Comprendre l'énergie le carbone et son rapport avec le changement climatique

mis à jour 5/1/2021 11h30

energie.JPG L'humanité est confrontée à la croissance de sa population et des besoins  de cette population: vitaux comme nourriture, logement, vêtement, mobilité, et autres comme culture, loisirs,  équipements de tous ordres, bref le bien-être ... tous ces besoins sont satisfaits par de l'énergie qui nourrit toutes les machines qui nous servent d'esclaves.  

 

Plus de 80% de cette énergie (81.4% en 2018) est d'origine fossile depuis la révolution industrielle - charbon pétrole et gaz - et cela n'a pas changé depuis 1990 (81.3%)  - 30 ans. En volume, la quantité d'énergie produite est passée de 88milliards de tonnes d'équivalent pétrole (tep) en 1990 à 14.42milliards de tep en 2018 (+64%) alors que la population mondiale est passée de 5.3 milliards à 7.6 milliards en 2018 (43.4%), ce qui signifie que le choix des société humaines  est celle de la croissance de la satisfaction de leur besoin de bien-être.  

energymix1.JPG

 

Le PIB mondial s'est accru de 111% de 1990 à 2017. Le PIB par habitant de 47.2% alors que la population s'est accrue de 43.4% ce qui reflète bien  le choix des sociétés à travers la planète..

energymix2.JPGMais 81.4% de l'énergie étant d'origine fossile, cela provoque toutes les manifestations du  changement climatique. Alors passer à la neutralité carbone cad. non accroissement des gaz à effet de serre dans l'atmosphère et dans les océans est le défi des prochaines décennies! Comment faire?

D'abord les chiffres du pétrole en barils bbl

Comprendre les chiffres et statistiques pour la production de pétrole. La plupart des chiffres s'expriment en barils bbl. 1bbl= 159litres; et si on prend comme densité moyenne du pétrole 0.92kg/litre..  1bbl = 159x0.92=146.3kg ou 0.1463tonne. Donc 1 million de bbl = 0.1463 million de tonnes

Mais il faut aussi tenir compte de la capacité calorifique qui dépend de la teneur en carbone C.

Pour une tonne de pétrole elle est de 42kJoules = 10000kcal; donc 1 tonne de pétrole = 1tep, mais contenant 85% de carbone. Pour le charbon dont la teneur en C est de moitié, ce sera 5000kcal/tonne. 1 tonne de charbon sera alors seulement 0.5tep. 1 tonne de gaz naturel c'est plus car contenant plus de carbone 95% donc 1 tonne de gaz naturel c'est  1.20tep.

 

Les données que j'utilise sont celles qui sont publiées par l'Agence internationale de l'énergie.  Toutes les  données sont en tep.


Quand on lit dans la presse  que la production de pétrole mondiale est de 100Millions de barils/jour cela signifie 14.63 million de tep  par jour. Et pour 365 jours cela fait 14.63x365= 5339 millions de tep par an ou 5.3 milliards de tep. 

 

J'ai pris 100 pour faciliter les calculs; la production de pétrole est actuellement (chiffres AIE de 2018) de l'ordre de 86.4 millions de barils par jour ce qui fait 4613 millions de tonnes par an. Et le pétrole c'est 32% du mix énergétique total... donc le total de l'énergie dans le monde aujourd'hui est de l'ordre de 4613:0.32=14421 millions de tep par an (*) ou 14.4 milliards de tep.  Le pétrole est la nourriture de tous les transports, terrestres, maritimes et aériens et de toutes les grosses machines, mines,  aménagements terrestres et  construction.  Le charbon est la nourriture de la sidérurgie, de la métallurgie, de la cimenterie et de la production d'électricité. Pétrole et électricité alimentent nos machines de climatisation, chaleur en hiver, froid en été. L'électricité nourrit toutes nos machines, équipements domestiques et ménagers, nos ordinateurs et nos moyens de communication, télévision et radios. Bref, rien ne marcherait aujourd'hui sans énergie à la pompe et au compteur électrique..

(*) NB: du fait des arrondis, les chiffres ne correspondent pas.

Quelle quantité de CO2 est émise par l'énergie que nous produisons et consommons?

Prenons d'abord les combustibles fossiles. C'est 81.4% du total de l'énergie soit 0.814x14421=11739Mtep. Et 1tep c'est 85% de carbone, ce qui  produit 1t de carbone et (44/12) 3.11t de CO2. Les combustibles fossiles produisent donc 11739x0.85x3.11=31032Mt CO2 ou 12/44 >>>8463 Mt de carbone par an.

 

Les chiffres de l'AIE pour l'ensemble de l'énergie en 2018 sont de 33513 Mt CO2 ou 9140Mt de carbone. Cela signifie que les combustibles fossiles contribuent pour 92.6% au CO2 alors qu'ils sont 81.4% dans le mix.

  1. Emissions de CO2 1990-2018
  2. Emissions de CO2 par capita 1990-2018

Il existe donc une grande capacité de réduire leur impact sur les émissions de CO2; d'une part en réduisant la part du charbon dans le mix - lignites, tourbes, charbons bitumineux...    en remplaçant ces charbons par du gaz naturel dont la production de CO2 est plus faible (*), et en augmentant les énergies renouvelables hydraulique, solaire et biomasse... et le nucléaire.
(*) comme indiqué plus haut 1 tonne de gaz naturel c'est 1.2tep, donc pour obtenir 1tep, on en consomme que 0.83t

 

L'évolution du mix énergétique mondial est donc cruciale. Les chiffres d'évolution du CO2 en tonnes par habitant (cf. ci dessus) sont constants depuis 2010: en moyenne 4.4t/hab, mais fortement variables par pays (voir ce graphique);   en tonnes par unité de PIB ils sont en baisse de 1990 à 2018 (lien). C'est la production d'électricité qui est en forte hausse, en volume et en quantité par habitant: +58.3% de 1990 à 2018. Idem pour le PIB/hab  +47.2%

 

Le CO2 produit par les  énergies fossiles est le plus important contributeur de la hausse du CO2 dans l'atmosphère mais il y a aussi le CO2 produit par la déforestation et par la modification des sols par les pratiques agricoles.  On ajoute aussi le méthane, les oxydes d'azote et les gaz fluorés en les convertissant en équivalents CO2. Au total ce sont 49Gt équivalent CO2, dont les énergies fossiles sont environ 65% (les 2 tiers). Voir ce rapport du GIEC Changements climatiques 2014

 

giec2015.JPG

Les systèmes de la biosphère terrestre et océanique qui absorbent le CO2 par la photosynthèse sont insuffisants pour absorber le CO2 émis par les activités humaines. L'excédant reste donc dans l'atmosphère et contribue au réchauffement climatique.

carboncycle1.JPG

 

Voici le bilan carbone établi en 1989:  le CO2 de l'énergie était alors de 20.5GtCO2 soit 5.4GtC. Avec ce bilan carbone, cette production ajoutait 3.4GtC à l'atmosphère.

carbonsinks.JPG

La teneur en CO2 mesurée à l'observatoire de Mauna Loa était alors de 350ppm CO2 (LIEN).

En 2018 la production de CO2 des combustibes fossiles était de 33.5GtCO2 soit 9.1GtC. Avec ce même bilan carbone l'ajout de C dans l'atmosphère est de 3.7GtC. La teneur en CO2 à Mauna Loa est de 406ppm.

 

La relation entre l'énergie, la croissance de la population et la croissance économique est bien prouvée. Alors comment faire? S'adapter et arrêter cette évolution!  Il n'y a que deux moyens: réduire drastiquement notre consommation d'énergie fossile pour produire l'énergie et augmenter la capacité d'absorption des réservoirs, puits de captage du CO2.

 

Sur ce dernier point - captage par les sols - voici une étude de la FAO, ancienne certes mais qui fait bien le point: planter des arbres et modifier les pratiques agricoles ancestrales (cesser le labour).

carbonsinks1.JPG

 

Ces deux images du cycle de carbone montrent que l'élément carbone - le nombre d'atomes - de notre planète est une constante de par sa formation dans le système solaire. Le stock de carbone de masse atomique 12 est donc une constante. C'est sa distribution sous différentes formes et combinaisons avec d'autres atomes qui change. En voici la représentation 

carboncycle.JPG

 

Le problème c'est que cette représentation est fixe alors qu'elle est dynamique. La combustion massive de charbon pétrole et gaz (un flux) est de 5 à 6 Gt/an et le stock dans  l'atmosphère est de 750Gt. Mais ce sont des chiffres de 1990. Aujourd'hui (2018) la combustion massive de charbon pétrole et gaz est de 9Gt/an et le stock de C dans l'atmosphère s'est accru de 5.4Gt. Nous sommes désormais entrés dans l'ère géologique de l'anthropocène, l'homme par la croissance de  sa population et de ses techniques modifie la distribution du carbone, accroit le carbone sous forme de CO2 dans l'atmosphère, et accroît la température de la planète. Contenir cet accroissement à moins de 2°C est considéré par les scientifiques au sein du GIEC et lors de la COP21 il y a 5 ans, comme capital pour la survie de l'espèce humaine. Il est possible qu'on n'y parviendra pas et que ce pourrait être une hausse de 5° à la fin du siècle ou au siècle prochain. C'est qu'il n'y a pas réversibilité possible dans notre consommation d'énergie; ce serait donc un retour en arrière par baisse drastique de la population mondiale. C'est ce que nous disent les collapsologues, Yves Cochet, Adrastia, Jean-Marc Jancovici  et autres. Nous - Homo.sapien.sapiens - ne sommes là que depuis environ 200000 ans et notre essor massif ne date que de 200 ans et son accélération depuis 1950, 70 ans. Alors je suivrai  le conseil du philosophe Frédéric Lenoir qui reprend les "pensées pour moi" de Marc Aurèle "Vivons intensément le présent".

 

Mais la distribution du carbone à la surface de la terre (la croûte terrestre) - atmosphère, biosphère hydrosphère et lithosphère - amène à se poser la question d'où vient le carbone; des profondeurs du manteau et du noyau? Un groupe d'études international s'est formé en 2009 pour étudier cette question. Il s'agit du "deep carbon observatory DCO".

Cet article de la BBC en donne la teneur LIEN. Selon ces études la quantité de carbone de la planète serait de 1.85x10exp18 de tonnes (1.85 milliards de milliards de tonnes ou 1850petaTonnes ou 1.85exaTonnes), alors que le carbone de la croûte terrestre ne serait que de 43500Gt c'est à dire une proportion infime 0.235%; la somme des  chiffres de stock des images précédentes est totalement incohérente avec cela.

 

Le DCO nous révèle que le carbone de la croûte terrestre provient des gaz des éruptions volcaniques,  que les émissions des combustibles fossiles et des activité humaines sont très supérieures et qu'elles n'ont pas cessé de croître  et qu'au cours des 10 années récentes, cela équivaut à la chute d'un énorme astéroïde comme ceux qui ont provoqué les extinctions.  Le DCO nous apprend aussi que du carbone de la croûte terrestre repart en profondeur par la subduction des plaques... Le rapport de la DCO est ici.

carboncycle2.JPG

Et la fonte du pergélisol ou le permafrost?

Le groupe de travail  "Permafrost Carbon Network" créé en 2011 alerte la communaté internationale sur ce sujet.

Voir billet précédent "Changement climatique: le risque d'un basculement brutal vers des températures élevées?"

Ce risque est lié à la fonte du pergélisol dans les régions artctiques et boréales. Voici cet extrait du rapport spécial du GIEC sur les océans et la cryosphèr.e "[...] Les températures du pergélisol ont augmenté pour atteindre des niveaux records (des années 1980 à aujourd'hui) (confiance très élevée), y compris l'augmentation récente de 0,29 ° C ± 0,12 ° C de 2007 à 2016 en moyenne dans les régions polaires et de haute montagne du monde. Le pergélisol arctique et boréal contient 1460 à 1600 Gt de carbone organique, soit près du double du carbone de l'atmosphère (750Gt) (confiance moyenne). Il y a confiance moyenne et faible accord parmi les auteurs que les régions du nord du pergélisol rejettent actuellement du méthane et du CO2 nets supplémentaires en raison du dégel. Le dégel du pergélisol et le retrait des glaciers ont diminué la stabilité des pentes de haute montagne (grande confiance). [...]". C'est donc bien une possibilité de basculement vers les 5° comme évoqué dans les fourchettes hautes du GIEC. Mais on ne sait pas quelle proportion de ce stock carbone sera oxydé et relargué en CO2 et méthane.

Voici ces deux articles de vulgarisation sur le sujet.