L'éco-énergie sans limites

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 11.05.2021 - Même une économie circulaire durable ne fonctionne pas sans énergie. Les panneaux solaires et les parcs éoliens, les centrales marémotrices et géothermiques : tous transforment l'énergie des flux d'énergie qui étaient restés inexploités depuis des temps immémoriaux. La question est donc la suivante : quelle proportion de ces flux énergétiques l'humanité peut-elle utiliser à ses propres fins sans endommager le système énergétique de la Terre ? Les chercheurs de l'Empa ont mis au point une méthode pour l'estimer.

La Terre a ses limites, car nous sommes de plus en plus conscients de la crise climatique, de l'extinction croissante des espèces et de la pollution des océans (et même de l'espace) en raison de l'activité humaine. Comme réponse possible à cela, les gouvernements et les institutions du monde entier propagent le concept d'économie circulaire. En fermant les cycles des matières, il faut éviter les impacts environnementaux liés à l'extraction des matières premières et résoudre le problème des déchets. En termes de société durable, cependant, cette approche ne suffit pas à elle seule, car elle laisse ouverte la question de savoir en quelle quantité et à quelle vitesse les matériaux sont recyclés et quelle énergie est utilisée pour faire fonctionner ces cycles. Car dans une société véritablement durable, non seulement les flux de matières mais aussi les flux d'énergie doivent rester dans les limites fixées par notre planète.

L'énergie pour "faire tourner" la terre

Une question centrale se pose donc : y a-t-il suffisamment d'énergie renouvelable disponible au niveau mondial pour façonner durablement les flux de matières dans notre société sans "faire sauter" les frontières planétaires ? Cette question est étudiée par une équipe de l'Empa dirigée par Harald Desing du département "Technologie et société". Si l'on considère la planète Terre comme un système, elle ne fait qu'échanger de l'énergie avec son environnement. La majeure partie de l'énergie apportée dans le système est de loin le rayonnement solaire, complétée par de petites quantités d'énergie cinétique planétaire et d'énergie géothermique. Ces flux d'énergie ont toujours été entièrement utilisés par la Terre elle-même. Les activités de ses nombreux sous-systèmes, tels que les océans, l'atmosphère et les forêts, ainsi que les calottes glaciaires réfléchissantes, ont pour ainsi dire été maintenus.

La plupart de ces sous-systèmes convertissent l'énergie entrante en d'autres flux d'énergie renouvelable, par exemple des flux de vent et d'eau ou la production de biomasse. Dans ce processus, l'énergie libre, appelée exergie, est extraite des flux d'énergie entrants. Quelle que soit la façon dont elle est utilisée, que ce soit dans le système naturel de la Terre ou dans la technosphère créée par les humains, toute l'énergie est finalement renvoyée dans l'espace.

Les parcs solaires modifient également le climat 

Comme l'humanité détourne une portions des flux d'énergie renouvelable de plus en plus grande vers ses activités, les portions disponibles pour le système terrestre sont réduites. Le système terrestre peut compenser ces perturbations dans une certaine mesure. Toutefois, s'ils sont trop importants, le risque de dépasser les "points de basculement" augmente. Cela entraînerait des changements rapides et irréversibles dans le système terrestre, comme la fonte des calottes glaciaires polaires, qui à son tour accélérerait le changement climatique. Afin de ne pas dépasser ces points de basculement, la taille de la surface terrestre utilisée ne doit pas dépasser la limite de charge planétaire. Cependant, la manière dont la terre est utilisée est également cruciale : Les centrales solaires remplaçant les forêts, par exemple, perturbent la biodiversité, l'évaporation et donc le cycle de l'eau, la réémission de la chaleur dans l'espace et bien plus encore.

Les mêmes limites supérieures qui s'appliquent à l'utilisation du soleil s'appliquent également à la récolte de l'énergie dite chimique - c'est-à-dire à l'agriculture et à la sylviculture, qui produisent des aliments pour animaux et des denrées alimentaires, du matériel de chauffage, des combustibles et des matériaux de construction. La production d'énergie technique est en concurrence avec la production alimentaire dans de nombreux domaines.

L'énergie électrique comme "monnaie universelle"

Afin de pouvoir comparer ou additionner les différents potentiels d'énergies renouvelables, les chercheurs de l'Empa les ont convertis en équivalents d'énergie électrique. À cette fin, les calculs utilisent les rendements des technologies actuellement disponibles dans les centrales électriques. Que l'électricité soit produite à partir de l'énergie solaire, du bois ou de l'hydroélectricité, cela fait une différence. Ces pertes de conversion réduisent encore une fois considérablement la récolte possible de certains potentiels.

Le résultat de l'étude est surprenant : 99,96% de l'énergie arrivant sur Terre depuis l'espace est nécessaire pour alimenter le système terrestre et la production alimentaire, donc seulement 0,04% peut être utilisé techniquement. Néanmoins, ce potentiel est encore environ dix fois supérieur à la demande énergétique mondiale actuelle.

Le résultat de l'étude des pertes de conversion n'est pas surprenant : nous devrions préférer récolter et utiliser l'énergie disponible au moyen de cellules solaires. Après tout, presque toutes les ressources énergétiques renouvelables - y compris l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique et la production de biomasse - sont en fin de compte alimentées par le soleil. L'utilisation directe de l'énergie solaire signifie moins d'étapes de conversion et donc moins de pertes.

Le photovoltaïque sur toutes les surfaces déjà condamnées

Une grande partie de l'énergie solaire pourrait être récoltée dans une petite partie des zones désertiques de la planète, mais cela est techniquement et logistiquement complexe. L'équipe de recherche du département "Technologie et société" considère donc l'énergie solaire récoltée sur les zones désertiques comme une réserve énergétique mondiale au cas où toutes les autres possibilités de récolte seraient épuisées.

En conséquence, nous devrions commencer à utiliser toutes les surfaces déjà condamnées dans le monde entier, par exemple les toits et les façades des bâtiments, mais aussi les routes, les chemins de fer et les parkings. Cette surface serait suffisante pour alimenter une société mondiale de 2000 watts.

Les régions désertiques comme réserve

Toutefois, si la demande mondiale d'énergie devait être portée au niveau de la demande suisse actuelle par habitant, il faudrait également utiliser les zones désertiques. Tous les autres potentiels énergétiques (par exemple, l'énergie éolienne ou la biomasse) sont des ordres de grandeur inférieurs à l'utilisation directe de l'énergie solaire - et ils sont déjà en partie surutilisés. Néanmoins, ils peuvent jouer un rôle important au niveau local, notamment parce qu'ils peuvent réduire le besoin de capacités de stockage - un problème qui n'a pas été pris en compte dans cette étude.

Suffit-il donc de construire des masses de centrales solaires pour résoudre le problème de l'énergie ? Bien sûr, ce n'est pas aussi simple. Dans son étude, l'équipe de l'Empa ne s'est penchée que sur la première étape, à savoir le calcul du potentiel énergétique disponible. La quantité réelle d'énergie disponible sera plus faible : les facteurs limitants sont, par exemple, la disponibilité des matières premières, mais aussi des capitaux financiers et de la main-d'œuvre, les impacts environnementaux de l'extraction des matières premières ou de la production, de l'exploitation et de l'élimination des installations, et la nécessité d'infrastructures supplémentaires pour la distribution et le stockage de l'énergie.

L'équipe de recherche étudie actuellement la question de savoir à quoi pourrait ressembler un tel passage d'une société basée sur l'énergie fossile à une société basée sur l'énergie solaire. Le système d'énergie solaire doit non seulement être suffisamment important pour répondre à la demande mondiale, mais il doit également être capable de remplacer le système de combustible fossile assez rapidement pour éviter à temps la catastrophe climatique.


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