Dossier : Comprendre l’électricité

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Décryptages

La production de l’électricité et ses émissions de CO2

Produire de l’électricité nécessite une source d’énergie primaire : charbon, gaz, uranium, soleil, vent ou eau… Indispensable à l’industrie, aux bâtiments et à tous les aspects de la vie quotidienne, l’électricité, en raison de ses modes de production, est aussi la principale responsable des émissions mondiales de CO2. Le choix des technologies sera déterminant pour les maîtriser car, aux deux extrêmes, entre le charbon et une énergie renouvelable, l’impact carbone de la production d’électricité varie de… 1 à 20 !

Les usages de l'électricité sont multiples : dans l'industrie, l'habitat, les transports... Ici le tramway de Toulouse, dans le sud de la France. ©EDF / GROLLIER PHILIPPE

Le courant électrique est créé par un déplacement d’électronsLa matière est composée d'atomes. Un atome comporte un noyau formé de protons (particules de charge électrique positive) et de neutrons.... Pour le produire, la technologie la plus répandue reste la conversion d’un mouvement mécanique en énergie électrique, c’est-à-dire la rotation d’une turbine, par exemple reliée à un alternateur qui en tournant agit comme un aimant et attire les électrons. Généralement, la turbine est mise en rotation par de la vapeur d’eau, chauffée par différents types de centrales qui utilisent des énergies fossiles ou actionnée par des énergies renouvelablesOn appelle énergie renouvelable une source d'énergie dont le renouvellement naturel est immédiat ou très rapide... (vent, eau).

41 % : la part des émissions de CO2 dues à la production d’électricité.

Les différents modes de production

Les centrales les plus répandues et les moins chères à construire sont les centrales thermiques à flamme, qui brûlent des énergies fossiles (charbon, pétrolePétrole non raffiné. ou gaz naturel) ou de la biomasseDans le domaine de l'énergie, la biomasse se définit par l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale... (déchets ménagers ou végétaux). Les centrales à charbon sont les plus nombreuses : elles produisent aujourd’hui plus de 40 % de l’électricité mondiale. Ce sont aussi celles qui émettent le plus de CO2Dioxyde de carbone. Avec la vapeur d'eau, c’est le principal gaz à effet de serre (GES) de l'atmosphère terrestre... par kWh produit. De grands pays comme la Chine ou l’Inde utilisent essentiellement des centrales à charbon pour produire leur électricité.

Les centrales nucléaires utilisent la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... produite par la fission des atomesL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique... d’uraniumMétal gris, très dense et radioactif, l'uranium est un élément relativement répandu dans l'écorce terrestre et l'eau des océans... 235 ou de plutonium 239. D’autres se servent de la chaleur du soleil, concentrée par des miroirs (centrales solaires thermiques).

Mais d’autres sources d’énergie mécanique peuvent également actionner des turbines : l’eau et le vent. Les centrales hydrauliques utilisent la force de l’eau (chutes d’eau naturelles ou créées par un barrage, marées, courants). Les éoliennes, avec leurs immenses pales, captent la force du vent pour faire tourner les turbines qui leur sont reliées. On appelle centrales éoliennes des champs regroupant plusieurs machines, généralement entre 5 et 50.

Plusieurs technologies émergentes exploitent l’énergie des mers. L’énergie de la houle des vagues, dite houlomotrice, est captée par différents dispositifs, comme de grosses bouées qui montent et descendent ou encore de grands tubes posés à la surface de la mer. Des hydroliennes, sorte d’éoliennes sous-marines, tournent sous l’effet des courants marins. D’autres technologies tentent d’exploiter les différences de températures aux diverses profondeurs de l’océan.

Enfin les centrales solaires photovoltaïques, composées de panneaux solaires (recouverts d’un matériau semi-conducteurUn semi-conducteur est un matériau dont la capacité à conduire l’électricité (la conductivité), initialement faible, peut augmenter en fonction de certains facteurs..., comme le siliciumLes cristaux de silicium sont issus de la silice, principal composant du sable et du quartz. Le silicium est un matériau semi-conducteur.) convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Il ne faut pas confondre cette technologie avec celle des centrales solaires thermiques, qui utilisent essentiellement la chaleur du soleil pour actionner des turbines.

Une centrale à charbon émet 40 fois plus de CO2 qu’une centrale hydraulique.

Production doublée en 2040 ?

La production électrique mondiale ne cesse de croître : elle a atteint 23 318 térawatts-heure (1012 watts-heure) en 2013, trois fois plus qu’en 19731. Sur ce total, 41 % est produit par des centrales à charbon, 22 % par des centrales à gaz, 16 % par l’hydroélectricité, 11 % par des centrales nucléaires, 4 % par des centrales utilisant du pétrole et seulement 6 % par des énergies renouvelables (géothermieLe terme géothermie désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes au globe terrestre..., éolien, solaire, biomasse) qui progressent mais restent encore marginales.

La Chine est la première puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps... productrice d’électricité (24 % du total mondial), suivie des États-Unis (18,3 %), de l’Inde (5,1 %), de la Russie (4,5 %), et du Japon (4,5 %). Viennent ensuite le Canada, l’Allemagne, le Brésil, la France et la Corée du Sud.

Conséquence de l’accroissement de la population et du développement économique, les besoins en électricité montent en flèche : la production mondiale croît de 2,2 % par an et devrait donc doubler d’ici 20402. Encore plus vite que la consommation d’énergie primaireL’énergie primaire désigne l’ensemble des sources d’énergie non transformées, c’est-à-dire à l’état naturel... qui n’augmenterait elle que de 47 %. L’Inde et la Chine devraient notamment gonfler leur production de respectivement +261 % et +177 % d’ici 2030.

L’électricité est essentielle aux ménages et aux entreprises. Le secteur résidentiel et commercial, incluant l’agriculture et les services publics, absorbe 56,2 % de la production électrique. Une électricité qui nourrit appareils ménagers et électroniques, télévisions, éclairage, chauffage, air conditionné, etc. L’industrie, avec ses moteurs électriques, ses serveurs informatiques qu’il faut refroidir et ses usines, en utilise 42,3 %. Enfin les transports, plutôt consommateurs d’essence ou de dieselLe diesel est avant tout le nom d'un moteur à combustion interne fonctionnant par allumage spontané... ne consomment encore aujourd’hui que 1,5 %.

Electricité et gaz à effet de serre

La production totale d’électricité est responsable de 42,5 % des émissions mondiales de CO2. 73 % de ces émissions proviennent des centrales à charbon.

Ainsi, par kilowatt-heure (kWh) produit, une centrale à charbon émet 950 g de CO2, contre 350 g pour une centrale au gaz3. Pour les énergies renouvelables telles que l’hydraulique, l’éolien et le solaire photovoltaïque ou thermique, les seules émissions de CO2 sont celles liées à la construction des installations. Ainsi un kWh de solaire photovoltaïque émet entre 60 et 150 g de CO2 selon le lieu de fabrication des panneaux photovoltaïquesUn panneau solaire photovoltaïque, ou module photovoltaïque, est un assemblage de cellules photovoltaïques reliées entre elles..., un kWh éolien 3 à 22 g et 1 kWh hydraulique 4 g. Quant au nucléaire, même en tenant compte du futur démantèlement des centrales vieillissantes, 1 kWh ne représente que 6 g de CO2… qui sont à comparer aux 950 g des centrales à charbon !

La production tirée d’énergies renouvelables est beaucoup plus neutre pour l’environnement et quasi inépuisable. Pour cette raison, elle attire les nouveaux investissements. En 2015, pour la première fois, les investissements dans les centrales à base d’énergies renouvelables (266 milliards de dollars) ont représenté plus du double de ceux dans les centrales au charbon et au gaz (130 milliards de dollars)4.

Le nucléaire est peu émetteur de CO2 mais certains pays le rejettent, de peur des accidents nucléaires et des déchets radioactifs, surtout depuis l’accident de la centrale de Fukushima au Japon en 2011. À l’inverse, des pays comme le Royaume-Uni ou la Chine investissent massivement dans des centrales nucléaires de nouvelle génération. La France a, quant à elle, un mix de production électrique faiblement émetteur de CO2 grâce à l’importance de son parc nucléaire et hydraulique.