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Les coûts cachés d'un réseau " vert "
Les subventions, les avantages fiscaux et les mandats peuvent cacher les coûts réels, mais lorsqu'ils s'accumulent en quantité suffisante, l'effet devrait être visible dans les coûts globaux du système. Et il l'est. En Europe, les données montrent que plus la part de l'éolien et du solaire est élevée, plus le coût moyen de l'électricité du réseau est élevé (Figure 3).
L'Allemagne et la Grande-Bretagne, bien avancés sur le chemin des "énergies nouvelles", ont vu les tarifs moyens de l'électricité augmenter de 60 à 110 % au cours des deux dernières décennies[37]. La même tendance - plus d’éolien et de solaire et des factures d'électricité plus élevées - est visible en Australie et au Canada[38].
Étant donné que la part de l'énergie éolienne par habitant aux États-Unis ne représente encore qu'une petite fraction de celle de la majeure partie de l'Europe, les répercussions sur les coûts pour les contribuables américains sont moins spectaculaires et moins visibles. Néanmoins, les coûts moyens de l'électricité résidentielle aux États-Unis ont augmenté d'environ 20 % au cours des 15 dernières années[39]. Cela n'aurait pas dû être le cas. Les tarifs moyens d'électricité auraient dû baisser, pas augmenter. Voici pourquoi : le charbon et le gaz naturel ont fourni ensemble environ 70 % de l'électricité sur cette période de 15 ans[40]. Le prix du combustible représente environ 60 % à 70 % du coût de production de l'électricité à partir des hydrocarbures[41]. C’est ainsi qu’environ la moitié du coût moyen de l'électricité américaine dépend des prix du charbon et du gaz. Le prix de ces deux carburants a baissé de plus de 50% au cours de cette période de 15 ans. En particulier, les coûts des fournisseurs pour l'achat de gaz et de charbon ont diminué d'environ 25 % rien qu’au cours de la dernière décennie. En d'autres termes, les économies réalisées grâce à la révolution du gaz de schistes ont considérablement préservé les consommateurs, jusqu'à présent, de hausses tarifaires encore plus importantes.
L'utilisation accrue du vent et du soleil impose un certain nombre de coûts cachés liés à la physique qui sont rarement reconnus dans la comptabilité des services publics ou du gouvernement. Par exemple, lorsque de grandes quantités d'électricité sont produites rapidement, de façon répétée et de façon imprévisible, le défi et les coûts associés à l’" équilibrage " d'un réseau (c.-à-d. l'empêcher de tomber en panne) sont grandement accrus. Les analystes de l'OCDE estiment qu'au moins certains de ces coûts " invisibles " imposés au réseau ajoutent 20% à 50% au coût du kilowattheure distribué [42].
De plus, le transfert du rôle des centrales électriques du réseau existantes de la production primaire à la production de secours pour l'énergie éolienne et solaire entraîne d'autres coûts réels, mais non répartis, qui découlent de réalités physiques. L'augmentation du cycle des centrales électriques conventionnelles augmente les coûts d'usure et d'entretien. Elle réduit également l'utilisation de ces actifs coûteux, ce qui signifie que les coûts d'investissement sont répartis sur moins de kWh produits, augmentant de façon arithmétique le coût de chacun de ces kilowattheures[43].
Ensuite, si la part de la puissance intermittente devient importante, le risque de pannes complètes du système augmente. Cela s'est produit deux fois après que le vent se soit calmé de façon inattendue (certains clients sont restés dans le noir pendant des jours dans certaines régions) dans l'État de l'Australie-Méridionale, qui tire plus de 40 % de son électricité du vent[44].
Après une panne totale du système en Australie-Méridionale en 2018, Tesla, avec beaucoup de tapage médiatique, a installé sur ce réseau la plus grande " ferme " de batteries au lithium au monde [45]. Pour que l'Australie-Méridionale reste éclairée pendant une demi-journée sans vent, il faudrait 80 parcs de batteries Tesla, les " plus grands " du monde, sur un réseau qui dessert seulement 2,5 millions de personnes.
Les ingénieurs ont d'autres moyens d'atteindre la fiabilité : ils peuvent utiliser des génératrices diesel géantes à l'ancienne comme moteur de secours (moteurs essentiellement les mêmes que ceux qui propulsent les navires de croisière ou qui sont utilisés pour la sauvegarde des centres de données). Sans fanfare, en raison de l'utilisation croissante de l'énergie éolienne, les services publics américains ont installé à rythme effréné des génératrices sur le réseau. Il compte maintenant plus de 4 milliards de dollars de génératrices à moteur à l'échelle industrielle (assez pour environ 100 navires de croisière), et beaucoup plus à venir. La plupart brûlent au gaz naturel, bien qu'un grand nombre d'entre eux soient alimentés au mazout. Trois fois plus de ces gros moteurs alternatifs ont été ajoutés au réseau américain au cours des deux dernières décennies qu'au cours du demi-siècle précédent[46].
Tous ces coûts sont réels, sans être attribués aux éoliennes ou aux génératrices solaires. Mais les consommateurs d'électricité les paient. Une façon de comprendre ce qui se passe : gérer des réseaux avec des coûts cachés imposés aux joueurs non favorisés reviendrait à imposer des frais aux automobilistes pour l'usure des routes causée par les camions lourds tout en subventionnant le coût du carburant de ces camions.
La question de l'énergie éolienne et solaire se résume à un point simple : leur utilité n'est pas pratique à l'échelle nationale en tant que source principale ou majeure d’électricité. Comme pour toute technologie, il est possible de repousser les limites de l'utilisation pratique, mais cela n'est généralement ni raisonnable ni rentable. Les hélicoptères offrent une analogie instructive.
Le développement d'un hélicoptère pratique dans les années 1950 (quatre décennies après son invention) a inspiré une hyperbole généralisée sur cette technologie révolutionnant le transport personnel. Aujourd'hui, la fabrication et l'utilisation d'hélicoptères est une industrie de niche de plusieurs milliards de dollars qui fournit des services utiles et souvent vitaux. Mais on n'utiliserait pas davantage des hélicoptères pour les voyages réguliers dans l'Atlantique - ce qui serait faisable avec une logistique élaborée - qu‘un réacteur nucléaire pour alimenter un train ou des systèmes photovoltaïques pour alimenter un pays.
Les batteries ne peuvent pas sauver le réseau ni la planète
Les batteries sont un élément central des aspirations de la nouvelle économie énergétique. Cela révolutionnerait en effet le monde de trouver une technologie qui pourrait stocker l'électricité aussi efficacement et à moindre coût que, par exemple, le pétrole dans un baril ou le gaz naturel dans une caverne souterraine[47] Un tel matériel de stockage d'électricité rendrait inutile même la construction de centrales électriques nationales.
On pourrait imaginer une OKEC (Organisation des pays exportateurs de kilowattheures) qui expédierait des barils d'électrons dans le monde entier à partir des pays où le coût de remplissage de ces "barils" est le plus bas ; des panneaux solaires au Sahara, des mines de charbon en Mongolie (hors de portée des régulateurs occidentaux), ou les grands fleuves du Brésil.
Mais dans l'univers dans lequel nous vivons, le coût du stockage de l'énergie dans des batteries à l'échelle du réseau est, comme nous l'avons déjà mentionné, environ 200 fois plus élevé que le coût du stockage du gaz naturel pour produire de l'électricité quand il est nécessaire[48]. C'est pourquoi nous stockons, à un moment donné, l'équivalent de mois de consommation énergétique nationale sous forme de gaz naturel ou de pétrole.
Le stockage par batterie, c’est tout autre chose. Voyez Tesla, le fabricant de batteries le plus connu au monde : 200 000 $ de batteries Tesla, pesant ensemble plus de 9 tonnes, sont nécessaires pour stocker l'équivalent énergétique d'un baril de pétrole[49]. Un baril de pétrole pèse autour de 130 kg et peut être stocké dans un baril à 20 $. Telles sont les réalités des batteries au lithium d'aujourd'hui. Même une amélioration de 200 % de l'économie et de la technologie sous-jacentes des batteries ne comblera pas un tel écart.
Néanmoins, les décideurs politiques en Amérique et en Europe adoptent avec enthousiasme des programmes et des subventions visant à accroître considérablement la production et l'utilisation des batteries à l'échelle du réseau électrique[50]. Des quantités stupéfiantes de batteries seront nécessaires pour maintenir sous tension les réseaux nationaux, et l'extraction minérale requise pour obtenir les matières premières sous-jacentes serait énorme. Pour les États-Unis du moins, compte tenu de l'endroit où les matériaux sont extraits et où les batteries sont fabriquées, les importations augmenteraient radicalement. Voici une perspective sur chacune de ces réalités.
Combien de batteries faudrait-il pour éclairer la nation ?
Un réseau entièrement basé sur le vent et le soleil nécessite d'aller au-delà de la préparation à la variabilité quotidienne normale du vent et du soleil ; cela signifie aussi se préparer à la fréquence et à la durée des périodes où il y aurait non seulement beaucoup moins de vent et de lumière solaire combinés, mais aussi pour les périodes où il n'y aurait ni de l’un ni de l’autre. Bien qu'elle soit rare, une telle combinaison d'événements - couverture nuageuse continentale de jour sans vent important nulle part, ou nuit sans vent - s'est produite plus d'une douzaine de fois au cours du dernier siècle - de fait, une fois par décennie. Dans ces cas-là, un réseau éolien/solaire combiné ne pourrait pas produire même une fraction infime des besoins en électricité du pays. Il y a également eu de fréquentes périodes d'une heure pendant lesquelles 90 % de l'approvisionnement national en électricité aurait disparu[51].
Alors, combien de batteries seraient nécessaires pour stocker, disons, non pas deux mois, mais deux jours d'électricité pour le pays ? L'usine Tesla "Gigafactory" de 5 milliards de dollars au Nevada est actuellement la plus grande usine de fabrication de batteries au monde[52]. Sa production annuelle totale pourrait stocker trois minutes de la demande annuelle d'électricité aux États-Unis. Ainsi, pour fabriquer une quantité de batteries permettant de stocker l'équivalent de deux jours de demande d'électricité aux États-Unis, il faudrait 1 000 ans de production de la Gigafactory.
Les défenseurs de l'éolien et du solaire proposent de minimiser l'utilisation de la batterie avec des lignes de transmission extrêmement longues, en faisant remarquer qu'il y a toujours du vent ou du soleil quelque part. Bien que théoriquement réalisable (quoique pas toujours vérifié, même au niveau géographique national), la durée de transmission nécessaire pour atteindre un endroit "toujours" ensoleillé et venteux pose également d'importants problèmes de fiabilité et de sécurité. (Et le transport d'énergie sur de longues distances par fil est deux fois plus coûteux que le transport par pipeline)[53].
La construction de quantités massives de batteries aurait des implications épiques pour l'exploitation minière
L'une des principales raisons de la recherche d'une nouvelle économie de l'énergie est de réduire les inconvénients environnementaux de l'utilisation des hydrocarbures. Bien que l'accent soit mis aujourd'hui principalement sur les effets à long terme présumés du dioxyde de carbone, toutes les formes de production d'énergie impliquent diverses conséquences négatives non régulées inhérentes à l'extraction, au déplacement et au traitement des minéraux et des matériaux.
L'augmentation radicale de la production de batteries aura des conséquences considérables sur l'exploitation minière, ainsi que sur l'énergie utilisée pour extraire, traiter et déplacer les minéraux et l'énergie nécessaires au processus de fabrication des batteries lui-même. Environ 60 kilogrammes de batteries sont nécessaires pour stocker l'énergie équivalente à celle contenue dans un kilogramme d'hydrocarbures. [54]. Ces réalités sous-jacentes se traduisent par d'énormes quantités de minéraux - comme le lithium, le cuivre, le nickel, le graphite, les terres rares et le cobalt - qu'il faudrait extraire du sol pour fabriquer des batteries destinées aux réseaux et aux voitures[55].
Fonder notre avenir énergétique sur les batteries signifie un monde qui extrait des gigatonnes de matériaux supplémentaires[56]. Sans parler des gigatonnes de matériaux nécessaires pour fabriquer des éoliennes et des panneaux solaires[57].
Même sans une nouvelle économie énergétique, l'exploitation minière nécessaire à la fabrication des batteries absorbera bientôt le plus clair de la production de nombreux minéraux. Aujourd'hui, la production de batteries au lithium absorbe déjà environ 40 % et 25 %, respectivement de toute l'extraction du lithium et du cobalt[58]. Pour fonder l’avenir de l’énergie sur les batteries, il faudrait augmenter l'extraction minière mondiale de plus de 200 % pour le cuivre, d'au moins 500 % pour des minéraux comme lithium, graphite et terres rares, et bien plus encore pour le cobalt[59].
Il y a encore les hydrocarbures et l'électricité nécessaires pour entreprendre toutes les activités minières et pour fabriquer les batteries elles-mêmes. En gros, il faut l'équivalent énergétique d'environ 100 barils de pétrole pour fabriquer une quantité de batteries pouvant stocker l’énergie d’un seul baril de pétrole[60].
Compte tenu de l'hostilité réglementaire à l'exploitation minière sur le continent américain, un avenir énergétique fondé sur les batteries garantit pratiquement que l’exploitation minière augmentera ailleurs et que la dépendance américaine à l'égard des importations s’accentuera. La plupart des mines pertinentes dans le monde se trouvent au Chili, en Argentine, en Australie, en Russie, au Congo et en Chine. Notamment, la République démocratique du Congo produit 70 % du cobalt mondial et la Chine raffine 40 % de cette production pour le monde[61].
La Chine domine déjà l’industrie mondiale des batteries et est en bonne voie pour fournir près des deux tiers de toute la production d'ici 2020[62]. Quant à la pertinence pour l’objectif d’une nouvelle économie énergétique, 70 % du réseau chinois est aujourd'hui alimenté par le charbon et ce sera encore 50 % en 2040[63]. Cela signifie que, sur la durée de vie des batteries, il y aurait plus de dioxyde de carbone émis associés à leur fabrication que compensé en utilisant ces batteries pour remplacer, mettons, des moteurs à combustion interne[64].
Le passage des moyens de transport personnels des véhicules à combustion interne aux véhicules à batterie est un autre pilier central de la nouvelle économie de l'énergie. On s'attend à ce que les véhicules électriques (VE) non seulement remplacent les véhicules à essence, mais qu'ils servent aussi de stockage de secours pour le réseau électrique[65].
Les batteries au lithium ont finalement permis aux VE de devenir raisonnablement pratiques. Tesla, qui vend maintenant plus de voitures que Mercedes-Benz dans la catégorie de prix supérieure en Amérique, a donné le signal d’une ruée des constructeurs du monde entier pour produire des véhicules électriques attrayants[66], ce qui a encouragé les aspirations bureaucratiques à interdire totalement la vente de moteurs à combustion interne, notamment en Allemagne, France, Grande-Bretagne et, sans surprise, en Californie.
Une telle interdiction est difficile à imaginer. Les optimistes prévoient que le nombre de VE dans le monde passera de près de 4 millions aujourd'hui à 400 millions en deux décennies[67]. Un monde avec 400 millions de VE en 2040 réduirait la demande mondiale en pétrole d'à peine 6%. Cela semble contre-intuitif, mais les chiffres sont simples. Il y a aujourd'hui environ 1 milliard d'automobiles et elles utilisent environ 30 % du pétrole mondial[68] (les camions lourds, l'aviation, la pétrochimie, le chauffage, etc. utilisent le reste). En 2040, on prévoit environ 2 milliards de voitures dans le monde. Quatre cents millions de VE représenteraient 20 % de toutes les voitures en circulation, diminuant donc d’environ 6 % la demande pétrolière.
Quoi qu'il en soit, les batteries ne représentent pas une révolution dans la mobilité personnelle équivalente, disons, au passage du cheval et de la poussette à la voiture - une analogie qui a été évoquée[69]. Conduire un VE peut être davantage comparé à changer le fourrage pour les chevaux, fourrage qui sera importé.
La loi de Moore appliquée de travers
Face à toutes les réalités évoquées plus haut concernant les technologies vertes, les passionnés de la nouvelle économie de l'énergie estiment néanmoins que de véritables percées sont encore à venir, voire qu’elles sont inévitables. C'est qu’ils supposent que les technologies énergétiques suivront la même trajectoire que celle de l'informatique et des télécommunications ces dernières décennies. Le monde verra l'équivalent d'un Amazon ou d’un "Apple de l'énergie propre"[70].
Cette idée est séduisante en raison des progrès stupéfiants des technologies du silicium, que si peu de prévisionnistes avaient anticipés il y a quelques décennies. C'est une idée qui rendrait sans objet toute mise en garde selon laquelle éolien, solaire et batteries sont trop coûteux aujourd'hui - une telle prudence devrait être considérée comme insensée et à courte vue, comme l'affirmation vers 1980 que le citoyen moyen ne serait jamais en mesure de se payer un ordinateur. Ou encore comme dire en 1984 (l'année où le premier téléphone cellulaire au monde a été mis sur le marché), qu'un milliard de personnes posséderaient un téléphone cellulaire, alors qu'il coûtait à l’époque 9 000 $ en monnaie d’aujourd’hui. Il s'agissait d'une "brique" d’un kilogramme avec une autonomie de 30 minutes.
Les smartphones d'aujourd'hui sont non seulement beaucoup moins chers, ils sont encore beaucoup plus puissants qu'une unité centrale IBM de la taille d'une pièce d'il y a 30 ans. Cette transformation est due au fait que les ingénieurs ont constamment réduit la taille et le besoin en énergie des transistors et, par conséquent, ils ont pu doubler leur nombre par puce environ tous les deux ans. C’est la loi de Moore, du nom de Gordon Moore, cofondateur de Intel.
L'effet conjugué d’un tel progrès a effectivement provoqué une révolution. Au cours des 60 dernières années, la loi de Moore a vu l'efficacité de l'utilisation de l'énergie par les processeurs logiques s'améliorer de plus d'un milliard de fois[71]. Mais une transformation similaire dans la façon dont l'énergie est produite ou stockée n'est pas seulement improbable ; elle ne peut se produire avec la physique que nous connaissons.
Dans le monde des personnes, des voitures, des avions et des systèmes industriels à grande échelle, l'augmentation de la vitesse ou de la capacité de charge entraîne l'augmentation et non la réduction de la taille du matériel. L'énergie nécessaire pour déplacer une tonne de personnes, chauffer une tonne d'acier ou de silicium, ou faire pousser une tonne de nourriture est déterminée par des propriétés de la nature avec des limites fixées par les lois de la gravité, de l'inertie, du frottement, de la masse et de la thermodynamique.
Si les moteurs à combustion, par exemple, avaient connu le même genre de progrès que les ordinateurs depuis 1971 - l'année où le premier circuit intégré largement utilisé a été introduit par Intel- un moteur de voiture générerait une puissance mille fois supérieure tout en rapetissant à la taille d'une fourmi. Avec un tel moteur, une voiture pourrait voler, et très vite.
Si le photovoltaïque progressait suivant la loi de Moore, un seul panneau solaire de la taille d'un timbre-poste alimenterait l'Empire State Building. Si les batteries progressaient suivant la loi de Moore, une batterie de la taille d'un livre, coûtant trois centimes, pourrait alimenter le vol d’un A380 jusqu’en Asie.
Mais il n’y a que dans les bandes dessinées que la physique de la propulsion ou de la production d'énergie fonctionne de la sorte. Dans le monde réel, la puissance change avec l’échelle dans l'autre sens.
Un moteur de la taille d'une fourmi - qui a été construit - produit environ 100000 fois moins de puissance qu'une Prius. Une antenne solaire photovoltaïque de la taille d'une fourmi (également faisable) produit mille fois moins d'énergie que les muscles biologiques d'une fourmi. Pour obtenir l'équivalent énergétique du carburant d'aviation nécessaire à un avion à destination de l'Asie, il faudrait 60 millions de dollars de batteries Tesla, pesant cinq fois plus que cet avion[73].
Le défi du stockage et du traitement de l'information en utilisant la plus petite quantité d'énergie possible est différent de celui de la production d'énergie ou du déplacement ou du remodelage d'objets physiques. Les deux domaines mettent en jeu des lois physiques différentes.
Le monde de la logique est fondé sur le simple fait de connaître et de mémoriser l'état binaire d'un interrupteur, c'est-à-dire de savoir s'il est allumé ou éteint. Les processeurs logiques ne produisent pas d'action physique mais sont conçus pour manipuler l'idée des nombres zéro et un. Contrairement aux moteurs qui transportent des personnes, les moteurs logiques peuvent utiliser des logiciels pour faire des choses comme compresser l'information grâce à des mathématiques intelligentes et ainsi réduire la consommation d'énergie. Il n'existe pas d'options de compression comparables dans le monde des humains et du matériel.
Bien sûr, les éoliennes, les cellules solaires et les batteries continueront de s'améliorer considérablement en termes de coût et de performance, tout comme les appareils de forage et les turbines à combustion (un sujet qui sera abordé plus loin). Et, bien entendu, les technologies de l'information de la Silicon Valley apporteront des gains d'efficacité importants, voire spectaculaires, dans la production et la gestion de l'énergie et des biens physiques (une perspective également évoquée ci-dessous). Mais les résultats ne seront pas aussi miraculeux que l'invention du circuit intégré ou la découverte du pétrole ou de la fission nucléaire.
