 Chaleur ... 174
3.2.2.3 Disponibilité des filières géothermiques locales ... 180
3.2.2.3.1 Electricité ... 181
3.2.2.3.2 Chaleur ... 181
3.2.2.4 Bilan annuel du gisement géothermique genevois en W/hab et W/m2 ... 185
3.2.3 Filière éolienne ... 187
3.2.3.1 Ressource éolienne ... 187
3.2.3.2 Transformation du gisement éolien ... 187
3.2.3.3 Valorisation des filières éoliennes ... 188
3.2.3.4 Disponibilité des filières éoliennes locales ... 190
3.2.3.5 Bilan annuel du gisement éolien local en W/hab et W/m2 ... 191
3.2.4 Filières rejets thermiques et déchets-ressources ... 192
3.2.4.1 Ressources rejets thermiques et déchets ... 192
3.2.4.2 Valorisation du gisement rejets thermiques ... 192
3.2.4.3 Disponibilité des filières rejets thermiques locales ... 193
3.2.4.4 Bilan annuel des gisements rejets thermiques en W/hab et W/m2 ... 197
3.2.4.5 Bilan annuel des gisements déchets-ressources en W/hab et W/m2 ... 199
3.2.4.5.1 Électricité des UVTD ... 199
3.2.4.5.2 Biogaz de la STEP ... 200
4 Synthèse des ressources renouvelables locales ... 203
4.1 Contraintes et limites de la synthèse ... 204
4.2 Gisements des ressources renouvelables locales et régionales ... 207
4.2.1 AFVG ... 207
4.2.2 Canton de Genève ... 213
4.2.3 Analyse des gisements accessibles et mobilisables ... 218
4.2.3.1 Hydrologiques ... 219
4.2.3.2 Géothermique ... 220
4.2.3.3 Solaire ... 221
4.2.3.4 Biomasses ... 221
4.2.3.5 Eolien ... 222
4.2.3.6 Rejets thermiques et déchets-ressources ... 222
4.3 Des ressources renouvelables locales à la société à 2000W ... 224
4.3.1 Connexion offre-demande et vision société à 2000W ... 224
4.3.1.1 Problématique de la comptabilisation des énergies renouvelables ... 227
4.3.1.2 Réflexions sur la société à 2000W ... 233
4.4 Perspectives futures ... 236
4.4.1 Clarifications sur les indicateurs du canton de Genève ... 236
4.4.2 Approfondissement des contraintes des transformateurs et de la demande finale . 238 4.4.3 Elargissement de l’analyse détaillée à l’AFVG et aux indicateurs climatiques ... 239
Conclusions générales ... 243
Liste des Figures ... 247
Liste des Tableaux ... 251
Liste des annexes (sur cédérom) ... 253 Contenu du cédérom ... 255 Bibliographie ... 257
Acronymes
ACV : Analyse de Cycle de Vie
ADEME : Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie AFVG : Agglomération Franco-Valdo-Genevoise
AIE : Agence Internationale de l’Energie
AIEA : Agence Internationale de l’Energie Atomique AIG : Aéroport International de Genève
CAD : Chauffage à distance
CADIOM : Chauffage à Distance de l’Incinération des Ordures Ménagères CERN : Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire
CEVA : Cornavin – Eaux – Vives - Annemasse CFF : Chemins de Fers Fédéraux
CNR : Compagnie Nationale du Rhône
CNRS : Centre National de la Recherche Scientifique COP : Coefficient de Performance
COPA : Coefficient de Performance Annuel CRFG : Comité Régional Franco-Genevois EB : Energie Brute
ECS : Eau Chaude Sanitaire
EER : Energy Efficiency Ratio (ratio de rendement énergétique– pour le froid) EF: Energie Finale
EGS : Enhanced Geothermal Systems (“systemes géothermiques activés”) EP : Energie Primaire
ETHZ : Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich EU : Energie Utile
FTH : Force de Traction Horaire
GES : Gaz à Effet de Serre
GIS : Systèmes d’Information Géographique (acronyme en anglais pour éviter la confusion avec les Services Industriels de Genève)
GLN : Genève-Lac-Nations GLU : Genève-Lac-Urbain
GRUE : Genève-Rhône-Urbain-Environnement Gtep : Giga tonne-équivalent pétrole
IFP : Institut Français du Pétrole MF : Matières Fraîches
MICA : Mont-Idée Communaux d’Ambilly MNS : Modèle Numérique de Surface MOH : Main d’Oeuvre Horaire MS : Matières Sèches
OCSTAT : Office Cantonal de la Statistique (Genève) OFEV : Office Fédéral de l’Environnement
OFEN : Office Fédéral de l’Energie
PACA : Périmètre d’Aménagement Coordonnée d’Agglomération PAC : Pompes à Chaleur
PACG : Pompes à Chaleur Géothermiques
PAFVG : Projet d’Agglomération Franco-Valdo-Genevois PAV : Praille-Acacias-Vernet
PCET : Plan Climat-Energie Territorial PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur PGG : Potentiel Géothermique Genevois SAU : Surfaces Agricoles Utiles
SCANE : Service de l’Energie (Genève)
SEER : Seasonal Energy Efficiency Ratio (ratio de rendement énergétique saisonnier – pour le froid) SIG : Services Industriels de Genève
SITG : Système d’Information du Territoire Genevois STEP : Station d’Epuration des eaux usées
SWOT : Strengths (forces), Weaknesses (faiblesses), Opportunities (opportunités), Threats (menaces)
TCR : Taillis à Courte Rotation
TEP : Tonne-Equivalent Pétrole (par définition, 1 tep = 41,868 URE : Utilisation Rationnelle de l’Energie
VIRAGE : Valorisation Intensive des énergies Renouvelables dans l’Agglomération Genevoise Wc
UE : Union Européenne : Watt crête
UGB : Unité de Gros Bétail
UVTD : Usine de Valorisation et de Traitement des déchets (anciennement UIOM : Usine d’Incinération des Ordures Ménagères)
ZIPLO : Zone Industrielle de Plan-les-Ouates
Introduction générale
L’énergie au sens large est un thème en soi interdisciplinaire. Il va de la technique à l’économie, en passant par les aspects politiques, sociaux et environnementaux. Les enjeux globaux d’une mutation du système énergétique mondial sont colossaux. Mais leur étude doit porter sur le fonctionnement réel de filières qui, même mondialisées sous certains aspects, restent toujours locales dans leur mise en place. L’analyse approfondie de ces filières doit permettre d’évaluer les actions les plus pertinentes, d’envisager leur démultiplication et de financer petit à petit leur développement.
Trois arguments principaux peuvent être mis en avant pour une nécessaire relocalisation des filières énergétiques basées sur des ressources essentiellement locales et renouvelables :
• l’épuisement programmé des ressources non renouvelables ;
• les problèmes intrinsèques et pratiquement insurmontables – à long terme - de l’utilisation des filières fossiles (pollutions, changements climatiques) ou des filières fissiles (gestion des déchets radioactifs, accident, prolifération nucléaire) ;
• l’émergence d’une nouvelle géopolitique mondiale qui tend à rééquilibrer les flux des ressources entre le Nord et le Sud, leur contrôle et leur prix (CETIM, 2010).
Il apparaît donc primordial de substituer dans les meilleurs délais un maximum de ressources non renouvelables par des ressources renouvelables tout en faisant des économies d’énergie en parallèle. Sans pour autant vouloir aboutir à n’importe quel prix à une autonomie énergétique trop souvent idéalisée, on doit s’interroger sur les possibilités de relocaliser au moins partiellement les filières énergétiques. Cette relocalisation nous questionne sur l’aptitude réelle de l’environnement local à fournir des ressources renouvelables ainsi que sur les besoins, réels ou supposés, de nos sociétés.
L’objectif de ce travail est d’évaluer, dans le cadre du concept de société à 2000 Watts (2000W), les quantités d’énergies réellement mobilisables des filières à ressource renouvelable locale ou régionale, en tenant compte de facteurs techniques, environnementaux et sociaux. L’analyse a porté sur le territoire du canton de Genève et, dans la mesure du possible, sur le territoire élargi à l’agglomération franco-valdo-genevoise (AFVG).
Lors du début de ce processus de recherche en 2008, les connaissances sur les gisements réels et les limites environnementales liées à la mobilisation des énergies renouvelables sur le territoire
genevois élargi, étaient encore partielles. Le plan directeur cantonal de l’énergie du canton de Genève souligne ce besoin : « le développement de filières locales reposera sur un état des lieux (référencement, quantification et caractérisation des ressources) qui permet de définir les conditions d’utilisation et de gestion des ressources à long terme » (ETAT DE GENEVE, 2007a). Dans le cadre élargi du projet d’agglomération franco-valdo-genevois (PAFVG), la fiche action 131 sur l’énergie a aussi comme objectif la « valorisation concertée des sources d’énergies renouvelables locales » (PAFVG, 2007).
Ainsi, le service de l’énergie (scane) et plusieurs services de l’Etat de Genève rattachés à l’environnement et au territoire (eau, forêt, agriculture, aménagement, déchets) ont mis en place un partenariat de 3 ans (avec accompagnement et suivi par un comité de pilotage) avec le groupe énergie de l’Université de Genève dans le cadre du projet de Valorisation Intensive des énergies Renouvelables dans l’Agglomération Genevoise (VIRAGE). Ce projet posait dès le début la question fondamentale de savoir « dans quelle mesure, dans quelles applications, à quel prix, à quelles conditions et dans quels délais les énergies renouvelables peuvent redevenir majoritaires, voire exclusives, dans un territoire donné ? » (ETAT DE GENEVE, 2008a).
Dans ce travail, l’analyse a essentiellement porté sur l’offre renouvelable locale selon les gisements physiques du canton de Genève et/ou de l’AFVG, en intégrant au mieux les conflits d’usage techniques, sociaux et environnementaux selon l’état actuel des politiques publiques. Les aspects économiques ne sont qu’esquissés dans ce travail. Les autres piliers de la politique cantonale en matière d’énergie, soit les économies d’énergies et l’amélioration de l’efficacité énergétique, sont brièvement évoqués dans le contexte général, car ils sont complémentaires et indispensables à une politique active de développement des énergies renouvelables locales.
Ce travail a été réalisé à l’aide d’études de cas spécifiques permettant d’aborder les énergies renouvelables et leurs nombreuses contraintes : biomasses régionales (FAESSLER J. et LACHAL B., 2008b ; FAESSLER J. et al., 2010b ; FAESSLER J. et al., 2009c), énergie de l’eau (FAESSLER J.
et al., 2009b; FAESSLER J. et LACHAL B., 2008a, 2009a) et gisement d’énergie solaire sur les toitures (FAESSLER J., 2010a). Pour l’énergie géothermique et éolienne, une étude bibliographique a permis de synthétiser les aspects essentiels et d’évaluer les gisements locaux de manière simplifiée. Une étude de cas précise de la zone St-Julien/plaine de l’Aire a permis de dégager quelques contraintes générales liées à la mobilisation d’énergies renouvelables dans un territoire donné (FAESSLER J. et LACHAL B., 2010c).
Tous ces rapports VIRAGE ont été discutés puis validés par les différents responsables des services de l’Etat de Genève ayant collaboré, dans le cadre d’un comité de pilotage les regroupant qui s’est réuni deux fois par année pendant trois ans pour discuter collectivement des sujets
abordés dans ces rapports. En parallèle, plusieurs séances ont eu lieu avec les fonctionnaires concernés sur des sujets spécifiques (eau, agriculture, biomasses, aménagement du territoire).
Des apports ponctuels de spécialistes pour certains rapports nous ont permis de collaborer et de valider des données plus spécifiques, comme dans le cas des données agricoles (engagement de M.
Gallay, ingénieur agronome HES, pendant 4 mois à 80%) ou du modèle thermique du Rhône genevois (engagement de M. Haroutunian, ingénieur en génie mécanique HES, pendant 3 mois à 80%).
Il s’agit donc d’une double approche. D’une part elle établit - avec l’aide d’acteurs clés - un état actuel détaillé de certaines ressources et de leur mobilisation potentielle sur le territoire (approche bottom-up). D’autre part elle se base sur des données et des scénarios plus généraux (approche top-down).
Comprendre le système énergétique local oblige à poser un diagnostic correct sur l’énergie consommée sur le territoire et à évaluer la répartition entre les différentes sources énergétiques. En conséquence, après une contextualisation internationale, le premier chapitre explicite le concept de société à 2000W en discutant les différentes notions liées aux statistiques énergétiques et à leur représentation physique réelle. Les données détaillées issues des statistiques du canton de Genève sont analysées en relation avec les données suisses. Une brève présentation du périmètre de l’étude, élargi au territoire de l’AFVG, permet de mettre en évidence quelques statistiques sur l’évolution antérieure de ces différents territoires.
Le second chapitre aborde la nomenclature élaborée dans le cadre de VIRAGE. Les définitions des ressources énergétiques renouvelables ou non renouvelables montrent la différence fondamentale entre des réserves non renouvelables (stock) et des gisements renouvelables (flux). La prise en compte des contraintes liées à un territoire (conflit d’utilisation du sol) nous amène à définir différents gisements : bruts, accessibles, mobilisables. La quantité de ces gisements peut être estimée en tenant compte des filières énergétiques dans leur ensemble (ressource – transformation – valorisation). Selon la provenance de chaque ressource, on définit les filières à ressources locales, régionales ou internationales, afin d’estimer leur disponibilité réelle sur un territoire.
Le chapitre 3 traite de manière détaillée chacune de ces filières à ressources locales ou régionales, en quantifiant les ressources selon un schéma en plusieurs étapes :
• Caractéristiques principales de la ressource ;
• Disponibilité des filières renouvelables ;
• Bilan annuel1 des gisements bruts, accessibles et mobilisables en W/hab et W/m2
Pour les ressources à filières locales telles que les filières solaires et géothermiques, un état des lieux bibliographique sur les transformations et les valorisations possibles est ajouté.
;
Ces différents bilans permettent de synthétiser dans le chapitre 4 les gisements accessibles et mobilisables des énergies renouvelables locales et régionales, et de les comparer avec la demande locale (actuelle et future). La réponse à la problématique centrale de ce travail - « les ressources renouvelables locales peuvent-elles subvenir aux trois quarts de la consommation énergétique dans une société à 2000 Watts ? » - peut alors être discutée, et il devient possible de mettre en exergue quelques réflexions sur la société à 2000W et sur les perspectives futures de recherche.
1 Les surfaces totales prises en compte comprennent les surfaces d’eau dites « improductives » en statistiques (lac Léman essentiellement).
« Il y a Mark Twain (Autobiographie I, 246 - www.evene.fr)
1 Contextes de l’étude
1.1 Contexte international En ce début de XXIe
• une demande énergétique primaire toujours en hausse (moyenne de 2.4% par an depuis 1980) et atteignant 12 milliards de tonnes-équivalent pétrole (Gtep ou Gtoe en anglais) en 2007 (IEA, 2009a) ;
siècle, l’humanité est confrontée à d’énormes enjeux énergétiques globaux qui pèsent dans tous les débats politiques et sociétaux :
• une utilisation massive d’énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), sources non renouvelables et finies, pour la fourniture des prestations énergétiques (plus de 80% en demande d’énergie primaire ; IEA, 2009a) ;
• une forte inégalité entre les pays (et à l’intérieur de ceux-ci) dans leur demande énergétique : un Américain consomme comme 2 Européens, 5 Chinois ou 15 Africains (IEA, 2009a) ;
• des modifications des grands cycles biogéochimiques mondiaux (cycle du carbone notamment, mais aussi de l’eau), modifications issues de l’utilisation des énergies fossiles et mettant en cause à long terme la viabilité terrestre pour les sociétés humaines (GIEC, 2007).
Physiquement, on différencie l’énergie primaire (EP - ressource naturelle extraite de l’environnement comme le pétrole brut) de l’énergie secondaire ou intermédiaire (ES - pétrole léger) et de l’énergie finale achetée par l’utilisateur (EF - essence). L’énergie utile (EU) correspond à la fin de la chaîne, en intégrant le rendement réel de la prestation finale (se mouvoir grâce au moteur fonctionnant à l’essence). Pour donner un exemple, 100 Joules (J) de pétrole (énergie primaire) permettront d’obtenir 90 J de pétrole raffiné (énergie secondaire) puis 80 J d’essence vendue (énergie finale) et 20 J de « mobilité ». Ces définitions physiques ne correspondent pas exactement aux définitions des statistiques énergétiques reprises dans la suite de ce chapitre, car les statistiques se basent en fait essentiellement sur les transactions commerciales, ne recensant pas toutes les utilisations.
Afin de comptabiliser le mieux possible les différents flux physiques des ressources énergétiques, des statistiques énergétiques sont développées au niveau local, national et international (annexe 1).
Les données statistiques fournies par l’Agence Internationale de l’Energie (AIE) sont des statistiques définies au niveau international. Elles peuvent légèrement différer des statistiques locales (suisses ou françaises). Elles comprennent toutes les données commerciales d’énergie ainsi que les données non commerciales estimées de certaines énergies issues de biomasses (solides ou liquides) ou de déchets (IEA, 2009a).
On distingue la demande d’énergie primaire – correspondant aux ressources naturelles extraites de l’environnement - de la consommation (ou énergie) finale achetée (ou autoconsommée) pour un usage déterminé (agriculture, industrie, services, transport, utilisation matière des produits pétroliers, etc… - IEA, 2009a). Les données statistiques des consommations nationales sont regroupées par régions, puis au niveau mondial.
Pour l’énergie primaire, ce dernier niveau intègre plus de données que le niveau national, car il comprend l’ensemble des données de consommation des navires et des avions, ainsi que les pertes d’extraction et de distribution des énergies fossiles (annexe 1). La valeur mondiale d’énergie primaire moyenne est donc connue et valait environ 2'400 W/hab en 2007 (annexe 2). Mais cette énergie primaire est difficile à répartir réellement dans chaque pays. En effet, les statistiques nationales sont souvent établies à l’aide d’énergies finales (vendues aux consommateurs). Une répartition nationale de l’énergie primaire, notamment celle contenue dans les biens et produits importés et exportés, rend extrêmement complexe sa quantification nationale réelle et est sujet à débats dans la communauté scientifique (annexe 1). Des ordres de grandeur peuvent toutefois être estimés.
1.1.1 Scénarios énergétiques prospectifs
Dans ce contexte très général, de multiples organismes (étatiques, universitaires, associatifs, etc…) produisent des scénarios d’évolution de la consommation d’énergie finale et de la demande d’énergie primaire mondiale. Ces scénarios peuvent être très différents selon leurs hypothèses de départ, le type de croissance choisi, et les répartitions entre énergies fossiles, renouvelables et nucléaires. Au niveau quantitatif, ces scénarios proposent au mieux la stabilisation de la consommation d’énergie primaire mondiale entre 12 et 14 Gtep en 2050, et ce malgré l’augmentation de la population à 9 milliards d’individus (scénario « révolution énergétique » de Greenpeace – GREENPEACE et EREC, 2010 -, scénarios Nouvelles Options Energétiques (NOE) du CNRS2
2 Centre National de la Recherche Scientifique (France).
des années 1990 – INESTENE, 1996), et ils proposent au pire la multiplication par 2.5 (soit environ 30 Gtep) de la consommation d’énergie primaire en 2050 (scénario « Business
as usual » - WEC, 2007- scénario comparable au scénario A2 du groupe d’expert intergouvernemental sur l’évolution du climat – GIEC – IPCC en anglais).
Les scénarios sont généralement basés sur l’offre énergétique (fossile, nucléaire, renouvelable) et sur la demande finale d’énergie secondaire (électricité, chaleur, carburants). En fonction des organismes et des intérêts qu’ils défendent, les scénarios sont en réalité assez ouverts et même si le système énergétique présent a une grande inertie, ils dépendent pour finir beaucoup des politiques plus ou moins incitatives qui sont ou seront mises en œuvre.
1.1.2 Efficacité, sobriété et énergies renouvelables
Dans tous les scénarios à politiques volontaristes, trois points-clés, à développer en parallèle, jouent un rôle fondamental :
1. l’efficacité énergétique ; 2. la sobriété énergétique ;
3. l’augmentation de la production d’énergie à base de renouvelable3.
Premièrement, l’efficacité peut se définir comme d’une part des actions techniques ou comportementales sur la demande d’énergie (isolation des bâtiments, éclairage performant, suppression des veilles, etc…) sans remise en cause du niveau de la prestation énergétique, et d’autre part comme l’amélioration globale des filières énergétiques. Au niveau mondial, on peut estimer que l’efficacité énergétique globale (énergie finale sur énergie primaire) s’est dégradée de 75.9% en 1971 à 68.6% en 2007 (IEA, 2004 et IEA, 2009a). Cela met en évidence le poids que des systèmes de production électrique très centralisés comme le nucléaire ou le charbon prennent sur le plan de l’inefficacité4, et par ailleurs le gros potentiel d’amélioration à tous les niveaux des filières énergétiques5
3 Ce troisième point est parfois associé au développement du nucléaire, notamment en France. En effet, la faible émission spécifique de CO2 - associé aux enjeux des changements climatiques - permet aux pro-nucléaires de faire perdurer une confusion entre production d’énergie « propre » pour le climat et inefficacité énergétique des systèmes centralisés comme les centrales nucléaires. De plus, vu les récents événements arrivés à Fukushima, nous sommes de plus en plus convaincus du bien-fondé d’une exclusion à terme des filières nucléaires dans le panel des solutions d’avenir.
.
4 Vu la taille des installations centralisées, la récupération de chaleur est presque impossible. L’électricité représente deux tiers des pertes du système mondial pour répondre à moins de 20% des besoins finaux (DESSUS B., 2007).
Deuxièmement, la sobriété énergétique représente elle la remise en cause de certaines de ces prestations, par exemple le renoncement à la climatisation ou le passage à une mobilité douce. Elle concerne plus particulièrement nos sociétés occidentales qui se sont rapidement développées grâce à des énergies fossiles abondantes, bon marché et prélevées hors de notre territoire. Dans la nouvelle donne de la géopolitique mondiale, cette ère-là est probablement en train de s’achever et il apparaît raisonnable d’anticiper cette évolution en réduisant notre dépendance aux énergies fossiles non locales.
Le troisième point-clé au niveau mondial concerne le développement des filières renouvelables.
Comme pour les scénarios prospectifs, la contribution potentielle des énergies renouvelables peut différer selon les analyses. On retiendra ici un scénario raisonnable de gisement accessible fait au début des années 1990, intégrant des notions de compétitivité des filières technologiques et de demande solvable à l’époque (DEVIN B. et DESSUS B., 1991). Ce scénario aboutissait à une contribution potentielle minimale des renouvelables en 2020 à 4'889 Mtep, dont un quart serait issu de l’hydroélectrique et les deux tiers des biomasses (DEVIN B., 2006). La contribution réelle des énergies renouvelables dans les statistiques mondiales est passée de 1’124 Mtep en 1990 à 1’515 Mtep en 2007 (en énergie primaire - IEA, 2009a).
On voit qu’il ne s’agit pas d’un problème de gisement accessible des énergies renouvelables, mais plutôt d’un problème de facteurs limitant le gisement réellement mobilisable (facteurs économiques, techniques, socio-politiques et environnementaux). Et contrairement à une idée répandue, les « énergies renouvelables ne sont ni moins chères, ni plus commodes (sauf cas « isolés » mais intervenant peu dans le bilan mondial) ni sans inconvénient, ni toujours plus acceptables, que ce bon vieux pétrole du Moyen Orient » (p. 41, DEVIN B., 2006). On le voit par exemple lors de la construction des grands barrages hydroélectriques.
Une approche intéressante consiste à estimer le potentiel de substitution réel (dans une économie de marché) des énergies renouvelables entre 2010 et 2030 et de le comparer aux prévisions de l’AIE (DEVIN B., 2006). Devin compare la compétitivité de chaque filière et aboutit à la substitution concrète de 130 à 150 Mtep par an6, dont deux tiers sont représentés par des biomasses. Or, même ce scénario optimiste de mobilisation du renouvelable ne permet pas de stabiliser les émissions de CO2
5 Et notamment dans la cogénération pour le cas de l’électricité, plus facile à mettre en œuvre de manière décentralisée.
étant donné l’augmentation continue de la demande énergétique primaire (DEVIN B., 2006).
6 Soit une somme de 4’500 Mtep d’énergies renouvelables (1’500 actuel avec 3'000 en plus) dans le « bouquet » énergétique primaire de 2030 de 16'790 Mtep (IEA, 2009a).
L’approche purement « offre énergétique » est nécessaire mais restera certainement insuffisante : la mobilisation de nouveaux gisements d’énergies renouvelables ne peut se faire qu’en accompagnement de politiques volontaristes d’économies d’énergies. Il faut garder cela à l’esprit même si cette étude s’est focalisée sur les gisements accessibles et mobilisables des énergies renouvelables locales (voir chapitre 3).
Concernant les politiques climatiques, les énergies renouvelables seront considérées dans ce travail comme des sources non-émissives (globalement sans stockage ou déstockage de CO2). Cela n’est pas tout-à-fait vrai si on considère les filières complètes de mobilisation du renouvelable (notamment l’énergie grise des transformateurs), mais ces aspects dépassent le cadre de ce travail7.
1.1.3 Autres approches sur les énergies renouvelables locales
Le cadrage institutionnel de VIRAGE (avec comme objectif la société à 2000W sans nucléaire) a permis une collaboration active avec les acteurs exécutant les politiques publiques énergétiques et environnementales locales. Provenant d’une demande explicite d’une partie de ces acteurs, l’évaluation ponctuelle de différentes ressources énergétiques renouvelables s’est faite pour et avec eux (voir l’introduction du chapitre 3).
Dans la plupart des cas analysés de la littérature scientifique, l’objectif est généralement plus en amont : il s’agit de donner de l’information objective aux acteurs institutionnels. Leur collaboration peut être envisagée dans un deuxième temps, l’enjeu étant ensuite de permettre aux acteurs de s’approprier l’information et de définir des politiques locales ambitieuses par rapport au développement de filières locales d’énergies renouvelables. La littérature scientifique explore donc souvent la modélisation de scénarios à plus ou moins long terme et le géoréférencement des données pour estimer des gisements accessibles ou mobilisables dans un territoire donné.
L’exemple du Danemark, dont la consommation énergétique équivaut à peu près à celle de la Suisse, est le plus intéressant : les modèles développés ont permis dans un premier temps de montrer qu’un avenir 100% renouvelable au Danemark était envisageable d’ici 2050 (LUND H., 2007). Puis, 40 séminaires organisés par l’association des ingénieurs danois, rassemblant 1600
7 A titre d’exemple, on peut tout de même citer la filière photovoltaïque qui aurait actuellement une énergie grise, pour la production de modules PV complets, comprise dans une fourchette de 1 an et demi à 5 ans selon l’ensoleillement et le type de systèmes (IEA, 2006), pour une durée de vie des modules de 20 à 30 ans (soit 3 à 25% de l’électricité produite).
participants, ont permis d’affiner les scénarios et de transmettre les questions à discuter de manière plus large et démocratique : (LUND H., 2007)
• Quel taux de prélèvement de la biomasse la société est-elle prête à accepter ?
• Quelle répartition faut-il définir entre l’éolien et les biomasses agricoles pour la production électrique ?
• Quel avenir faut-il donner à la filière hydrogène dans les transports ?
Il s’agit d’une approche très technicienne et dont certaines hypothèses sont discutables étant donné l’inertie du système énergétique (comme par exemple celle de diminuer de 50% la demande de chauffage et d’électricité dans les bâtiments d’ici 2030). Mais elle peut permettre de fixer des objectifs ambitieux pour les collectivités publiques, qui doivent ensuite dégager les moyens de leurs ambitions et réévaluer régulièrement leurs programmes.
D’autres études ont permis de définir à plus court terme des politiques publiques régionales (province de Jaen, Espagne) à l’aide de plusieurs approches multi-critères d’analyse SWOT (acronyme anglais de : forces, faiblesse, opportunités, menaces) et de la participation de comités d’experts proposant les différents scénarios (TERRADOS J. et al., 2009). Ces travaux ont abouti à des objectifs chiffrés pour 2010 qu’il serait désormais intéressant de comparer aux résultats réels, ceci afin d’évaluer et de corriger éventuellement ce type d’approche.
Dans l’état du Karnataka en Inde, Ramachandra et Schruthi ont estimé les gisements bruts des énergies renouvelables et, grâce à des systèmes d’information géographique (GIS, acronyme anglais), ont spatialisé l’information pour les 175 entités administratives (RAMACHANDRA T.V.
et SHRUTHI B.V., 2007). Il s’agit d’une analyse brute d’un territoire aussi grand que le tiers de la France, habité par plus de 50 millions de personnes (WIKIPEDIA, 2010a [en ligne]) et dont plus de 50% de la consommation totale d’énergie est fournie par des biomasses traditionnelles (bois de feu). Cette approche permet de dégager certaines régions plus favorables pour le développement du solaire, de l’hydroélectrique ou de l’éolien, mais reste une première estimation globale vu la taille du territoire.
En Allemagne, dans les états du Bade-Wurtemberg et de la Basse-Saxe, une estimation du gisement éolien a été faite à l’aide d’un GIS permettant de prendre en compte les infrastructures et les zones résidentielles, puis les facteurs écologiques tels que les zones de réserves, d’agriculture ou de
biotopes protégés (KREWITT W. et NITSCH J., 2003). Cela permet de passer d’un gisement théorique à un gisement écologique et correspond aux gisements bruts et mobilisables définis plus loin. Les résultats indiquent un solde de 3% du gisement brut encore mobilisable pour le Bade- Wurtemberg (soit 9 fois la capacité déjà installée en 2002) et de 6% du gisement brut encore mobilisable pour la Basse-Saxe (soit 6 fois la capacité déjà installée en 2002).
L’intégration des facteurs écologiques diminue fortement le gisement en intégrant les zones réalisables et en territorialisant ce gisement brut. On obtient une sorte de potentiel maximum admissible par la société, sans prendre en compte les aspects économiques.
D’autres travaux locaux se basent sur des GIS pour modéliser les besoins de zones urbaines et prévoir les utilisations optimales de systèmes énergétiques (GIRARDIN L. et al., 2010). Il s’agit de plusieurs modèles compliqués, imbriqués entre eux, et qui permettent de territorialiser des solutions optimales de conversions énergétiques. Cette approche permet de maximiser les rendements des filières énergétiques pour chaque quartier analysé et de viser une solution optimale.
La limite d’une telle approche est qu’elle reste très technicienne et peu opérationnelle étant donné la masse d’informations qu’il faut collecter et gérer pour arriver à bien modéliser les différents quartiers.
Certaines études ont passé en revue les différents logiciels informatiques permettant la modélisation et l’intégration des énergies renouvelables dans différents systèmes et territoires.
Initialement, 68 programmes avaient été retenus, puis 37 ont été analysés finement selon un questionnaire précis (CONNOLLY D. et al., 2010). Beaucoup de ces programmes se concentrent sur des aspects purement électriques, d’autres sur les aspects technico-économiques de projets concrets, d’autres encore sur le système énergétique d’un pays entier. Certains sont récents, comme EnergyPlan (utilisé dans l’exemple du Danemark cité plus haut), d’autres plus anciens, comme Markal ou Trnsys. Cette étude montre que de multiples programmes prennent en compte l’utilisation plus intensive des énergies renouvelables, avec chacun leurs spécificités, leurs avantages et leurs inconvénients (CONNOLLY D. et al., 2010).
1.2 Contexte suisse – société à 2000W
La Suisse a adopté le concept de société à 2000W ces dernières années. Ce concept a été repris par le Canton de Genève dès 2006 (NOVATLANTIS, 2006). Il s’agit d’une vision à long terme développée dans les années nonante par l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ) et Novatlantis (NOVATLANTIS, 2010 [en ligne]) – vision d’une société « idéale » au niveau énergétique (selon leurs concepteurs), où (NOVATLANTIS, 2005) :
• La quantité relative d’énergie dite primaire8
• L’efficacité énergétique est systématiquement améliorée ;
est divisée par 2.5 (de 5'000 W/hab à 2'000 W/hab) ;
• La proportion relative d’énergie primaire issue des énergies fossiles (actuellement de 55%) diminue à 25% ;
• La proportion relative d’énergie primaire issue des énergies non-fossiles (renouvelables et nucléaire), actuellement de 45%, passe à 75% de la demande totale.
Cette vision implique de facto une diminution des émissions directes de CO2 à une tonne par personne par an9
Schématiquement, la société à 2000W correspond à une demande primaire moyenne annuelle par personne de 17'500 kWh, ou 2’000 Watts en continu. Malgré ces unités de puissance, il s’agit en réalité d’une énergie annuelle moyenne comptabilisée en énergie primaire d’une région ou d’un pays divisé par le nombre d’habitants (unité relative). La comptabilisation concrète de l’énergie primaire d’une société comme celle de la Suisse ou de la région genevoise pose des problèmes méthodologiques non résolus à ce jour.
(NOVATLANTIS, 2005). Elle a été reprise comme le scénario le plus ambitieux (scénario IV) dans les perspectives énergétiques 2035 de la Suisse (OFEN, 2007).
A notre sens, les 5'000 W/hab actuels pris habituellement comme énergie primaire dans la société à 2000W (NOVATLANTIS, 2005), correspondent quantitativement à la notion de consommation brute telle qu’elle est définie par l’office fédéral de l’énergie (OFEN) : « la consommation brute est la somme de la production indigène, des importations nettes d’énergie et des variations de stocks » (OFEN, 2010a).
8 L’énergie primaire est estimée à partir de l’énergie finale, elle-même issue des consommations statistiques (voir plus loin).
9 Par rapport à une moyenne de 5.6 t/pers/an ces vingt dernières années selon les données de l’Office fédéral de l’environnement - OFEV (annexe 3).
Cette notion d’énergie brute permet de prendre en compte les pertes de transformations de la production de l’électricité sur le territoire national (par exemple, un facteur trois est appliqué à l’électricité d’origine nucléaire), ainsi que certains rendements concernant les énergies renouvelables (par exemple 40% pour les capteurs thermique solaires – CSE, 2011 [en ligne]). L’énergie brute peut être utilisée pour comptabiliser les pertes de transformations de la production électrique issue des installations thermiques (fossiles et nucléaires). Concernant les nouvelles énergies renouvelables – encore minoritaire dans le bilan global – la comptabilisation de leur énergie brute sera rediscutée dans le chapitre 4.
La consommation finale (ou énergie finale) se situe « à la fin de la chaîne commerciale » (OFEN, 2010a).
Depuis 1990, les statistiques prennent en compte la consommation d’énergie renouvelable non commercialisée (par exemple la chaleur des capteurs solaires ou des pompes à chaleur). L’OFEN définit qu’ « ainsi, est dite finale l’énergie achetée (ou autoproduite) pour un usage déterminé », comme le courant pour s’éclairer ou l’essence pour faire avancer la voiture.
Schématiquement, on peut représenter le flux d’énergie à travers le système énergétique suisse comme suit (Figure 1 – PFEIFFER A. et al., 2005) :
Figure 1 : flux d’énergie à travers le système énergétique suisse (PFEIFFER A. et al., 2005)
La partie droite (en blanc) représente les flux dans les frontières nationales et correspond statistiquement aux flux de l’énergie brute vers l’énergie finale pour les consommateurs (hors biens et services « matériels » importés - en vert). La partie gauche de la figure (en orange) représente l’énergie primaire d’un pays comme la Suisse, qui n’est pas calculée statistiquement mais peut être estimée selon différentes méthodes. Cette sorte d’« énergie grise » est rajoutée à l’énergie brute, avec un taux pour la Suisse variant selon les sources entre 25% (PFEIFFER A. et al., 2005 ; SPRENG D., 2005) et 80% (cité dans PSI, 2007), cette dernière source nous paraissant très incertaine. Elle est en effet basée sur l’empreinte écologique selon des hectares globaux, en répartissant les importations et exportations d’un pays selon son intensité énergétique et en lui assignant un équivalent CO2
L’énergie dite primaire de 5’000 W/hab du concept de la société à 2’000W (NOVATLANTIS, 2005) ne prend donc pas en compte l’énergie grise des biens et services importés. Pour mesurer l’énergie primaire réelle, il faudrait rajouter à l’énergie brute suisse l’énergie dépensée dans les autres pays pour la production de ces biens et services, tout en déduisant cette énergie dans lesdits pays. A l’inverse, l’énergie dépensée pour les biens et services exportés de Suisse devraient être soustraits des statistiques suisses. Mais la difficulté, voir l’impossibilité de calculer cette énergie primaire réelle pour une région donnée
correspondant à une empreinte en hectares globaux (MONFREDA C. et al., 2004 ; HUIJBREGTS M.A.J. et al., 2008).
10, amène à se poser des questions sur l’utilisation concrète et opérationnelle de ce concept de société à 2000W. Nous y reviendrons dans le chapitre 4.
10 Au vu de l’interconnexion et de la vitesse d’échanges des biens et des services.
Pour expliciter cette problématique, on trouvera dans le Tableau 1 ci-dessous, l’exemple des statistiques suisses (issues du conseil suisse de l’énergie) concernant l’énergie brute et finale (CSE, 2011 [en ligne]) et intégrant les différents facteurs de conversion d’énergie finale en énergie primaire, issus des concepteurs de la société à 2000W (annexe 6.1 de NOVATLANTIS, 2006) :
SUISSE : Moyenne 1990-2009 Energie primaire
Energie brute
Energie finale
W/hab W/hab W/hab
Bois 161 136 134
Pétrole 2876 2349 2212
Gaz 507 434 406
Electricité11 2383 1656 822
Hydroélectrique 704 563 563
Nucléaire 1389 1158 386
Autres énergie renouvelables nd12 36 31
Soldes énergies (charbon, déchets) nd 202 139
TOTAL 6’16513 4’812 3’744
Tableau 1 : statistiques suisses de l’énergie en W/hab (annexe 3)
11 Y compris les soldes d’import/export électrique, rendant impossible la comparaison directe avec la somme hydroélectrique plus nucléaire.
12 Non déterminé en raison de la problématique de la comptabilisation des énergies renouvelables et des déchets- ressources (voir chapitre 4).
13 Autres énergies renouvelables et solde énergie considéré comme équivalent à l’énergie brute pour la somme de l’énergie primaire.
Ce tableau mérite quelques commentaires :
• Les 5'000 W/hab actuels correspondent à de l’énergie brute. D’ailleurs, la période 1990- 2009 montre que cette unité relative (par habitant) est à peu près constante et que l’augmentation de la consommation s’est donc déroulée en parallèle à l’augmentation de la population (annexe 3).
• Le passage de l’énergie finale à l’énergie primaire correspond à un facteur moyen de 1.65 ;
• Le passage de l’énergie finale à l’énergie brute correspond à un facteur moyen de 1.29 ;
• Le passage de l’énergie brute à l’énergie primaire correspond à un facteur moyen de 1.28 ;
• La comptabilisation en énergie brute ou primaire est très pénalisante pour l’électricité thermique, spécialement l’électricité nucléaire en suisse : sa contribution relative passe de 10% (énergie finale) à 23% (énergie primaire), faisant passer la somme de l’électricité primaire au-delà de 2000W;
La réalité physique de cette énergie primaire est difficile à évaluer, étant donné que les facteurs de conversion proviennent d’analyses de cycles de vie divers et variés (ECOINVENT, 2011 [en ligne]), difficiles à interpréter au niveau local.
Le concept de société à 2000W paraît à première vue égalitaire (tout le monde a « droit » à 2000 Watts), mais elle cache de l’inéquitable entre les différentes catégories de population dans une société et entre les sociétés. A partir des statistiques internationales de l’AIE, Spreng a calculé la valeur moyenne actuelle et la valeur estimée des 10% les plus riches et des 10% les plus pauvres (Figure 2 - SPRENG D., 2005).
Figure 2 : utilisation d’énergie en kW par habitant de différents pays (utilisation moyenne – points - et utilisation du premier et du dernier décile - traits) – SPRENG D., 2005
Il ressort clairement de cette figure que la moyenne nationale peut cacher de profondes inégalités de répartition de l’énergie, avec par exemple une valeur d’environ 2'500 W pour les moins riches et de 14'000 W pour les plus fortunés de Suisse.
Cela dit, l’intérêt de la société à 2000W « moyenne » réside dans le fait que, par son objectif très ambitieux mais de long terme et en unité relative, elle intègre l’augmentation probable de la population tout en bridant la consommation énergétique globale et en tenant compte de l’inertie du système énergétique et des infrastructures (objectif lointain à 2150).
Des choix sur le modèle d’habitation et sur le type de mobilité devront être faits collectivement pour augmenter l’efficacité, substituer les énergies fossiles par des renouvelable, voire même devenir plus sobres pour certaines prestations. Mais ce n’est pas la société à 2000W qui rendra notre société plus juste ou équitable.
1.3 Contexte français – facteur 4
La France a adopté depuis le rapport De Boissieu de 2006 le facteur 4, qui consiste à diviser par 4 les émissions de gaz à effet de serre (GES) d’ici 2050 (base 1990). Il s’agit d’une adaptation restrictive du facteur 4 originel, concept plus large introduit en 1997 dans un rapport du club de Rome, qui concernait un objectif relatif (contenu du PIB en ressources naturelles) (DE BOISSIEU C. et al., 2006).
Il s’agit donc d’abord d’un objectif de politique climatique générale pris comme un engagement moral par la France sur la scène internationale, mais dont 70% concerne aussi la politique énergétique (DE BOISSIEU C. et al., 2006). Il est clairement explicité que les clés du succès seront
« l’essor du nucléaire, les énergies renouvelables et les économies d’énergie » (DE BOISSIEU C. et al., 2006). On peut souligner que cet objectif très contraignant pour les émissions de CO2
Cette notion générale de facteur 4 a été reprise dans les principes du Grenelle de l’environnement dès 2007 et est détaillée dans différentes mesures de la première loi Grenelle : normes restrictives pour les nouveaux bâtiments, incitation à l’établissement par les collectivités territoriales de plans d’actions climat-énergie
ne l’est pas vraiment quant à la limitation de la consommation d’énergie primaire, dans un pays où la production électrique est très centralisée et issue à 75% de la filière nucléaire.
14, objectif d’une production d’énergies renouvelables représentant 23% de la consommation d’ici 2020, etc… (MEEDDM, 2009). Ce facteur 4 n’est pas pris en compte de manière détaillée dans ce travail.
14 L’établissement de plan climat-énergie territorial (PCET) est depuis devenu une obligation pour les collectivités territoriales de plus de 50'000 habitants dans l’article 75 de la loi Grenelle 2 (RAC, 2011 [en ligne]).
