Décarboner aussi la production de chaleur et de froid pour réussir la transition énergétique

Bulletin GSI de décembre 2020

« Réduire l’utilisation des énergies fossiles pour la production de chaleur et de froid reste l’un des plus grands défis de la transition énergétique » selon l’IRENA[1], l’AIE[2] et REN21[3], trois importantes institutions internationales, très engagées dans l’accompagnement des pays pour leur transition vers un avenir énergétique durable. Cette transition, on le sait, tient des engagements que ces pays ont pris dans le cadre de l’Accord de Paris et de l’Agenda 2030 pour le Développement durable. Comme contribution à l’effort collectif mondial nécessaire pour relever ce défi majeur, ces 3 institutions ont uni leurs forces pour réaliser l’étude Renewable Energy Policies in time of transition : heating en cooling[4].

Selon cette étude, la production de chaleur et de froid absorbe près de la moitié de l’énergie consommée dans le monde. Les énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz) et la biomasse traditionnelle constituent les principales sources d’énergie mobilisées à ce niveau, notamment pour répondre aux besoins de chaleur et de froid dans l’industrie et l’agriculture, dans les bâtiments commerciaux et résidentiels, ainsi que dans l’habitat rural des pays en développement, s’agissant en particulier de la biomasse traditionnelle. La production de chaleur et de froid est ainsi responsable de 40% des émissions mondiales de gaz à effet de serre et une source majeure de pollution de l’air intérieur et extérieur.

Comment, dans ces conditions, réussir la transition vers un avenir énergétique durable, sans une transformation radicale du Mix énergétique utilisé pour chauffer et climatiser nos bâtiments, alimenter en énergie les process industriels et l’agriculture, et sortir près de 40% de la population mondiale du piège mortel de la biomasse traditionnelle?

L’étude Renewable Energy Policies in time of transition : heating en cooling examine cette question et suggère des voies de transformation de ce Mix énergétique pour qu’il soit compatible avec l’enjeu d’un avenir énergétique durable. L’électrification par les renouvelables des différents procédés en jeu et l’utilisation de gaz renouvelables, de la biomasse durable, du solaire thermique et de la géothermie participent de ces voies. L’étude identifie les obstacles au déploiement de ces techniques et propose différents instruments politiques pour les lever.

Ce numéro du bulletin porte sur cette étude. L’aperçu qu’il en donne ici se veut une contribution à sa découverte et à sa diffusion la plus large. Il en présente les principales recommandations après i) un bref retour sur les enjeux d’un mix énergétique durable pour la production de chaleur et de froid et ii) quelques rappels motivés sur les voies de transformation de ce mix et sur les obstacles à leur déploiement.

Enjeux d’un Mix énergétique durable pour la production de chaleur et de froid

Pour bien comprendre la portée de l’étude conjointe IRENA-AIE-REN21, il convient de revenir brièvement sur le discours courant concernant la transition énergique, une transition nécessaire pour réaliser :

l’équilibre des émissions d’ici le milieu du siècle suivant les dispositions arrêtées dans l’Accord de Paris pour limiter l’élévation de la température moyenne de la planète “nettement en dessous de 2°C“, en visant 1,5°C;
l’accès universel aux services énergétiques modernes d’ici 2030 pour respecter l’engagement pris dans l’Agenda 2030 par l’ensemble des pays du monde de ne laisser personne de côté.

Le discours courant concernant ces enjeux donne l’impression que l’électrification généralisée des usages de l’énergie, grâce aux renouvelables, le solaire et l’éolien notamment, est la panacée. Il a tendance à passer sous silence les hard-to-electrify sectors, les secteurs difficiles à électrifier, comme ceux de la sidérurgie, de la cimenterie, des produits chimiques, du transport routier longue distance, du transport maritime et de l’aviation.

Les besoins de froid et de chaleur de ces secteurs ainsi que de ceux de l’agriculture et des bâtiments commerciaux ou résidentiels représentent comme déjà indiqué, près 50% de la consommation mondiale d’énergie.

Ces besoins sont appelés à croître en ce qui concerne notamment le froid dont la demande mondiale a triplé depuis 1990, selon l’étude. Cette tendance devrait se maintenir. Avec le changement climatique, le nombre et la sévérité des vagues de chaleur iront s’accroissant, renforçant partout dans le monde le besoin de climatisation et de réfrigération.

Les combustibles fossiles constituant l’essentiel des sources d’énergie utilisées pour répondre à ces besoins, ces secteurs représentent aujourd’hui 40 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, selon l’étude. Avec la biomasse traditionnelle, source principale de chaleur pour la cuisson et le confort domestique pour 40% de la population mondiale, ils sont aussi les principales sources de pollution de l’air extérieur et intérieur à l’origine de 7 millions de décès prématurés par an selon l’OMS[5].

La mutation du Mix énergétique vers les renouvelables dans la production de chaleur et de froid participe ainsi directement des efforts visant à réaliser l’équilibre des émissions d’ici le milieu du siècle. Elle s’inscrit aussi, pleinement, dans la perspective de l’agenda 2030, en fournissant des services énergétiques qui réduisent la pauvreté énergétique, limitent la pollution de l’air et réalisent l’accès de tous, sans faire de laissés-pour-compte, à des services énergétiques modernes. Les bénéfices de cette mutation couvrent aussi le renforcement de la sécurité énergétique et la création d’emplois contribuant directement au développement local.

Voici, selon l’étude, certains des bénéfices évidents de la mutation vers les renouvelables du Mix énergétique pour la production de chaleur et de froid: « Rien qu’en Afrique, fournir aux ménages et aux petits agriculteurs des technologies appropriées de production de froid pourrait empêcher la détérioration de 4 milliards USD de nourriture par an. Le passage des combustibles fossiles et de la biomasse traditionnelle aux renouvelables modernes entraînerait également des réductions importantes de la pollution de l’air intérieur et extérieur, réduisant les infections respiratoires et la mortalité évitable causée par la pollution atmosphérique » (IRENA-IEA-REN21, 2020).

Et malgré ces bénéfices indéniables, l’attention accordée à ce volet important de la transition énergétique reste limitée. L’étude indique que fin 2019, seulement 49 pays, sur près de 200 que comptent les Nations Unies, ont des objectifs nationaux d’introduction des renouvelables dans la production de chaleur et de froid. A contrario, ils sont 166 à en avoir pour la production d’électricité à partir des renouvelables.

De solides obstacles à vaincre

Les obstacles à la décarbonation de la production de chaleur et de froid sont nombreux, variant suivant le contexte et l’approche retenue. Plusieurs sont cependant partagés. Parmi eux, l’étude cite les coûts initiaux élevés, les cadres réglementaires et institutionnels basés sur les combustibles fossiles, l’inertie des consommateurs et les obstacles techniques, qui sont de loin les plus importants. Le tableau ci-dessous en donne un premier aperçu.

« L’absence de signaux politiques de long terme crédibles réduit la volonté des consommateurs et des investisseurs de faire des investissements initiaux, de peur que les bénéfices futurs ne soient pas au rendez-vous », souligne l’étude. Il s’agit là de l’un des principaux obstacles politiques et institutionnels auxquels viennent s’ajouter des règles du jeu faussées en faveur des combustibles fossiles. Les externalités qui sont imputables à ces combustibles comme la pollution de l’air ou le changement climatique dû aux émissions de CO₂, ne sont pas prises en compte dans leurs coûts de mise en œuvre. L’étude rapporte que les subventions à leur consommation ont atteint 400 milliards de USD en 2018 contre 280 l’année d’avant.

L’inertie des consommateurs est un autre facteur limitant de la demande de chaleur et de froid carboneutres et durables. Selon l’étude, cette inertie tient d’un manque flagrant d’information et de connaissance sur les options existantes aussi bien de la part des consommateurs, des vendeurs que des prêteurs. Des expériences négatives liées à des systèmes mal conçus et mal installés n’ont guère amélioré la perception des renouvelables dans la production de chaleur et de froid. Il faut aussi reconnaître, indique l’étude, qu’« il peut être difficile pour certaines technologies renouvelables de répondre pleinement aux exigences de température, de pression et de quantité de chaleur requises par certains utilisations industrielles », précisant en outre que certaines technologies ne sont pas encore pleinement développées ou totalement fiables.

Le bilan synthétique que dresse l’étude des initiatives politiques prises ici et là dans le monde pour développer la décarbonation de la production de chaleur et de froid montre que ces initiatives restent limitées en ce qui concerne notamment la régulation ou le financement. Un seul pays au monde, le Danemark, a un objectif de 100% de renouvelables dans la production de chaleur et de froid. Seulement une cinquantaine de pays disposent de politiques de financement concernant cette question.

Les gouvernements locaux se montrent plus ambitieux et seraient aujourd’hui plusieurs milliers à adopter des objectifs de décarbonation dans leurs plans d’action. L’étude dénombre ainsi 110 villes et municipalités ciblant 100% de renouvelables dans leur consommation de chaleur et de froid.

À l’échelle mondiale cependant, les mesures politiques restent insuffisantes pour assurer une transformation rapide tirant pleinement parti des avantages potentiels de la décarbonation des services de chaleur et de froid.

Voies de transformation du Mix énergétique pour la production de chaleur et de froid

L’étude a retenu cinq voies de production de chaleur et de froid à partir des renouvelables qu’elle expose de façon détaillée à travers l’appareillage utilisé, les usages finaux et surtout les obstacles à lever pour leur déploiement ainsi que les politiques à mettre en œuvre, avec des exemples de réalisation pris partout dans le monde

La première des voies retenues est l’électrification basée sur les renouvelable utilisant notamment les pompes à chaleur et les appareils électriques connus de climatisation, de réfrigération et de chauffage pour les bâtiments, les techniques électriques de production de chaleur et de froid dans l’industrie, et l’électrification décentralisée à des fins productives pour les systèmes isolés.

L’utilisation des gaz renouvelables comme l’hydrogène vert produit par électrolyse avec de l’électricité renouvelable, le biogaz et le biométhane, est la seconde voie. Ces gaz sont utilisés en lieu et place des combustibles fossiles pour les besoins de chaleur et de froid. Ils peuvent être distribués, et les exemples se multiplient, dans les réseaux existants de gaz naturel.

L’utilisation durable de la biomasse s’appuyant sur la généralisation des foyers améliorés et de biocombustibles modernes est la 3^ème voie. Près de 12% de la chaleur consommée dans le monde provient d’usages inefficaces de la biomasse sous forme de bois de feu, de résidus agricoles et de bouses de vache. C’est à ce niveau qu’il est demandé de déployer les efforts de transition vers des usages modernes et plus efficients de la biomasse. La biomasse moderne a aussi sa place dans le chauffage urbain et dans l’industrie ou son utilisation sous forme de granulés amoindrit le problème de densité énergétique.

L’utilisation directe du solaire thermique est la 4^ème voie. Si le chauffe-eau solaire est la technologie la plus connue dans ce domaine, le séchage des aliments et le chauffage des serres sont tout aussi répandus. On sait produire du froid, grâce à des appareils frigorifiques à absorption ou à adsorption, à partir de la chaleur solaire. Il s’agit de généraliser ces techniques et d’autres déjà disponibles, notamment dans l’industrie.

L’utilisation directe de la géothermie est la 5^ème voie. Déjà bien connue pour la production d’électricité, le chauffage ou la climatisation des espaces commerciaux ou domestiques ou dans l’aquaculture, cette source de chaleur a un potentiel important qu’il s’agit d’exploiter.

Des conditions gagnantes

Le succès dans le déploiement et la généralisation des ces techniques et de ces approches repose sur un certain de nombre de conditions qu’il importe de réunir.

Le renforcement de l’efficacité énergétique est la première de ces conditions. Elle permet de réduire la demande et surtout le gaspillage. Des appareils électriques efficaces sont déterminants pour réussir l’électrification par les renouvelables des usages de l’énergie dans les bâtiments et aussi dans l’industrie. La réhabilitation énergétique des bâtiments existants et l’utilisation de normes du type HQE (Haute Qualité Énergétique) pour les bâtiments neufs participent des mesures gagnantes. L’efficacité énergétique est de la première importance là où sévit la pauvreté énergétique et dans les systèmes hors réseau. Elle permet de réduire les factures d’énergie des intéressés et les besoins de subvention.

Une infrastructure appropriée, habilitante, selon le jargon des agences de développement, est une autre des clés de succès pour le déploiement des voies de transformation du Mix énergétique dans la production de chaleur et de froid.

Les réseaux électriques existants doivent être revisités et renforcés pour mieux tenir compte de l’accroissement substantiel de la part de l’électricité dans les usages énergétiques et intégrer adéquatement les renouvelables, souvent intermittents, dans le mix énergétique. Les réseaux dits intelligents ou smart grids, les techniques de stockage de l’électricité seraient à développer et généraliser dans ce contexte;
Des investissements seraient nécessaires pour adapter les réseaux de gaz existants à l’injection de l’hydrogène vert, le biogaz et le biométhane ne posant pas de problème particulier;
Les réseaux urbains de chaleur et de froid ont un rôle déterminant à jouer ici. Ils offrent les plus grandes possibilités de gains d’efficacité et d’économie de combustibles, et les meilleures chances de pénétration à grande échelle des renouvelables dans le Mix énergétique pour la production de chaleur et de froid. Ils doivent être renforcés et développés.

Le couplage des réseaux électriques avec les réseaux de chaleur et de froid participe des mesures permettant de maximiser les économies d’échelle et de tirer avantage des complémentarités entre les différents réseaux.

Des politiques pour lever les barrières et accélérer les transformations souhaitables

Pour lever les barrières et accélérer la pénétration des renouvelables dans la production de chaleur et de froid, l’étude propose un ensemble cohérent de mesures comprenant « la planification à long terme alignée sur des objectifs de décarbonation, une structure institutionnelle habilitante et des politiques pour égaliser les règles du jeu avec les combustibles fossiles, faire face aux coûts initiaux associés à l’adoption des énergies renouvelables, renforcer les chaînes d’approvisionnement, surmonter les obstacles du marché et accroître l’efficacité énergétique » (IRENA-IEA-REN21, 2020).

Ces mesures ont par la suite été reprises de façon détaillée par l’étude pour chacune des voies de transformation du mix énergétique dans la production de chaleur et de froid. Il s’agit d’une contribution essentielle pour ceux qui veulent passer à l’action.

Ces mesures sont résumées dans l’ensemble des recommandations que propose l’étude aux acteurs publics et privés, aux échelles locales, nationales et internationales et qui s’énoncent comme suit :

« Fixer des objectifs spécifiques et développer un plan intégré de long terme pour la décarbonation de la chaleur et du froid dans tous les usages finaux, notamment dans les bâtiments, l’industrie, la cuisson et les utilisations productives au niveau des zones où l’accès à l’énergie est limité;
Créer des règles du jeu équitables en supprimant progressivement les subventions aux combustibles fossiles et en introduisant d’autres politiques fiscales permettant d’internaliser les coûts environnementaux et socio-économiques,
Combiner l’électrification de la production de chaleur et de froid avec une production d’énergie renouvelable progressivement compétitive, augmenter l’utilisation de l’énergie solaire et de l’énergie éolienne et renforcer la flexibilité du système grâce au stockage d’énergie, aux pompes à chaleur et aux appareils électriques efficaces;
Mettre à contribution les réseaux de gaz existants pour distribuer les gaz renouvelables, tels que le biogaz et l’hydrogène vert;
Introduire des normes, des politiques de certification et de contrôle pour promouvoir l’utilisation durable de la biomasse, combinant des systèmes efficaces et des solutions bioénergétiques telles que les granulés, les briquettes, le bioéthanol ou la digestion anaérobie.
Réduire les risques d’investissement pour l’exploration au niveau de la géothermie et intensifier l’utilisation directe de la chaleur géothermique.
Améliorer les réseaux de chaleur et de froid urbains à travers des mesures d’efficacité énergétique et l’intégration de sources de chaleur solaire thermique et géothermique, et d’autres sources de chaleur renouvelables à basse température.
Soutenir la cuisson propre et introduire le séchage des aliments à base d’énergie renouvelable dans les zones dépourvues d’accès à l’énergie, avec une combinaison de mécanismes de financement, de renforcement des capacités et de normes de qualité visant à améliorer les moyens de subsistance et à maximiser les avantages socio-économiques. » (IRENA-IEA-REN21, 2020).

Conclusion

L’étude IRENA-AIE-REN21 dont ce numéro du bulletin a donné ici un bref aperçu, décrit les infrastructures et les politiques nécessaires pour transformer le Mix énergétique dans la production de chaleur et de froid, un Mix,

aujourd’hui dominé par les énergies fossiles et la biomasse traditionnelle,
responsable de ce fait de 40% des émissions mondiales de gaz à effet de serre et
source majeure de pollution de l’air intérieur et extérieur.

Le renforcement de l’efficacité énergétique, l’électrification des procédés basée sur les renouvelables, le recours soutenu aux gaz renouvelables comme l’hydrogène vert, l’utilisation durable de la biomasse, l’exploitation massive du solaire thermique et de la géothermie, constituent les approches de transformation proposée dans une perspective visant la réalisation de l’Accord de Paris et de l’Agenda 2030 pour le développement durable.

L’étude identifie et recommande un ensemble cohérent de politiques de nature programmatique, institutionnelle, économique et fiscale dont l’objectif d’ensemble est d’accélérer la diffusion et la mise en œuvre de ces approches. Elle invite surtout à l’action en des termes choisis pour mobiliser le plus grand nombre d’acteurs sur des objectifs on ne peut plus essentiels pour l’avenir, notre avenir à tous :

« L’avenir de la planète dépend de la décarbonisation transformatrice des sociétés, qui, à son tour, dépend de l’utilisation d’énergies propres, durables et renouvelables pour répondre aux besoins de chaleur et de froid de la population mondiale. Les mesures sont connues et ne demandent qu’à être prises, tout comme les récompenses promises. Ce qui fait cependant défaut, c’est la volonté politique et la planification globale de long terme.

La nécessité d’agir est claire et urgente. Les gouvernements, la société civile, les consommateurs, les instituts de recherche et le secteur privé doivent conjuguer leurs efforts pour déclencher les changements nécessaires » (IRENA-IEA-REN21, 2020)..

[1] IRENA, International Renewable Agency, https://www.irena.org/

[2] AIE – IEA, International Energy Agency, https://www.iea.org/

[3] REN21, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century, https://www.ren21.net/#

[4] IRENE – AIE – REN21, Renewable Energy Policies in time of transition : heating en cooling, Renewable energy policies in a time of transition: Heating and cooling (irena.org), November 2020

[5] Organisation Mondiale de la Santé, https://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/fr/