Dossier : Énergie et ressources naturelles

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L'intime relation entre l'énergie et l'eau

L’eau est une ressource indispensable dans la plupart des filières énergétiques. Elle est utilisée dans la génération d'électricité pour refroidir les centrales, dans l'extraction des énergies fossiles, dans le raffinage du pétrole et aussi dans l'irrigation des cultures destinées à la production de biocarburants. Une gestion durable de cette eau est nécessaire, alors même que le « stress hydrique » de la planète est déjà accentué par l’augmentation de la population et par les effets du réchauffement climatique.

Image d'ouvriers sur un chantier d'exploitation d'hydrocarbures de schiste à Watford City, dans le Dakota du Nord (États-Unis).
L'eau est indispensable dans les forages pétroliers. Sur la photo, un chantier d'exploitation d'hydrocarbures de schiste à Watford City dans le Dakota du Nord (États-Unis). ©ANDREW BURTON / GETTY IMAGES NORTH AMERICA / AFP

La distinction entre prélèvement et consommation

L’Homme prélève sur la planète des quantités massives d’eau pour assurer ses activités. L’agriculture est le secteur le plus exigeant, avec deux-tiers du total. Viennent ensuite les besoins en eau potable et en eaux destinées aux industries. Les opérations liées spécifiquement à l’énergie mobilisent 10 % de la quantité totale utilisée par l’Homme, selon les estimations de l’AIEL'AIE (IEA en anglais) est une agence autonome au sein de l'OCDE, créée en 1974 lors du premier choc pétrolier... (Agence internationale de l‘énergie)1. Mais cette proportion de 10 % va s’accroître d’ici 2040. 

400 milliards de m3 : la quantité d’eau prélevée par les industries de l’énergie, soit 10 % du total utilisé par l’Homme sur la planète.

Dans l’utilisation de l’eau, il faut bien distinguer le « prélèvement » de la « consommation » elle-même. 

Dans le premier cas, l’eau est prélevée dans un milieu naturel puis rendue à ce même milieu, soit sans modification (après avoir servi à un refroidissement de centrale par exemple), soit après un retraitement si sa composition a été affectée. 

La consommation quant à elle est définie comme le prélèvement dans un milieu naturel et le  bassin où elle s’évapore ou qui est injectée dans le sous-sol sans être récupérée. Il y a dans ce cas disparition de l’eau du milieu naturel d’où elle provient. 

Il faut à l’inverse noter que certains processus peuvent conduire à une production d’eau. C’est le cas dans les exploitations d’hydrocarburesLes hydrocarbures sont des composés chimiques dont les molécules sont constituées d'atomes de carbone et d'hydrogène... où de l’eau présente dans le sous-sol est remontée à la surface. Cette « production d’eau » est en moyenne supérieure à celle des hydrocarbures. 

Cette différence entre prélèvement et consommation est très marquée selon les filières.

La production d’électricité à partir des énergies fossiles et du nucléaire exige des prélèvements massifs : 342 milliards de men 2014. Mais 325 milliards de msont restitués au milieu naturel, la différence étant essentiellement due à de l’évaporation.

La production des énergies primaires (charbon, pétrolePétrole non raffiné., gaz, biocarburantsUn biocarburant est un carburant produit à partir de matières végétales ou animales...) prélève des quantités plus modestes (47 milliards de m3) mais en restitue très peu (16 milliards). Au total, donc, elle « consomme » plus que la production d’électricité.

Les différents usages

L’hydraulique : les centrales hydroélectriques ne prélèvent ni ne consomment d’eau (mis à part l’évaporation accrue des lacs de retenue). Elles extraient l’énergie des flux d’eau qu’elles canalisent, sans les modifier.

La géothermieLe terme géothermie désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes au globe terrestre... : l’eau chaude des nappes souterraines profondes est utilisée pour produire de la vapeur. La vapeur refroidie est réinjectée dans le sous-sol, constituant un circuit fermé, avec donc peu de pertes.

Les centrales thermiques : elles ont toutes besoin d’eau pour le refroidissement de la vapeur qui fait tourner les turbines productrices d’électricité. 

Les centrales nucléaires sont celles qui prélèvent le plus (dans des rivières ou dans la mer). L’eau circule dans un circuit secondaireDans une centrale nucléaire, le réacteur comprend 3 circuits (primaire, secondaire et refroidissement)... isolé du réacteur et est rendue à la nature, après avoir été ramenée à une température qui n’affecte pas l’écosystème.

Les centrales à charbon étant de loin les plus nombreuses, ce sont celles qui mobilisent au total le plus d’eau sur la planète.

Les centrales solaires thermodynamiques, c’est-à-dire celles dont les miroirs paraboliques captent la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... du soleil, sont également gourmandes en eau : c’est un problème car elles sont souvent situées dans des zones arides ou semi-arides. 

L’éolien et le photovoltaïque : ces deux énergies consomment très peu d’eau, hormis celle nécessaire à la fabrication des cellules solaires (leur lavage exige une eau très pure, qui circule généralement en circuit fermé).

Les biocarburants : produits à partir de végétaux, ils exigent des volumes très importants d’eau pour l’irrigation. Les biocarburants représentent ainsi en 2014 le quart de la consommation d’eau consacrée à l’énergie, à savoir plus que le charbon, plus que le pétrole, et bien plus que le gaz. Voir encadré. 

Le cas des hydrocarbures 

Les industries pétrolière et gazière exigent de l’eau aux différentes étapes, notamment lors du forageUn forage consiste à creuser un trou dans le sous-sol grâce à une machine adaptée... des puitsDésigne la cavité cylindrique creusée dans le sous-sol par un forage.... Mais c’est surtout l’exploitation du gisementUn gisement est une accumulation de matière première (pétrole, gaz, charbon, uranium, minerai métallique, substance utile…)... pétrolier qui est consommateur. Quand la pression est forte dans le réservoir, les hydrocarbures sortent facilement du puits. Mais, si la pression diminue, il faut injecter de l’eau. Celle-ci se positionne en dessous des hydrocarbures et les pousse vers la surface. 

Avec le temps, le champ pétrolier franchit son optimum, devient « mature » et produit à la fois du pétrole et de l’eau, celle déjà présente dans le réservoir et celle injectée. La moyenne mondiale de tous les puits se situe à un rapport de 1 barilUnité de mesure de volume de pétrole brut qui équivaut à environ 159 litres (0,159 m3)... d’huile pour 3 barils d’eau. Un puits mature peut produire 10 barils d’eau pour 1 baril d’huile. Certaines compagnies se sont spécialisées dans les champs en fin de vie d’où l’on retire jusqu’à 96 % d’eau ! 

L’eau injectée, provenant de rivières ou d’aquifèresUn aquifère est une formation géologique (ou une roche) réservoir contenant une nappe d'eau souterraine... pour les exploitations à terre, ou directement de la mer dans les installations offshoreTerme anglais désignant les zones et les opérations d'exploration ou d'exploitation pétrolières en mer..., doit être préalablement traitée. Il faut la débarrasser notamment de ses sulfates, qui pourraient affecter la perméabilitéLa perméabilité d'une roche désigne la capacité des fluides à se déplacer dans cette roche... du gisement, et de son oxygène, qui pourrait entraîner un développement bactérien et de la corrosionAltération d'un matériau sous l'effet de facteurs physiques ou physico-chimiques.... L’eau que l’on récupère (appelée eau de production) est sous forme d’émulsion dans l’huile et d’une qualité très dégradée, souvent corrosive. Elle est retraitée pour être soit réinjectée dans le sous-sol, soit rejetée dans le milieu naturel2.  

Un puits de pétrole produit généralement 3 barils d’eau pour 1 baril d’huile (moyenne mondiale).

Les huiles de schiste et les sables bitumineux

La fracturation hydrauliqueSynonyme de fracturation artificielle., utilisée pour récupérer les hydrocarbures de schiste, est marquée au démarrage par une phase aiguë de consommation d’eau. Il faut en effet injecter de l’eau sous pression pour casser la roche mèreUne roche mère est une roche sédimentaire riche en matière organique qui s'est déposée en conditions marines profondes ou lacustres... qui retient le méthane. Celle-ci circule ensuite dans le gisement et une partie – qui se mélange à celle du sous-sol - est récupérée. Il y a donc une forte utilisation instantanée, puis le besoin s’estompe. 

Dans les sables bitumineux ou bitumeuxOn appelle ainsi des gisements pétroliers non conventionnels contenant du pétrole extra-lourd extrêmement visqueux..., le défi est de gérer les grands bassins de décantation (« tailing ponds ») où est déposée l’eau de lavage des sables. Plus de 90 % de l’eau peut être recyclée mais les bassins mettent des décennies à s’assécher. La fraction non volatile reste sur place. Souvent de vaste superficie, ces « tailing ponds » affectent localement les écosystèmes.

L’aval de l’exploitation : le raffinage

Les raffineries ont besoin d’eau pour le lavage initial du pétrole brut, pour la production de la vapeur et pour les circuits de refroidissement. Les eaux dites de « procédé » sont retraitées par des techniques physico-chimiques (décantation ou flottationProcédé de séparation de particules solides basé sur un contraste de comportement dans un récipient ou bac rempli d'eau...) ou biologiques (par l’utilisation de bactéries qui attaquent les hydrocarbures). Des économies importantes dans l’utilisation ont été réalisés : selon l’IFP-Energies nouvelles (IFPEN), la consommation moyenne d’une raffinerieUne raffinerie de pétrole est une installation industrielle dans laquelle on transforme le brut en produits pétroliers adaptés à différentes... est passée de plusieurs m3 par tonne de brut dans les années 1980 à une fourchette de 200 à 800 litres par tonne aujourd’hui3.

 

 

Les chiffres des prélèvements et consommations (2014)

 

Tableau Les prélèvements et consommations 2014

 

Source AIE

 

Les prélèvements et consommation
Les prélèvements d’eau effectués par les filières de l’énergie représentent 10 % du total des prélèvements. Mais compte tenu des restitutions aux milieux naturels, la consommation d’eau liée à l’énergie représente 3 % de la consommation mondiale.

En France, près de 60 % des volumes prélevés servent à refroidir les centrales de production d’électricité, notamment nucléaires, le reste étant réparti entre les besoins en eau potable et sanitaire (18 %), l’irrigation (15 %), et l’industrie (9 %).

 

Sources :

(1) Agence international de l’énergie (AIE)  – Water-Energy nexus (en anglais uniquement)

(2) Les compagnies pétrolières se sont regroupées au sein d’un organisme pour analyser et réduire les impacts environnementaux de leurs activités, l’IPIECA.

(3) Voir étude « L’eau dans la production des carburants » de l'IFP-EN