Par Louis DELANNOY, Emmanuel ARAMENDIA,
Pierre-Yves LONGARETTI et Emmanuel PRADOS
Équipe de recherche STEEP (laboratoire Jean Kuntzmann, INRIA Grenoble)

Au fur et à mesure de leur exploitation, les combustibles fossiles deviennent plus difficiles d’accès et nécessitent plus d’énergie pour être extraits. La baisse continue de l’EROI du pétrole et du gaz semble dès lors préoccupante, étant donné que ces deux sources d’énergie représentent encore 52 % de la consommation énergétique globale. Toutefois, ces ratios sont mesurés au stade de l’énergie primaire et devraient plutôt être estimés au stade final ou utile, où l’énergie est au plus proche de la réalité des processus économiques. En suivant ce principe, les EROI des combustibles fossiles sont déjà aujourd’hui comparables voire inférieurs à ceux des énergies renouvelables, y compris lorsque des technologies de stockages d’énergie de court terme sont intégrées au calcul. Ce résultat fait partie du consensus émergent de la communauté scientifique d’analyse énergétique nette, mais sa dissémination se heurte aux fréquents malentendus sur l’EROI hérités de l’absence de méthodologie formelle avant les années 2010. Pour remédier à cette situation, nous
résumons les diverses étapes ayant mené à l’aboutissement de ce consensus émergent, présentons l’EROI du pétrole et du gaz au stade primaire, final et utile de 1971 à 2019, et discutons les implications vis-à-vis de la transition bas-carbone.

Contextualisation

La question du ratio de la quantité d’énergie nécessaire pour produire un baril de pétrole ou un mètre cube de gaz, par rapport à l’énergie fournie à la société lors de leur utilisation, préoccupe la communauté scientifique depuis les années 1980. L’EROI correspond à l’inverse de ce ratio, divisant la production totale d’énergie par l’apport d’énergie dans le système devant être consommée pour produire cette énergie. Si l’une des premières mentions est à mettre au crédit de M. K. Hubbert¹, à qui nous devons la théorie du pic pétrolier, le sujet est rapidement repris et développé en profondeur par Cutler Cleveland, Robert Costanza, Charlie Hall, et Robert Kaufman. Ces derniers sont les premiers à estimer le rendement énergétique de la production pétrolière aux États-Unis (Cleveland et al., 1984) et l’énergie nette des ressources en gaz dans le golfe du Mexique (Cleveland et Costanza, 1984). Cleveland poursuit ce travail en examinant le schéma général de l’extraction du charbon et des ressources pétrolières, et l’EROI qui en découle de 1954 à 1997 (Cleveland, 1992), puis en actualisant les calculs pour le pétrole aux États-Unis de 1954 à 1987 (Cleveland, 2005).

C’est à la même époque, et sous l’impulsion de Charles Hall, que la communauté d’analyse énergétique nette
commence à se montrer plus active dans l’application et la dissémination du concept d’EROI, comme en
témoignent les propositions de méthodologie formelle et nomenclature unifiée par Mulder et Hagens (2008)
et Murphy et al. (2011). Cet effort se voit renforcé par la montée en puissance du débat sur le pic pétrolier
et la crise financière mondiale – qui peut être relié à la stagnation de la production de pétrole conven-
tionnel (Hamilton, 2009) – catalysant la publication de nombreux travaux² par de nouveaux auteurs. Notons
par exemple la modélisation de l’EROI et de la production énergétique nette du pétrole offshore dans le golfe du Mexique (Gately, 2007), et la première évaluation de l’EROI mondial du pétrole et du gaz à la tête du puits entre 1992 et 2006 (Gagnon, 2009).

Un élément fondateur pour la structuration de la communauté est l’édition spéciale sur l’EROI dans le journal
Sustainability en 2011, où les analyses sur le pétrole et le gaz sont nombreuses. Citons notamment Brandt
(2011), qui explore la production énergétique nette du pétrole en Californie de 1955 à 2005 ; Guilford et al.
(2011), qui évaluent l’EROI à long terme pour le pétrole et le gaz américains ; Moerschbaecher et Day Jr. (2011), qui calculent l’EROI de la production de pétrole et de gaz dans les eaux profondes du golfe du Mexique en 2009 ; et Sell, Murphy et Hall (2011), qui examinent l’EROI des puits de gaz de réservoir étanche dans le bassin des Appalaches. Cette première salve de travaux est suivie
dans l’édition suivante du même journal par une estimation de l’EROI de la production conventionnelle de
gaz naturel au Canada (Freise, 2011), du schiste bitumineux (Cleveland et O’Connor, 2011), de la production
d’hydrates de méthane (Callarotti, 2011) et du pétrole et gaz norvégiens de 1991 à 2008 (Grandell, Hall et
Höök, 2011). Sustainability continue de publier régulièrement des analyses d’EROI, comme celle du champ
pétrolifère de Daqing en Chine (Hu et al., 2011) mais fait face à une concurrence accrue d’autres journaux
comme Energy Policy du fait de la meilleure compréhension de l’EROI par la communauté scientifique au
sens large.

Les années 2010 connaissent une profusion de travaux ayant trait à l’EROI du pétrole et du gaz à diverses
échelles géographiques et temporelles, revue par Delannoy et al. (2021a, 2021b). La grande majorité
s’attarde toutefois à estimer l’EROI des processus d’extraction, sans prendre en compte toute la chaîne
de conversion et de distribution³. Ce manque est comblé à l’échelle globale par Brockway et al. (2019),
qui estiment l’EROI primaire (à l’extraction) et final (à la distribution) des combustibles fossiles baissant res-
pectivement de 40 à 30 et de 7 à 6, de 1995 à 2011. Ce résultat novateur, salué pour sa rigueur, remet en
question la supposée primauté de l’EROI des fossiles sur celui des renouvelables et ce faisant, se heurte à
une frange d’utilisateurs avertis de l’EROI mais n’ayant pas suivi les récents développements au sein de la
communauté scientifique. Afin d’y répondre, celle-ci se mobilise et établit une liste de 9 points faisant partie
du consensus émergent (Delannoy et al., 2023), dont quatre concernent le pétrole et le gaz :
• l’EROI primaire du pétrole est inférieur à celui du gaz, qui est lui-même inférieur à celui du charbon. Les
deux premiers sont en baisse constante depuis les années 1950 en raison de l’épuisement progressif
des réserves les plus facilement accessibles ;
• les combustibles fossiles conventionnels tendent à avoir un EROI primaire inférieur à celui du gaz et du
pétrole de réservoirs étanches produits par fracturation, mais supérieur à celui d’autres combustibles
non conventionnels (sables bitumineux, huile de schiste extraite, méthane de houille, etc.) ;
• l’EROI primaire des ressources énergétiques fossiles s’améliore dans un premier temps au fur et à mesure
que la technologie se développe, avant de diminuer en raison d’une baisse de la qualité de la ressource
extraite⁴ ;
• l’EROI agrégé des combustibles fossiles au point d’utilisation diminue au fil du temps, bien qu’à un
rythme lent. Ceci est dû au fait que l’investissement énergétique le plus important n’est pas l’énergie
nécessaire à l’extraction, mais l’énergie ultérieure nécessaire au traitement et à la livraison – qui est lar-
gement indépendante du type de pétrole ou de gaz pour chacune de ces deux catégories de combustible
fossile (ce point est explicité plus en détail dans la partie intitulée Stades final et utile).

Un autre point du consensus émergent souligne qu’aujourd’hui, l’EROI au point d’utilisation de l’électricité
produite à partir de combustibles fossiles est souvent inférieur à celui de l’électricité d’origine photovoltaïque, éolienne et hydraulique, même lorsque les besoins énergétiques des technologies de stockage à court terme sont pris en compte (Raugei et al., 2020 ; Slameršak et al., 2022). La comptabilisation des besoins énergétiques liés aux dispositifs de stockage est toutefois plus pertinente au niveau du système énergétique d’un pays ou d’une région qu’au niveau d’une technologie de production d’électricité individuelle, car chaque technologie, si elle était déployée isolément, nécessiterait une certaine capacité de stockage pour réussir à suivre la demande d’électricité (Raugei et al., 2015 ; Carbajales-Dale et al., 2015).

Un dernier aspect essentiel concerne l’extension de l’analyse au stade utile de l’utilisation de l’énergie (Aramendia et al., 2021), c’est à dire au stade où l’énergie est effectivement échangée contre des services
énergétiques, qui dépend de l’efficacité du dispositif d’utilisation finale utilisé (voir la Figure 1 à la page sui-
vante). En effet, des vecteurs énergétiques différents peuvent être utilisés pour des utilisations finales simi-
laires avec des efficacités finales très différentes. Par exemple, l’efficacité du moteur d’un véhicule électrique
(fourchette 86-96 %) a une efficacité bien supérieure à celle d’un véhicule à combustion interne traditionnel
(fourchette 21-35 %) (Paoli et Cullen, 2020). Une étude récente (Aramendia et al., 2023) montre que la prise en compte de ces efficacités de conversion de l’énergie finale en utile est essentielle pour comprendre l’EROI
« effectif » des énergies fossiles, que nous explorerons dans la suite. Cette étude montre aussi que la prise
en compte de ces efficacités est cruciale pour comparer les énergies renouvelables, qui vont majoritaire-
ment produire de l’électricité, aux énergies fossiles, en général utilisées avec des efficacités bien plus basses.

Données historiques

Nous montrons ici l’évolution historique, au niveau mondial, de l’EROI du pétrole et du gaz, basée sur
une méthodologie issue des tableaux entrées-sorties (input-output tables) (Aramendia et al., 2022) appli-
quée au flux énergétiques (physiques) rapportés par l’Agence Internationale de l’Énergie (voir Aramendia et
al., 2023 pour plus de détails).

Stade primaire :
déclin de l’EROI

La Figure 2 montre l’évolution historique, au niveau mondial, de l’EROI du pétrole et du gaz au stade pri-
maire – l’évolution ne peut pas être séparée de manière rigoureuse en termes de pétrole et gaz avec les données de l’Agence Internationale de l’Énergie, celles-ci étant agrégées. Cependant, étant donné que l’extraction du pétrole et du gaz a souvent lieu de manière conjointe, le calcul d’un EROI moyen conjoint reste une hypothèse raisonnable.

Conformément à l’idée reçue de déclin du taux de retour énergétique au fur et à mesure du déclin de la
qualité des ressources, l’EROI moyen a bien fortement diminué depuis 1971, d’une valeur d’environ 40 à une valeur d’environ 20, soit un doublement des besoins énergétiques à l’extraction. Notons aussi que depuis
l’essor de l’exploitation du pétrole et du gaz de roche-mère (aussi dits « de schiste »), l’EROI moyen s’est
stabilisé. La longévité de ce plateau est toutefois questionnée du fait de l’exploitation accrue d’autres formes
de liquides pétroliers ou de gaz non conventionnels à EROI plus faible (Delannoy et al., 2021a ; 2021b).

Stades final et utile :
une dynamique moins évidente

La Figure 3 montre l’évolution historique, au niveau mondial, de l’EROI du pétrole et du gaz aux stades final
et utile, tous vecteurs énergétiques confondus (combustibles et électricité).

L’EROI au stade final a bien décliné au cours du temps, mais de manière bien moins marquée qu’au stade de
l’énergie primaire ; d’environ 9,9 en 1971 à environ 8,6 en 2019, ce qui correspond à une augmentation des
besoins énergétiques de 15 %. Le fait que l’EROI au stade final diminue bien moins qu’au stade primaire est
dû au fait que les phases de transformation de l’énergie primaire en énergie finale sont les plus demandeuses
d’énergie, particulièrement dans le cas du pétrole pour lequel la raffinerie constitue de loin le procédé le plus énergivore (Brandt, 2011 ; Yáñez et al., 2018) – de l’ordre de 80-90 % de la consommation énergétique.
Cela implique que 1) un EROI primaire en forte diminution a une influence modérée sur l’EROI final, et
2) une augmentation de l’efficacité énergétique (même modérée) dans le procédé de conversion de l’énergie
primaire en énergie finale peut compenser dans une certaine mesure une diminution de l’EROI primaire.

Par exemple, pour que l’EROI au stade final diminue jusqu’à 5 (soit une augmentation des besoins énergé-
tiques de 72 %), et en supposant une efficacité énergétique des procédés de transformation de l’énergie
primaire en finale (raffinerie, etc.) constante, l’EROI au stade primaire devrait chuter de sa valeur actuelle
d’environ 20 à une valeur d’environ 7,5, soit une augmentation des besoins énergétiques à l’extraction pri-
maire de 167 %, alors que ceux-ci ont mis 5 décennies (1971-2019) à doubler. De plus, l’efficacité énergétique des procédés de transformation de l’énergie primaire en énergie finale a augmenté au cours du temps (par exemple, la consommation moyenne d’énergie par unité d’énergie raffinée a diminué d’environ 10 % de 1971 à 2019 d’après les données de l’Agence Internationale de l’Énergie), et continuera a priori à faire de même, mitigeant ainsi le risque posé par le déclin de l’EROI au
stade primaire⁵.

Au sujet de l’EROI au stade utile, la Figure 3 montre deux éléments cruciaux. Premièrement, l’EROI utile est
bien plus bas que l’EROI final (environ 2,7 en 2019). Cela est dû aux efficacités de conversion de l’éner-
gie finale en énergie utile, qui sont en moyennes très basses pour les énergies fossiles. Deuxièmement, la
figure montre que contrairement à ses équivalents aux stades primaire et final, l’EROI utile n’a pas diminué au
cours du temps, mais a été relativement constant (dans la fourchette 2,5-2,7), malgré des besoins énergétiques en augmentation pour produire l’énergie finale. Cela est dû principalement aux efficacités de conversion de l’énergie finale en énergie utile qui ont légèrement augmenté au cours du temps. Aramendia et al. (2023) estiment notamment l’augmentation de l’efficacité moyenne de 51 à 74 % pour le gaz, et de 30 à 33 % en moyenne pour les produits pétroliers, pour les utilisations sous forme de combustible (hors électricité). Ces augmentations ont compensé la diminution de l’EROI aux stades primaire et final.

Les valeurs d’EROI au niveau de l’énergie utile cachent cependant des différences significatives. En effet, les
utilisations du pétrole et du gaz diffèrent : le gaz (haut EROI final) est fortement utilisé dans les applications
de chauffage et dans l’industrie, et les produits pétroliers (EROI final bien plus bas) sont majoritairement uti-
lisés dans les applications de mobilité. Or, l’efficacité de conversion de l’énergie finale en utile varie selon l’utilisation ; par exemple, un moteur thermique présente une efficacité d’environ 30 % alors qu’une chaudière récente présente une efficacité d’environ 90 %. Comme illustré par la Figure 4, l’EROI sera bien plus élevé pour une utilisation sous forme de chaleur à basse température (par exemple, chauffage résidentiel) que pour une utilisation dans un procédé industriel (par exemple, métallurgique).

Implications des EROI
du pétrole et du gaz
sur la transition énergétique

La sensibilité de l’EROI final du pétrole et du gaz (et a fortiori, au stade utile) vis-à-vis de l’EROI primaire
est modérée : une diminution importante de l’EROI primaire est nécessaire pour entraîner un déclin notable
de l’EROI final. De plus, aujourd’hui, l’EROI utile des énergies renouvelables est, contrairement aux idées
reçues, supérieur en moyenne à celui des énergies fossiles (Aramendia et al., 2023) ce qui suggère que
la transition bas-carbone peut se révéler être bénéfique d’un point de vue de l’EROI agrégé (Slameršak
et al., 2022). A priori donc, la quantité d’énergie nette disponible au cours des prochaines années devrait
être suffisante pour permettre l’investissement énergétique nécessaire à la transition (manufacture des tech-
nologies bas-carbone, extension et modification des infrastructures existantes, etc.). L’EROI n’est toutefois
qu’un aspect de la question car un choc énergétique structurel (notamment pour le pétrole, dont la fourniture est quasiment à flux tendu, avec très peu ou pas de marge d’augmentation de la production) pourrait réduire la fourniture d’énergie nette, et occasionner des conséquences macroéconomiques freinant la transition.

Dans un scénario de transition lente (incompatible avec les objectifs climatiques de l’Accord de Paris de 2015), le déclin de l’EROI primaire du pétrole et du gaz peut toutefois avoir des effets importants, comme des augmentations à long terme des prix de l’énergie et des prix généraux (King et Hall, 2011 ; Heun et de Wit,
2012) ainsi qu’une faible croissance du PIB (Jackson et Jackson, 2021). En d’autres termes, la transition
énergétique pourrait devenir plus difficile à réaliser si elle n’est pas amorcée suffisamment tôt, ce qui pourrait
être source de tensions géopolitiques qui elles-mêmes ralentiraient la transition (Delannoy et al., 2021a).

La baisse de l’EROI au stade primaire a cependant peu d’impacts pour les scénarios de transition rapide, qui
font eux face aux importants investissements énergétiques initiaux colossaux (Capellán-Pérez et al., 2019)
pouvant donner lieu à des taux d’emploi et d’inflation élevés (Jacques et al., 2022). Il apparaît donc néces-
saire qu’une fraction importante de l’énergie utilisée soit redirigée vers ces investissements essentiels. La faisabilité d’une transition énergétique rapide et juste est par conséquent tributaire de l’abandon de certains usages non essentiels de l’énergie (par exemple, les avions), le passage à des chaînes de conversion plus efficaces (par exemple, le remplacement d’une voiture à essence par une voiture électrique ou un vélo) et plus globalement la réduction de la consommation discrétionnaire d’énergie, nécessaire afin d’éviter que l’augmentation de l’efficacité énergétique se traduise en hausse de la consommation d’énergie via l’effet rebond. Ce dernier point semble majeur étant donné les hypothèses d’efficacité énergétique des scénarios existants, décorrélées des tendances historiques tout comme de leur potentiel effet rebond (Brockway et al., 2021). En ce sens, nous appelons à développer des scénarios alternatifs qui réalisent une convergence Nord-Sud permettant des conditions de vie décentes pour toutes et tous (Vogel et al., 2021 ; Millward-Hopkins et al., 2020) et cohérente d’un point de vue énergétique et des ressources, tout en étant compatible avec les objectifs climatiques de l’accord de Paris.

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