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Dans le contexte d'un changement climatique qui progresse rapidement, nous devons réduire plus résolument les émissions de gaz à effet de serre. À l'échelle mondiale, les principales sources d'émissions sont l'électricité et la chaleur (31 %), l'agriculture (11 %), les transports (15 %), la foresterie (6 %) et l'industrie manufacturière (12 %). La production d'énergie de tous types représente 72 % de toutes les émissions. Certains des prétendants retenus par l’IPCC servant à rester en dessous de 2°C d’ici 2050 sont plus ou moins efficaces. Ici nous allons évaluer l’impact des plus importants outils de production électriques.
Les émissions de CO2 représente environ 76 % des émissions totales de gaz à effet de serre. Le méthane, principalement d'origine agricole, contribue à 16 % des émissions de gaz à effet de serre et l'oxyde nitreux, principalement d'origine industrielle et agricole, contribue à 6 % des émissions mondiales.
La vapeur d'eau est connue pour être le gaz à effet de serre le plus abondant sur Terre, mais l'étendue de sa contribution au réchauffement climatique a été débattue, sans qu’un consensus soit établi à l’heure actuelle. Néanmoins on sait que la vapeur d'eau piége la chaleur dans l'air, validant le rôle du gaz en tant que composante essentielle du changement climatique. Andrew Dessler et ses collègues de la Texas A&M University du College Station ont confirmé que l'effet d'amplification de la chaleur de la vapeur d'eau est suffisamment puissant pour doubler le réchauffement climatique causé par l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. (Dessler 2008)
Avec de nouvelles observations, les scientifiques ont confirmé expérimentalement ce que les modèles climatiques existants avaient prévu théoriquement. L'équipe de recherche a utilisé de nouvelles données du sondeur infrarouge atmosphérique (AIRS) sur le satellite Aqua de la NASA pour mesurer avec précision l'humidité dans les 18 kilomètres les plus bas de l'atmosphère. Ces informations ont été combinées à des observations globales des changements de température, permettant au GIEC de dresser un tableau complet de l'interaction entre la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et d'autres gaz qui réchauffent l'atmosphère.
Le flux de chaleur anthropique (AHF), fait référence à la chaleur dissipée par les activités humaines (par exemple, par la production d'électricité, l'industrie, les transports). Plusieurs travaux ont exploré son effet possible sur le système climatique global de la Terre, certains d'entre eux affirmant qu'il pourrait devenir une cause majeure du réchauffement climatique (Chaisson 2008) ou, du moins, qu'il devrait être pris en compte lors de l'allocation des financements entre plusieurs énergies concurrentes ( Cowern & Ahn 2008, Jacobson et al. 2009). Des travaux récents ( Zhang & Caldeira 2015 , Firth et al. 2019 ,Jin et al. 2019 ) ont montrés que l'effet global de l'AHF seait actuellement négligeable, surtout lorsqu'on le compare au forçage radiatif causé par les émissions de gaz à effet de serre comme le CO2. Nous explorerons si cela restera valable à l'avenir en calculant l'AHF pour quelques projections énergétiques à long terme. En effet, comme les sources d'énergie à faible émission de carbone, telles que l'énergie nucléaire, produisent de grandes quantités de chaleur, limiter le réchauffement climatique en dessous des 2°C serait encore plus difficile que prévu dans le cas où la chaleur aurait un impact significatif.
Enfin nous verrons pourquoi certaines des solutions comme le nucléaire génère plus d’émissions de gaz à effet de serre que dans les analyses scientifiques reprises par le GIEC.
Application pour le nucléaire français :
Calcul des émissions de vapeur
La combustion de combustibles fossiles, de biocarburants et de biomasse dégage non seulement de la chaleur, mais aussi de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau résulte d'une réaction chimique entre l'hydrogène du combustible et l'oxygène de l'air. Les centrales au charbon, au gaz naturel et nucléaires ont besoin d'eau froide pour recondenser la vapeur chaude qui sort d'une turbine à vapeur. Ce processus entraîne une évaporation importante de l'eau d'une tour de refroidissement vers le ciel.
Dans l’équation,
M = ECO2 x Am/(FCO2 x Gelec) (1)
où ECO2 est le taux d'émission anthropique global de CO2 à l'équilibre (gr eq CO2 /y) qui donne un rapport de mélange anthropique de CO2 dans l'atmosphère, FCO2 est le forçage radiatif direct (W/m2 ) du CO2, Gelec est la production annuelle d'énergie globale de la technologie (kWh/an). Le forçage radiatif est l'augmentation (+) ou la diminution (-) nette du rayonnement infrarouge solaire et thermique descendant au sommet de l'atmosphère.
ECO2 = XCO2C/TCO2
où XCO2 (en ppmv) est le ratio de mélange anthropique donnant le forçage radiatif actuel en CO2, TCO2 est la durée de viedu CO2 dans l’atmosphère : 110 ans (Schwartz 2021) en augmentation. Quand au flux d'énergie de l'humidité anthropique moyenné à l'échelle mondiale, il peut être obtenu à partir du flux de vapeur d'eau par unité d'énergie (V, kg-H2 O/kWh) de la manière suivante
Am = V x Le x Gelec/(S x Ae) (2)
où V = 3L-H2 O/kWh est la quantité d’eau transformée en vapeur, Le = 2460 J/kg-H2O est la chaleur latente d'évaporation, Gelec = 2 643 x 10^12 est la production annuelle (ici du nucléaire), S = 31 536 x 10^7 secondes par an, et Ae = 5,092 x 10^14 m2 est la surface de la Terre.
En combinant les équations (1) et (2), on obtient les émissions moyennes mondiales de CO2 e par unité d'énergie dues à un flux de vapeur d'eau positif ou négatif résultant d'un générateur d'énergie, sous la forme suivante
M = ECO2 x V x Le/(FCO2 x S x Ae) (3)
Am = 3 x 2460 x 2 643*10^12 / (31 536*10^7) x (5 092*10^14)
Am = 0,00092 W/m2
M = Am x V x Le / (Gelec x S x Ae) (4)
M = 0,00092 x 3 x 2 460 / (2 643*10^12 x 31 536*10^7 x 5 098*10^14)
M = 1,21 gr eq CO2/kWh de vapeur d’eau
Calcul de la chaleur
Les émissions de CO2 e (g-CO2 e/kWh) dues au flux de chaleur anthropique sont calculées comme suit pour toutes les technologies (y compris les flux de chaleur négatifs dus au solaire et à l'éolien) :
H = ECO2 x Ah/(FCO2 x Gelec) (5)
où Ah est le flux de chaleur anthropique 0,47 W/m2 (Lu 2017) dû à une source de chaleur provenant de la production d'énergie électrique.
H = 1,57 gr eq CO2/ kWh
Calcul du coût d’opportunité
Les émissions liées au coût d'opportunité sont des émissions provenant du réseau électrique de base, moyennées sur une période définie (par exemple, 20 ans ou 100 ans), en raison de deux facteurs. Le premier facteur est le délai plus long entre la planification et l'exploitation d'une technologie énergétique par rapport à une autre. Le second facteur est le temps d'arrêt plus long nécessaire à la remise à neuf d'une technologie à la fin de sa vie utile lorsque celle-ci est plus courte que celle d'une autre technologie (Jacobson, 2009).
Par exemple, si la planification et l'exploitation d'une usine A prend 4 ans et celle d'une usine B prend 10 ans, le réseau de fond émettra de la pollution pendant 6 années de plus sur 100 ans avec l'usine B qu'avec l'usine A. Les émissions pendant ces 6 années supplémentaires sont des émissions de coût d'opportunité.
Ces émissions supplémentaires comprennent les émissions de polluants atmosphériques affectant la santé et le climat.
Pour l’exemple je prendrai le réacteur en construction de Flamanville dont les premiers débats ont débutés en 2002/2003, pour une fin de chantier prévue en 2023. Soit 20 ans. Ce qui n’est pas très éloigné du temps moyen d’autres réacteurs. Je choisi aussi de prendre la moyenne de durée de vie des réacteurs arrêtés en 2021, soit 45 ans et les temps d’arrêts pour entretiens, recharges, visites décennales, pannes,... est de 3 ans. Alors que pour l’eolien la durée de construction est de 3 ans et 1 mois pour les temps d’arrêts, que nous calculons avec,
ECOn = EBR,n - EBR,e
EBR,n = 105 x (20 + (100-20) x 3 / 45)/100
EBR,n = 26,6 grCO2/kWh
EBR,e = 105 x (3 + (100 - 3) x 1 / 25)/100
EBR,e = 7,2 grCO2/kWh
ECOn = 26,6 - 7,2
ECOn = 19,4 grCO2/kWh
Résultats
Sources
Dessler, A. E., Zhang, Z., and Yang, P. (2008), Water-vapor climate feedback inferred from climate fluctuations, 2003–2008, Geophys. Res. Lett., 35, L20704, doi:10.1029/2008GL035333.
Eric J. Chaisson, Energy Budgets of Evolving Nations and Their Growing Cities, Energies, 10.3390/en15218212, 15, 21, (8212), (2022).
Cowern & Ahn https://doi.org/10.48550/arXiv.0811.0476
Zhang, X., and Caldeira, K. (2015), Time scales and ratios of climate forcing due to thermal versus carbon dioxide emissions from fossil fuels. Geophys. Res. Lett., 42, 4548– 4555. doi: 10.1002/2015GL063514.
Anton Firth, Bo Zhang, Aidong Yang, 2019 Quantification of global waste heat and its environmental effects, Applied Energy, Volume 235, 2019, Pages 1314-1334,
ISSN 0306-2619,
Jin, K., Wang, F., Chen, D. et al. A new global gridded anthropogenic heat flux dataset with high spatial resolution and long-term time series. Sci Data 6, 139 (2019). https://doi.org/10.1038/s41597-019-0143-1
Jacobson, M. (2020). <i>100% Clean, Renewable Energy and Storage for Everything</i>. Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/9781108786713
Forster, P., T. Storelvmo, K. Armour, W. Collins, J.-L. Dufresne, D. Frame, D.J. Lunt, T. Mauritsen, M.D. Palmer, M. Watanabe, M. Wild, and H. Zhang, 2021: The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 923–1054, doi: 10.1017/9781009157896.009.
Philipona, R., Durr, B., Ohmura, A., and Ruckstuhl, C. (2005), Anthropogenic greenhouse forcing and strong water vapor feedback increase temperature in Europe, Geophys. Res. Lett., 32, L19809, doi:10.1029/2005GL023624.
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