Par Gérard BONHOMME
Professeur émérite à l’Institut Jean Lamour ‒ Campus Artem ‒ Université de Lorraine,
et président de la commission Énergie & Environnement de la Société française de physique
Et Jacques TREINER
Chercheur associé au Laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain
et président du comité d’experts du Shift Project

Satisfaire les besoins en énergie de nos sociétés, dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique et de perspectives d’épuisement des stocks de combustibles fossiles et de ressources minérales, requiert de mettre en œuvre des solutions alternatives à bas-carbone. Le coût du MWh est sans doute un critère utile, mais, comme nous le montrons dans cet article, des critères physiques sont indispensables pour évaluer les solutions technologiques et les scénarios énergétiques envisageables. Le principal de ces critères fondés sur des grandeurs physiques est le taux de retour énergétique (EROI), qui mesure l’efficacité d’un système à fournir à la société une énergie utile pour des secteurs d’activité autres que le secteur énergétique lui-même.

Introduction

Les sociétés humaines sont soumises, pour ce qui concerne la gestion de leur approvisionnement éner-
gétique, à des contraintes analogues à celles des individus vis-à-vis de leur nourriture. Pour se maintenir et
se développer, une société ne doit consacrer qu’une fraction de ses ressources énergétiques à l’obtention
de ces mêmes ressources. L’essor de nos sociétés industrielles n’a été rendu possible que par la mise en
œuvre de ressources énergétiques comme le charbon et le pétrole, qui ont démultiplié les capacités de trans-
formation de la matière, tout en ne consacrant qu’une faible partie de l’énergie à l’obtention de ces ressources. L’évaluation de l’accès à des ressources énergétiques permettant d’assurer le bon fonctionnement de nos sociétés complexes nécessite de s’appuyer sur des critères fondés sur des grandeurs physiques objectives. La seule prise en compte de critères économiques à court terme est insuffisante et souvent trompeuse. Le premier point à considérer est donc celui de la quantité d’énergie dont une société peut disposer, compte tenu de l’autoconsommation du secteur énergétique lui-même. Le concept d’EROI permet une approche physique de ce point fondamental.

Définition et méthodologie

Pour survivre dans un environnement donné, tout animal doit être capable de fournir, à travers son méta-
bolisme, l’énergie associée au travail qu’il lui a fallu dépenser pour acquérir sa nourriture et celle de ses
petits, au travail correspondant à différentes activités vitales (battements du cœur, respiration, reproduction, confection du nid ou du terrier, etc.), à la chaleur produite pour assurer le maintien de sa température
(s’il est à sang chaud) et à l’énergie chimique liée au renouvellement de ses cellules. Il aura d’autant plus de
possibilités de pouvoir se livrer à l’ensemble des activités vitales précitées que la fraction de l’énergie mus-
culaire dépensée pour acquérir de la nourriture sera faible. Cela dépend non seulement des performances
intrinsèques de l’organisme, mais aussi de l’abondance de la nourriture et de la facilité à l’obtenir. C’est justement dans le cadre de l’écologie qu’a été introduite une grandeur mesurant le rapport entre l’énergie mise à la disposition du métabolisme (la nourriture) et l’énergie investie pour obtenir la première à partir de l’environnement. Dans le cas du métabolisme humain, l’on peut comprendre ainsi que la dépense énergétique d’un groupe de chasseurs-collecteurs ait pu varier dans d’assez grandes proportions, selon qu’il suffisait à ses membres de tendre les bras pour collecter une nourriture abondante ou que ceux-ci aient dû, au contraire, parcourir de vastes distances pour chasser un gibier qui était rare. De façon plus générale, et pour n’importe quel système énergétique, il est intéressant de considérer l’énergie mise à disposition ‒ E_out ‒ rapportée à l’énergie investie pour l’obtenir ‒ E_in. Ce rapport est appelé EROI, de l’acronyme anglais ‟Energy Return On Invested”.

L’EROI mesure les performances d’un système dans l’extraction de l’énergie utilisable à partir de son environnement, ce qu’il ne faut surtout pas confondre avec son efficacité à convertir la chaleur obtenue en brûlant un combustible (la nourriture) en d’autres formes d’énergie, en particulier en énergie mécanique, une efficacité que l’on mesure au travers de son rendement thermodynamique. Les êtres vivants comme les machines thermiques sont envisagés ici comme des multiplicateurs d’énergie (ou plutôt d’exergie²), le facteur amplificateur étant défini par l’EROI.

Si l’on raisonne à l’échelle de la société tout entière, Eout désigne l’énergie primaire totale mise à disposi-
tion en investissant l’énergie Ein, qui représente l’auto-consommation du secteur énergétique. De là, on peut
exprimer la fraction d’énergie nette restant disponible pour d’autres usages que la production d’énergie par
la relation :

La variation de cette fraction (en pourcents) en fonction des EROI décroissants est représentée sur la Figure 1.
Elle manifeste une décroissance très rapide en-deçà d’un EROI voisin de 5, d’où l’introduction du terme de
« falaise de l’énergie », traduisant le fait que si l’EROI passe en dessous de 5, il ne reste dès lors que très peu
d’énergie disponible pour satisfaire d’autres besoins que celui de la recherche d’énergie elle-même³.
Comment utiliser ce concept d’EROI pour caractériser les systèmes énergétiques mis en œuvre dans nos
sociétés ?

Le premier exemple d’utilisation concerne le cas de l’approvisionnement en combustibles fossiles. Le cas
particulier du pétrole et du coût énergétique de son extraction sert même de référence. Cet exemple permet
aussi d’illustrer les diverses façons de caractériser un système énergétique par la notion d’EROI.

• EROI-standard (EROI_st) : c’est, en sortie de puits, le rapport du nombre de tonnes de pétrole extraits
à son équivalent énergétique, exprimé en tonne-équivalent pétrole (tep), dépensé pour son extraction. Ainsi, dans les meilleures années de l’extraction pétrolière, ce nombre était de l’ordre de 100:1. Aujourd’hui, l’EROI du pétrole est de l’ordre de 30:1, et tombe même en dessous de 10:1 pour les sables bitumineux.

• EROI-point d’utilisation (EROI_pu) : le pétrole brut n’est pas utilisable en tant que tel. Il convient de le
transporter jusqu’à une raffinerie (d’où un premier coût énergétique investi), de le raffiner (autre coût
investi), puis de le transporter jusqu’à un réseau de distribution (troisième coût investi). L’énergie investie
est donc supérieure à l’énergie correspondant au cas précédent, si bien que EROI_pu < EROI_st.

L’évolution de l’EROI au cours du temps
et selon la géographie

L’EROI d’une ressource énergétique varie au cours du temps. La disponibilité de la ressource, son abon-
dance et le progrès technologique affectent à la fois le numérateur (E_out) et le dénominateur (E_in). La question se pose différemment pour les énergies de stock et les énergies de flux.

Concernant les combustibles fossiles, l’analyse de séries longues est rendue difficile par le manque de
données techniques permettant d’effectuer une comptabilité en termes purement énergétiques. Une approche consiste alors à prendre les coûts monétaires (les prix) comme « proxy », c’est-à-dire comme de bonnes représentations des coûts énergétiques. L’idée est que toute dépense énergétique correspond à des transformations de la matière, ces transformations mettant en jeu du travail et du capital qui ont, tous deux, une valeur monétaire. Cette approche présente évidemment des biais, associés notamment au fait que tout mouvement purement spéculatif introduit des fluctuations non significatives du point de vue énergétique.

Une analyse parmi les plus récentes et les plus complètes présente différentes façons de lisser ces fluctua-
tions de façon à dégager des tendances lourdes [3]. Elle indique que l’EROI du pétrole et celui du gaz sont
passés par leurs maximums respectifs dans les années 1930 et 1940, avec des valeurs respectives de 50 :1 et
de 150 :1. Celui du charbon est en revanche toujours croissant. Ces tendances doivent être mises en corrélation avec la production annuelle de ces différentes ressources : on s’attend en effet à ce qu’au début de l’exploitation, la découverte de nouveaux gisements et la maîtrise progressive de leur extraction fassent croître leur EROI, mais qu’avec l’épuisement d’une ressource de stock et, de fait, la moindre richesse des gisements, leur extraction soit de plus en plus difficile et exige la mise en œuvre de techniques de plus en plus coûteuses, ce qui fait décroître l’EROI.

Pour les énergies de flux, qui, elles, sont bien inépuisables, la variabilité de l’EROI se pose non seulement
en termes de progrès technologiques, mais également en termes de disponibilité géographique et de quantités suffisantes pour répondre à la demande.

Deux études détaillées récentes [4, 5] se sont intéressées à la disponibilité et à la qualité des ressources
pour l’éolien et le solaire selon les localisations géographiques. On s’attend naturellement à ce que l’EROI
varie en fonction du flux disponible selon la localisation. En utilisant un maillage complet de la surface terrestre et en prenant en compte les potentiels et les surfaces disponibles par cellule, les auteurs obtiennent des estimations des quantités d’énergie accessibles. Dans le cas particulier de la production d’électricité à partir du flux solaire, les auteurs ont déterminé pour les différentes technologies (solaire photovoltaïque et solaire à concentration) les quantités d’énergie accessibles par plage d’EROI. Au niveau mondial, avec une surface disponible de l’ordre de 5 %⁴ de la surface totale des terres, le potentiel photovoltaïque maximal accessible avec un EROI supérieur à 9 s’élève à 184 EJ/an, soit 51 150 TWh, dont 67 % pour l’Afrique et… 0 % pour Europe (à comparer aux quelques 25 000 TWh d’énergie électrique consommées aujourd’hui). Or, l’EROI calculé par les auteurs est déjà nécessairement surévalué, car il ne prend pas en compte les dépenses énergétiques liées au stockage. Le résultat pour l’Europe est particulièrement signifiant : en considérant des valeurs d’EROI aussi petites que 4, le potentiel maximal pour le solaire photovoltaïque se monte à 10 EJ/an, soit 2 780 TWh/an (à comparer à la consommation électrique annuelle actuelle, de 3 330 TWh). Ce résultat correspond bien à ceux mis en évidence par Prieto et Hall [6] et par Weiβbach et al. [7] (sans stockage), comme on va le voir ci-après.

Un autre exemple est donné à travers la biomasse. Son utilisation pour la production d’électricité est considérée dans le paragraphe suivant. Mais une approche plus pertinente, au regard de son utilisation depuis l’invention de l’agriculture (et du stockage des ressources), tient compte des usages majoritaires de la biomasse dans le monde : en tant que nourriture et source de chaleur. On trouvera des analyses intéressantes des taux de retour en énergie pour différents types de pratiques agricoles dans les travaux récents de Carl Jordan [8], et de S. Harchaoui et P. Chatzimpiros [9].

EROI des sources d’énergie électrique

Avec la part de plus en plus importante prise par l’électricité, il convient de se demander comment adapter le concept d’EROI à des sources électrogènes de façon à pouvoir les comparer.

Dans ce cas, on choisira pour Eout l’énergie électrique produite. Il s’agit donc ici de l’EROI-standard.

Précisons à ce niveau la nécessité de prendre en compte une différence fondamentale entre les sources
pilotables, que sont les centrales thermiques traditionnelles, et les sources électrogènes non pilotables, que
constituent les éoliennes ou les parcs photovoltaïques. La puissance électrique variable délivrée au cours du temps ne peut être prise en compte pour constituer l’énergie utilisable que si elle répond à tout instant à
la demande du réseau. La situation peut être comparée à celle d’un être vivant qui, dans un environnement
donné, ne serait pas en mesure de collecter sa nourriture à un rythme correspondant aux besoins de son
métabolisme. En l’absence de possibilité de stockage d’une partie de la nourriture collectée, celle-ci serait
irrémédiablement perdue, avec une incidence majeure sur l’EROI.

Notons cependant que la capacité d’un réseau électrique à intégrer en temps réel la production de sources
intermittentes non pilotables dépend du taux de pénétration de ces sources. On peut reprendre la compa-
raison précédente. Un agriculteur-éleveur peut profiter occasionnellement des ressources en gibier offertes
par la forêt voisine, évitant par là même de puiser dans ses réserves.

Les calculs doivent être faits pour l’ensemble du cycle de vie de l’installation, tel qu’illustré par la Figure 2. Il
est nécessaire de prendre en compte les coûts énergétiques de la construction de l’installation, de son
fonctionnement et de sa maintenance, ainsi que de son démantèlement. On comprend aisément que la durée de vie de l’installation soit déterminante dans la détermination de l’EROI final. On notera que la notion souvent utilisée de « temps de retour en énergie » ne mesure que le temps nécessaire à une installation pour fournir, lors de son fonctionnement, une quantité d’énergie correspondant à celle investie lors de sa construction.

L’évaluation de ces différents coûts énergétiques, qui implique la détermination de ceux de l’extraction, de
la mise en œuvre des matériaux et de l’autoconsommation de l’installation, est une tâche ardue. Cette part
est représentée en rouge et en orange dans la phase d’exploitation commerciale du schéma ci-dessus (voir
la Figure 2). L’étude complète a été effectuée par une équipe de physiciens allemands (voir la référence
bibliographique [7]), dont les résultats seront résumés dans le paragraphe suivant. Compte tenu de la difficulté à déterminer de façon purement physique chaque coût énergétique, nombre d’auteurs, s’appuyant sur le fait que les prix jouent un rôle comparable à celui de l’énergie en matière de mesure universelle des transformations de la matière associées à la création de biens et de services, évaluent les différents termes impliqués dans le calcul des énergies d’entrée et de sortie à partir de leurs équivalents en coûts monétaires. Cela conduit à des difficultés de comparaison, surtout si le lien entre coûts monétaires et coûts énergétiques est établi en termes d’énergie primaire.

En outre, l’examen précis des limites du système à considérer fait d’ailleurs apparaître une différence fon-
damentale entre les énergies de stock et les énergies de flux. Pour les énergies de stock alimentant des
sources pilotables, les équipements auxiliaires qui consomment une partie de l’énergie produite par l’ins-
tallation sont pour l’essentiel ceux de mise en œuvre des techniques d’extraction minière et, lorsqu’il s’agit de
combustible nucléaire, les dispositifs d’enrichissement. Pour les énergies de flux, il est nécessaire de prendre
en compte, en tant qu’équipements auxiliaires, les dis- positifs de stockage nécessaires pour que l’énergie
électrique délivrée réponde vraiment à une demande sociétale : les réseaux électriques fonctionnent en effet
avec de la puissance garantie, et non de la puissance intermittente [10]. La prise en compte de cette caracté-
ristique n’est pas toujours effective, alors que son incidence sur l’EROI est, comme on va le voir, tout sauf
négligeable.

Résultats et discussion

Nous rapportons ici (voir la Figure 3) les résultats obtenus par Weißbach et al. En dépit d’inévitables
marges d’incertitude, ces résultats fournissent des indications fiables pour les principaux systèmes élec-
trogènes : centrales thermiques alimentées en combustibles carbonés fossiles, à partir de la biomasse,
ou en combustible nucléaire ; installations convertissant directement les flux solaire et éolien en énergie
électrique.

On constate pour le solaire et l’éolien l’énorme incidence sur l’EROI de la prise en compte des disposi-
tifs de lissage et d’équilibrage entre la demande et la production électrique (stockage de l’énergie ou puis-
sance de soutien, par exemple les centrales à gaz). On notera à ce sujet la différence d’ordre de grandeur
qui existe entre les fluctuations de la demande journalière d’électricité (typiquement de l’ordre de 10 % de
la puissance moyenne appelée) et les fluctuations de la production issue des sources intermittentes, qui sont
de l’ordre de la puissance moyenne délivrée (éolien), voire de la puissance installée (solaire PV). C’est ce qui
motive le fait de tenir compte des dispositifs de lissage. On remarque aussi sans surprise que plus les sources
sont diffuses, plus l’EROI est faible. Quant au nucléaire, on pourrait s’attendre à une valeur de l’EROI encore
plus élevée compte tenu de la concentration de cette forme d’énergie⁵. Il n’en est rien. Cela tient essentiellement au coût énergétique élevé de l’enrichissement de l’uranium, ainsi qu’à un faible taux d’utilisation du combustible dans les réacteurs actuels.

La faible performance du solaire photovoltaïque pourrait interroger. Elle fait du reste l’objet d’âpres
débats. Mais les valeurs obtenues par Weißbach et al. (pour l’Allemagne) sont, in fine, comparables à celles
obtenues par Prieto et Hall (pour l’Espagne), tout en utilisant une méthodologie différente. Une comparai-
son détaillée des deux approches a été effectuée, ce qui est souvent un exercice rendu difficile par la
variété des hypothèses faites, en particulier concernant les conditions aux limites considérées et la prise
en compte ou non de la gestion de l’intermittence. En effet, les résultats d’analyses se limitant aux panneaux
photovoltaïques, bien qu’intéressantes pour évaluer entre elles des technologies, ne sauraient être directe-
ment comparées à celles qui considèrent l’installation dans son ensemble, y compris son intégration dans le
réseau électrique.

EROI sociétal⁶

Il est possible d’obtenir une estimation d’un EROI sociétal à partir du poids du secteur de l’énergie dans la formation du produit intérieur brut (PIB). Pour les pays de l’OCDE, cet EROI équivaut à environ 7 %. L’inverse de ce poids donne une valeur comprise entre 14:1 et 15:1. Si l’on pondère cette valeur par le rapport entre l’énergie primaire et l’énergie finale qui, en France, est de 1,9, cela conduit à un EROI sociétal de 7,5 :1. Cette valeur est très inférieure aux valeurs de l’EROI des sources d’énergie, majoritairement fossiles. Cela s’explique
par le fait que l’EROI sociétal, contrairement à l’EROI-standard, tient compte des systèmes nécessaires pour
que l’énergie soit utilisable par les consommateurs.

Le faible poids du secteur énergétique dans la formation du PIB ne doit pas être pris pour une indication de
sa faible importance économique. En effet, l’énergie ne constitue pas un domaine à part, puisqu’elle intervient dans tous les secteurs d’activité, dont elle détermine les capacités de production⁷.

Un aspect à ne pas négliger est l’impact de l’EROI des sources utilisées, et de son évolution temporelle, sur
la consommation totale d’énergie. En effet, plus l’EROI de ces sources sera bas et plus il faudra augmenter
la production d’énergie totale de façon à maintenir la quantité d’énergie nette destinée à couvrir les services
énergétiques dont la société a besoin. Deux études récentes [11, 12] examinent ce point dans le cadre
de scénarios élaborés pour substituer des ressources renouvelables aux combustibles fossiles dans la production d’énergie électrique.

Conclusion

De nombreux scénarios de transition énergétique cherchant à respecter les Accords de Paris sur le climat
et visant la neutralité carbone pour 2050 ne se fondent que sur les seuls critères de coûts pour la mise en
œuvre de sources bas-carbone. Il est pourtant nécessaire de s’appuyer sur des critères physiques objectifs,
dont l’un des plus importants est l’EROI. Cette question est fondamentale à l’échelle de toute société, car le
maintien et le fonctionnement de ses structures et services (éducation, santé, arts, etc.) ne peuvent être
garantis que si l’énergie nette – c’est-à-dire l’énergie totale disponible diminuée de l’autoconsommation du
secteur énergétique – est suffisante. À cet égard, le cas très débattu des énergies de flux, en particulier électrogènes, doit être analysé selon ce critère. En revanche, d’autres aspects essentiels, qui interviennent déjà dans l’évaluation de l’EROI, comme la disponibilité des flux, les surfaces mobilisées et les besoins en ressources minérales (voir VIDAL O. (2013) [13]), doivent être analysés de façon distincte.

Bibliographie

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[11] CAPELLÁN-PÉREZ I., DE CASTRO C. & GONZÁLEZ L. J. M. (2019), ‟Dynamic Energy Return on Energy Investment (EROI) and material requirements in scenarios of global transition to renewable energies”, Energy Strategy Reviews 26, November, 100399, https://doi.org/10.1016/j.esr.2019.100399
[12] DE CASTRO C. & CAPELLÁN-PÉREZ I. (2020), ‟Standard, Point of Use, and Extended Energy Return on
Energy Invested (EROI) from Comprehensive Material Requirements of Present Global Wind, Solar, and Hydro Power Technologies”, Energies 13, 3036, https://doi.org/10.3390/ en13123036
[13] VIDAL O. et al. (2013), ‟Metals for a low-carbon society”, Nature Geoscience 6, pp. 894-896, https://doi.org/10.1038/ngeo1993