Energy in Future
 
Dr.-Ing. Dieter Bokelmann

L’Explication avec tableaux

Energie primaire du monde 2018

L’énergie primaire du monde produit en 2018 était de 168693 TWh (Tableau PrimEnW). L’objectif est de remplacer l’utilisation du charbon, du pétrole et du gaz pour un total de 136641 TWh par des énergies renouvelables. La biomasse et l’électricité produite par le nucléaire, l’hydro, le vent, le solaire, la géothermie et d’autres sources renouvelables ne sont pas prises en compte.

 Energie primaire du monde par mode d’utilisation, efficacité conversion et énergie utile

L’efficacité de conversion de l’énergie primaire à l’énergie utile est dérivée du diagramme Sankey - Consommation d’énergie USA en 2018 (USEn2018), ce qui a fait le tableau Effi1 et, sur cette base, le tableau PrimINOUT. Bien que les États-Unis ne correspondent pas nécessairement à la moyenne mondiale dans leurs habitudes de consommation, cette précision n’a pas d’incidence dans cette étude, même en l’absence de données. Dans le tableau Effi 1, 5 valeurs d’efficacité ont été tirées directement du graphique. Pour les autres utilisations, une moyenne de 37,34% a été calculée, de sorte que le rendement global de 31,83% est identique à celui du graphique USEn2018 côté droit par rapport à 97,7 quads INPUT Energy et « Energy Services ». Avec un rendement de 31,83%, 136641 TWh d’énergie primaire deviennent 43492 TWh d’énergie utile. Les Renewables ne sont pas pris en compte, l’erreur est insignifiante pour la suite de l’enquête.

 Calcul du coût par kWh pour les 4 types de production solaire/électricité directe, solaire/combustible artificiel, vent/courant direct, vent/carburant artificiel net sans taxes.

La taille de la base (dans les tableaux simplifie l’énergie primaire à remplacer en Twh) n’est pas pertinente pour le coût/kWh, parce que tout est une facture à régle de trois. De la même façon, on aurait pu utiliser comme base par example 100.000 TWh. Voir les tableaux 4+2 (2 cas particulier de l’Allemagne solaire en raison d’un rayonnement réduit au lieu de 1500kWh/ kWPxJahr seulement 1100 kWh/ kWPxJahr). Un prêt d’annuité de 20 ans est accepté pour le remboursement des coûts d’investissement (tableau Credit20J). En outre, sur la base de 18) ont été pris en compte 24,6% de supplément pour les réparations, l’entretien et 112% pour le transport d’énergie ou la construction de réseaux ou la transformation en carburants artificiels tels que la crue bleue ou l’hydrogène. Le biocarburant n’est pas pris en compte. Enfin, une majoration de 10% a été prise en compte pour la rentabilité des investissements avant impôts. Dans ces tableaux 4+2, il n’y a pas de surtaxe pour les impôts publics. Les prix sont des valeurs nettes. Le coût par kWh est ascendant

 

0,099 €/ kWh électricité directe éolienne  (tableau WindELW)

  

0,126 €/ kWh électricité directe Solar (tableau SolELW), 0,172 €/ kWh , électricité directe Solar Allemagne (réduction de l’irradiation, Tableau SolELD)

 

0,165 €/ kWh carburant éolienne de conversion (tableau WindFW)

 

0,211€/ kWh carburant solaire de conversion (tab. SolFW), 0,287 €/ kWh carburant Solar de conversion allemand. (réduction de l’irradiation, Tab. SolFD)

 

Les prix du vent sont plus favorables que pour le solaire, les carburants sont logiquement plus élevés que l’utilisation directe du solaire ou du vent (environ 40%) en raison des pertes de conversion. Les 4 tableaux comprennent également les besoins en surface du paysage pour solaire et équipement de vent en pourcentage du surface monde par TWh d’énergie produite. Pour les types de production Solar, les coûts ont été calculés pour l’Allemagne sur la base d’un chiffre de production annuel inférieur réel. Il en résulte naturellement des coûts plus élevés, 0,172€/kWh pour l’électricité directe solaire (tableau SolELD) et 0,287€/kWh pour la conversion solaire (tableau SolFD). .

 Facteurs d’efficacité pour la détermination de la production d’énergie nécessaire par les 4 alternatives solaires/éoliennes basées sur l´output l’énergie primaire charbon, pétrole, gaz

Le tableau Effi2 définit les facteurs de conversion pour la re-conversion de l’énergie nécessaire à la quantité d’électricité à fournir par le solaire et le vent pour chaque mode d’utilisation. Ceci pour l’utilisation électricité directe   (1 facteur 76-100) ou pour l’utilisation comme carburant transformé (multiplication du facteur 1 à 60 pour la conversion du courant direct en carburant et facteur 2 selon le mode d’utilisation).

 Calcul pour chacun des types de production pour le cas extrême 100% de chaque alternative en tenant compte de l’efficacité la nécessité des surfaces du paysage et coût total net

4 Tableaux avec superficie du paysage et coût total monde

Dans les 4 tableaux (SolEL, SolF, WindEL, WindF), on suppose que la quantité d’électricité nécessaire est produite à 100% avec l’une des 4 possibilités grâce à la combinaison des paires de vent solaire et de conversion de l’électricité directe. On calcule les coûts de production annuels nets, ainsi que le surface nécessaire du monde (par rapport à la surface terrestre sans l’Antarctique).

Diagramme et évaluation

Voir diagramme Dia4Alt. Pour le cas particulier supposé 100% de production par l’une des 4 variantes possibles, les coûts de production annuels des variantes d’électricité directe par conséquent vent et solaire sont nettement moins chers que les variantes de conversion de carburant. Dans le cas de l’électricité directe, l’utilisation du paysage solaire est la meilleure option. Les coûts de production des variantes de conversion de carburant sont nettement plus élevés, de même que la consommation du paysage. Dans toute la mesure du possible, aucun carburant ne devrait être converti par vent, mais les coûts de production annuels sont inférieurs à ceux du solaire. Par conséquent, le cas particulier 100% électricité directe  Solar serait la meilleure alternative. Cependant, comme seul un mélange est techniquement réalisable, l’électricité solaire directe, l’énergie éolienne directe, le carburant solaire (mais plus cher que le vent) doivent être pris en compte dans l’ordre du carburant éolienne en dernier recours.

 Exemple d’un mélange d’énergie renouvelable dans le monde, coût net hors taxes et besoins en surface du pasage

Il s’agit d’un scénario avec 50% de solaire et 50% de vent, avec 30% d’électricité directe et 20% de conversion de carburant. L’utilisation du paysage se situe avec justifiable 2,19% du surface du paysage terrestre sans l’Antarctique (Table PossExaW).

 L’exemple de mix énergétique allemand, coût net hors taxes et besoins en surface du paysage

Trois scénarios ont été envisagés.

Dans le scénario 1 (FinTaxD), l´énergie primaire totale est produite par l´énergie solaire et l´énergie éolienne. Étant donné qu’en 2018, la part de l’énergie solaire dans 100% de l’énergie primaire était de 1,3% et la part de l’énergie éolienne de 3% 19), dans le scénario, la part de l’énergie solaire est estimée à 35% et la part de l’énergie éolienne à 65%. Dans le cas de l’énergie solaire et du vent, 10% de la somme de 100% seraient convertis en carburant. Le scénario n’est malheureusement pas réalisable parce que la surface du paysage nécessaire est de 12,33% de la superficie de l’Allemagne fois 1,2 (offshore). Dans le meilleur des cas, 3 % sont réalisables ( ?), le reste de l’électricité ou du carburant doit être importé, ce qui serait techniquement possible dans le cas du monde. Par rapport à la superficie relativement petite de l’Allemagne (0,31% de la superficie terrestre mondiale sans l’Antarctique), la part de l’énergie primaire de l’Allemagne dans le monde de l’énergie primaire (2,2%) est certes petite, mais relativement élevée par rapport à la superficie terrestre (facteur 7).

Dans le scénario 2 (FinTaxDEL), il a été estimé que seule l’ensemble de l’énergie électrique était produite par des énergies renouvelables. Ici, la superficie requise est de 2,39%, ce qui serait tout à fait réalisable.

Dans le scénario 3 (FinTaxDEL+TRANS), en plus du scénario 2, l’énergie de transport sera produite par des énergies renouvelables. La superficie requise augmente à 3,99%, tout à fait surement pas réalisable.

 Niveau du taux d’imposition nécessaire pour que, dans le cas de l’Allemagne, les recettes fiscales soient identiques

Le coût net de la production d’électricité a déjà été expliqué. Mais on ne peut pas se passer d’impôts. Même si le scénario de l’Allemagne n’est pas réalisable avec 100% d’autoproduction, l’intérêt a été calculé sur le niveau de la taxe sur les coûts de l’énergie afin d’obtenir les mêmes recettes fiscales qu’en 2017. C’est une nécessité qui n’est pas trop immédiate. Les taux d’imposition figurent dans le tableau FinTaxD pour obtenir 43,2 milliards de recettes fiscales, de même que les prix de l’énergie qui en résultent pour le kWh et le litre de carburant. Les taux de taxation indiqués pour les 4 sources d’énergie sont choisis (et peuvent bien sûr être choisis autrement) que les coûts/ kWh correspondent à peu près à les coûts actuel, à savoir 0,30 €/kWh pour les consommateurs privés et 0,10 €/ kWh pour l’industrie.

 Niveau du taux d’imposition nécessaire pour que, dans le cas du monde, les recettes fiscales soient les mêmes sur la base de l’Allemagne

Dans le scénario Monde, la base des recettes fiscales de l’Allemagne a été adoptée en 2017 (calculation règle de trois), voir les résultats du tableau FinTaxW. Les taux d’imposition acceptés sont librement choisis. Les taux de taxation du monde sur l’énergie et les carburants sont très différents. Cela irait trop loin et serait aussi présomptueux de parler de pays individuels. Pour l’Allemagne, c’est possible, car le montant total est connu et, en dehors de cela, les taux d’imposition sont déjà relativement élevés.

 Lors de la mise en œuvre dans une période de 20 ans, combien de renforcement des capacités solaire + vent par an est nécessaire, la comparaison avec la si et l’évaluation

Dans le tableau Sommaire Data, le besoin du renforcement des capacités en GW annuel pour réaliser les scenarios sont confrontées au développement annuel actuel des capacités. De même pour la capacité totale nécessaire en GW par rapport à la capacité existante. En fin de compte, le nombre d’années a été calculé pour atteindre l’objectif d’éviter à 100% l’utilisation de combustibles fossiles. Le résultat n’est pas satisfaisant. Il s’agit de 323 ans pour le monde et 293 ans pour les scénarios Allemagne scénario 1 (inutilisable en raison d’un besoin élevé en surface), 71 ans pour le le scénario 2 et 122 ans pour le scénario 3). Encore une fois, l’indication que la variante 100% remplacement Fossil Allemagne n’est pas accessible indépendamment du reste du monde en raison de la superficie relativement grande nécessaire de 12,33%. La majeure partie doit être réalisée par l’importation de électricité directe  ou d’importations de carburant converti par l’électricité produite dans d’autres pays.

Le calcul tient encore à l’effet que, premièrement, l’équipement solaire et le vent existants doivent être remplacés au cours des 20 prochaines années. Deuxièmement, la construction de l’équipement produit de l’énergie grise, c’est-à-dire que les installations ne produisent en principe qu’après environ 10% de la durée de vie d’environ 20-25 ans d’électricité neutre en carbone (mais produisent alors environ 18 à 23 ans de manière neutre). Ces deux éléments ne sont pas pris en compte ici, mais ils seraient tout simplement pris en compte dans la facture. Cela s’oppose toutefois à un certain potentiel d’amélioration et à de nouveaux développements au cours des prochaines années.

Potentiel d’amélioration

Entre outre

1. L’utilisation simultanée des terres pour le solaire et le vent.

2. Amélioration de l’efficacité solaire. Soit via des systèmes multi-couches, soit via multi-irradiation ou d’autres développements. En principe, le photovoltaïque peut également être couplé à l’énergie solaire thermique.

3. Amélioration du rendement du vent.

4. Nouveau développement d’installations pour stocker l’électricité, z.B. systèmes de batteries de stockage à grande capacité écologique et dans les stations-service des packs de batteries remplaçables automatiquement dans des tailles standard pour les voitures électriques ou les remorques de batterie pour les longues distances.

5. Le développement de turbines à gaz CC (turbines à gaz combinés à turbine à vapeur couplées) pour l’utilisation de la chaleur résiduelle de la GT) qui peuvent également fonctionner avec des carburants verts tels que l’hydrogène, blue crude, etc. Ceux-ci servent également à la production d’électricité à l’aide de carburant vert pendant les périodes de bruit du vent nocturne.

6. Un échange efficace d’énergie par-delà les frontières nationales, et mieux encore les frontières continentales (par exemple l’Afrique vers l’Europe et exportations d’énergie vers l’Allemagne).

7. Réduction des activités de transport privé et commercial. Privé par le changement de mentalité, la conviction et le prix du carburant. Commercialement par plus de production locale.

8. Un renversement de la croissance démographique

9. Une modification des habitudes de consommation passées

10. Production de produits de qualité recyclables plus longs. Éviter les produits bon marché de mauvaise qualité.

11. Boisement des forêts

Le graphique ci-dessous montre un calendrier simplifié de ce que serait la mise en œuvre d’une consommation d’énergie sans émissions de CO2 dans 20 ans. Les combustibles fossiles le pétrole, le charbon, le gaz seraient réduits à zéro. Les sources d’énergie existantes que sont la biomasse et la production d’électricité renouvelable existante sont maintenues (en fin de compte, le nucléaire peut être réduit à zéro si l’on construit plus de capacité solaire, éolienne ou autre). Les parts des 4 alternatives solaires et éoliennes renouvelables sont relevées de 0 aux valeurs calculées. La somme de l’énergie primaire est inférieure à celle de l’année zéro, en particulier parce qu’elle est nettement plus efficace en ce qui concerne les parts d’électricité directe. 

Le facteur de renforcement nécessaire des mesures d’investissement annuelles actuelles dans le domaine des énergies renouvelables pose problème, voir les données de la feuille Compacte. Pour faire passer le monde à la production d’énergie sans émissions de CO2 d’ici 20 ans, ce facteur est de 16. Il faudrait investir 2932 milliards d’euros par an (milliards = 109), ce qui devrait être réalisé en termes de coûts et d’utilisation du paysage. Toutefois, on peut se demander si, dans le scénario monde, les capacités de production du solaire et du vent peuvent être multipliées par 16. Pour atteindre cet objectif dans un délai raisonnable, il faudrait accepter un investissement temporaire, du moins dans le maintien de l’approvisionnement en électricité nucléaire, qui serait ensuite démantelé au fur et à mesure que les objectifs seront atteints.

La mise en œuvre de cette période est malheureusement peu probable, car, d’une part, tous les pays n’y participent pas et, d’autre part, l’augmentation annuelle nécessaire des investissements dans les énergies renouvelables (facteur 15 par rapport à 2019) est difficile à réaliser (mais pas techniquement impossible). Le fait est que les investissements annuels doivent augmenter considérablement.

L’Allemagne doit se concentrer sur la conversion à 100% de la production d’électricité aux énergies renouvelables et, parallèlement, à l’importation du reste de l’énergie primaire sous forme d’hydrogène (etc.). Il n’y a pas assez de terres adéquates pour produire de plus grandes quantités d’hydrogène vert. Aujourd’hui, cela signifie une importation d’environ 50 millions de tonnes d’hydrogène par an. Si l’Allemagne parvient à doubler ses investissements annuels dans le solaire et le vent et à importer ces quantités d’hydrogène vert en provenance de pays appropriés (avec une assistance technique), l’Allemagne devrait être exempte de CO2 d’ici 30 à 35 ans (1 génération).

Le graphique ci-dessous montre la seule évolution significative possible pour l’Allemagne pour atteindre l’objectif dans 30-35 ans.