Par Mark P. Mills
Mark P. Mills est membre senior du Think Tank libéral Manhattan Institute et membre de la faculté de la McCormick School of Engineering and Applied Science de la Northwestern University, où il codirige l’Institute on Manufacturing Science and Innovation.
Le texte qui suit est le résumé d’un article publié en mars 2019 par le Manhattan Institute. La traduction en français du texte intégral de cet article peut être téléchargée ici.
Résumé
Depuis des décennies, un mouvement se développe pour remplacer les hydrocarbures, qui fournissent collectivement 84% de l’énergie mondiale. Cela a commencé par la crainte que le pétrole ne soit en train de s’épuiser. Depuis, cette crainte a évolué vers la croyance qu’en raison du changement climatique et d’autres préoccupations environnementales, la société ne peut plus tolérer de brûler du pétrole, du gaz naturel et du charbon, qui se sontchacun révélés abondants.
Jusqu’à présent, l’éolien, le solaire et les batteries – les alternatives préférées aux hydrocarbures – fournissent environ 2% de l’énergie mondiale et 3% de celle des États-Unis. Néanmoins, une nouvelle affirmation hardie a gagné en popularité : nous sommes à l’aube d’une révolution énergétique d’origine technologique qui non seulement est en mesure de remplacer rapidement tous les hydrocarbures, mais le fera inévitablement.
Cette « nouvelle économie de l’énergie » repose sur la conviction – pièce maîtresse du Green New Deal et d’autres propositions similaires, ici et en Europe – que les technologies de l’énergie éolienne et solaire et du stockage des batteries connaissent le même type de bouleversement que l’informatique et les communications, avec une baisse spectaculaire des coûts et une augmentation de l’efficacité. Mais cette analogie de base ne tient pas compte des différences profondes, fondées sur la physique, entre les systèmes qui produisent de l’énergie et ceux qui produisent de l’information.
Dans le monde des personnes, des voitures, des avions et des usines, l’augmentation de la consommation, de la vitesse ou de la capacité de charge entraîne l’expansion du matériel, et non sa réduction. L’énergie nécessaire pour déplacer une tonne de personnes, chauffer une tonne d’acier ou de silicium, ou cultiver une tonne de nourriture est déterminée par les propriétés de la nature dont les limites sont fixées par les lois de la gravité, de l’inertie, de la friction, de la masse et de la thermodynamique – et non par un logiciel intelligent.
Cet article met en évidence la physique de l’énergie pour montrer pourquoi il n’y a aucune possibilité que le monde connaisse – ou puisse connaître – une transition à court terme vers une « nouvelle économie énergétique ».
Les scientifiques n’ont pas encore découvert, et les entrepreneurs pas encore inventé, quelque chose d’aussi remarquable que les hydrocarbures en termes de combinaison de faible coût, de haute densité énergétique, de stabilité, de sécurité et de transportabilité. En termes concrets, cela signifie qu’en dépensant un million de dollars pour des éoliennes ou des panneaux solaires à l’échelle d’un service public industriel et commercial, chacun d’entre eux produira, sur une période de 30 ans, environ 50 millions de kilowattheures (kWh), alors que le même million de dollars dépensé pour une plate-forme de forage de roche-mère produit suffisamment de gaz naturel sur 30 ans pour générer plus de 300 millions de kWh.
Les technologies solaires se sont beaucoup améliorées et continueront à devenir moins chères et plus efficaces. Mais l’ère des gains décuplés est révolue. La limite physique des cellules photovoltaïques (PV) en silicium, la limite de Shockley-Queisser, est une conversion maximale de 34% des photons en électrons ; la meilleure technologie PV commerciale actuelle dépasse 26%.
La technologie de l’énergie éolienne s’est également beaucoup améliorée, mais là encore, il n’y a plus de possibilité de décupler les gains. La limite physique d’une éolienne, la limite de Betz, est une capture d’au maximum 60% de l’énergie cinétique de l’air en mouvement. Les turbines sur le marché dépassent aujourd’hui 40%.
La production annuelle de la Gigafactory de Tesla, la plus grande usine de batteries au monde, pourrait stocker trois minutes de la demande annuelle d’électricité des États-Unis. Il faudrait 1000 ans de fabrication de batteries pour répondre à deux jours de la demande d’électricité des États-Unis. Pendant ce temps, chaque kilo de batterie produite nécessite l’extraction, le transport et le traitement de 25 à 50 kilos de matériaux.
Conclusion : les révolutions énergétiques ne sont pas encore à l’horizon
Lorsque les 4 milliards de personnes les plus pauvres du monde amèneront leur consommation d’énergie à seulement 15% du niveau par habitant des économies développées, la consommation mondiale d’énergie augmentera de l’équivalent d’une demande supplémentaire de l’ensemble des Etats-Unis. Face à de telles projections, certains proposent que les gouvernements limitent la demande, voire interdisent certains comportements consommateurs d’énergie. Un article universitaire propose que « la vente de versions énergivores d’un appareil ou d’une application soit interdite sur le marché, et que les limitations deviennent progressivement plus strictes d’année en année, afin de stimuler les lignes de produits économes en énergie ». D’autres ont fait des propositions pour « réduire la dépendance énergétique », en limitant la taille des infrastructures ou en exigeant l’utilisation des transports en commun ou du covoiturage.
Le problème n’est pas seulement que les personnes les plus pauvres voudront et pourront inévitablement vivre davantage comme les personnes plus riches, mais aussi que de nouvelles inventions créent continuellement de nouvelles demandes d’énergie. L’invention de l’avion signifie que chaque milliard de dollars de nouveaux jets produits entraîne la consommation de quelque 5 milliards de dollars de carburant d’aviation, sur deux décennies, pour les faire fonctionner. De même, chaque milliard de dollars de construction de centres de données consommera 7 milliards de dollars d’électricité sur la même période. Le monde achète ces deux types d’énergie au rythme d’environ 100 milliards de dollars par an.
La marche inexorable du progrès technologique pour les choses qui utilisent de l’énergie crée l’idée séduisante que quelque chose de radicalement nouveau est également inévitable dans les moyens de produire de l’énergie. Mais parfois, l’ancienne technologie ou la technologie établie est la solution optimale, et presquegarantie contre tout dysfonctionnement. Nous utilisons toujours la pierre, les briques et le béton, qui datent tous de l’Antiquité. Nous le faisons parce qu’ils sont optimaux, pas « anciens ». Il en va de même pour la roue, les conduites d’eau, les câbles électriques… la liste est longue. Les hydrocarbures sont, jusqu’à présent, les moyens optimaux d’alimenter la plupart des besoins et des envies de la société.
Il y a plus de dix ans, Google a concentré son capital humain bien connu d’ingénierie sur un projet appelé « RE<C », cherchant à développer une énergie renouvelable moins chère que le charbon. Après l’annulation du projet en 2014, les principaux ingénieurs de Google ont écrit : « Les améliorations incrémentales des technologies [énergétiques] existantes ne suffisent pas ; nous avons besoin de quelque chose de vraiment disruptif. (…) Nous n’avons pas les réponses. ». Ces ingénieurs ont redécouvert les types de physique et de réalités d’échelle mis en évidence dans ce document.
Une révolution énergétique ne viendra que de la poursuite des sciences fondamentales. Ou, comme l’a dit Bill Gates, le défi exige des « miracles » scientifiques. Ceux-ci émergeront de la recherche fondamentale, et non des subventions aux technologies d’aujourd’hui. L’Internet n’est pas né de la subvention du téléphone commuté, ni le transistor de la subvention des tubes à vide, ni l’automobile de la subvention des chemins de fer.
Cependant, 95% des dépenses de R&D du secteur privé, et la majorité de celles du gouvernement, sont consacrées au « développement » et non à la recherche fondamentale. Si les décideurs politiques veulent une révolution dans les technologies énergétiques, l’action la plus importante serait de recentrer et d’augmenter radicalement le soutien à la recherche scientifique fondamentale.
Les hydrocarbures – pétrole, gaz naturel et charbon – constituent la principale ressource énergétique mondiale aujourd’hui, et ils continueront de l’être dans un avenir prévisible. Les éoliennes, les panneaux solaires et les batteries, quant à eux, constituent une petite source d’énergie, et la physique veut qu’ils le restent. En attendant, il est tout simplement impossible que le monde connaisse – ou puisse connaître – une transition à court terme vers une « nouvelle économie énergétique ».