Net-Zero America : le plan qui cherche à concilier carburants fossiles et neutralité carbone

Le rapport Net-Zero America, publié en décembre 2020, est actuellement le modèle le plus en vue de transition vers une économie américaine décarbonée. Il s’agit notamment l’une des principales sources d’inspiration de l’administration Biden. C’est de toute évidence en travail soigné, qui présente l’originalité de non seulement faire une liste d’équipements nécessaires, mais de les placer sur une carte, pour en montrer la distribution spatiale. Toutefois, ce genre de plan dépend largement des hypothèses de départ, qui sont ici très optimistes. Est-il vraiment raisonnable d’espérer zéro émissions nettes avec un mix énergétique reposant encore jusqu’à 38 % sur les carburants fossiles?

Cette étude a été menée par une vaste équipe de chercheurs menée par Eric Larson, de l’Université Princeton. Elle fait 345 pages, mais il s’agit principalement de cartes et de tableaux. Les hypothèses sont décrites de manière très brève et il y a peu de texte en général. L’étude évalue des scénarios de transition qui se distinguent surtout par le rythme de l’électrification et par un recours plus ou moins massif aux technologies de capture et de séquestration du carbone (CCS). Les coûts financiers sont au cœur de ces scénarios.

Il existe deux approches de la modélisation énergétique. Une première, dite exploratoire, consiste à prolonger les tendances du présent pour voir vers quoi le système tend à l’avenir. Une autre, dite normative consiste à se fixer des objectifs pour l’avenir et à voir quels changements il faut apporter à partir de la situation présent pour y parvenir. La première approche tend à sous-estimer les possibilités de changement de trajectoire. La seconde tend à sous-estimer la difficulté du parcours en insustant sur le point d’arrivée. L’étude de l’Université Princeton appartient cette seconde catégorie. On trouvera ici une discussion plus détaillée des deux approches et de leurs limites.

Rappelons ici le sens l’expression « zéro émission nette » : elle signifie qu’on autorise l’industrie et le système énergétique à utiliser des carburants fossiles et à émettre du carbone, mais que ces émissions sont annulées soit en capturant à la source et en le séquestrant sous le sol (CCS), soit en l’absorbant dans de la biomasse (BECCS) soit en le retirant directement de l’air ambiant avant de le stocker sous terre (DAC). De bien belles techniques sur le papier, mais qui n’ont pas fait leurs preuves à grande échelle. Mais peu importe! Elles permettent aux chercheurs de Princeton de promettre un monde où l’on brûlera une abondance de carburants fossiles tout en ramenant les émissions à zéro.

Les scénarios

De manière générale, les scénarios misent sur une augmentation rapide de la capacité solaire et éolienne, de même qu’un recours accru a la biomasse. La sortie des carburants fossiles est rapide pour le charbon, mais un seul des cinq scénarios postule leur abandon complet : leur part finale oscille entre 10 et 38 % dans les autres. On mise aussi sur un lent déclin du nucléaire, devenu marginal en 2050 dans quatre des cinq scénarios. Détail à noter, les batteries occupent peu de place dans ces plans. C’est essentiellement l’hydrogène qui permet de gérer l’intermittence et les variations saisonnières.

Pour réduire les coûts de la transition, on suppose que les équipements polluants ne sont remplacés qu’en fin de vie. On tient compte du fait que des technologies comme les véhicules électriques et les pompes à chaleur utilisent moins d’énergie que les moyens actuels pour atteindre les mêmes résultats. On tient aussi compte du coût relativement élevé de l’abandon des carburants liquides.

On mise aussi sur de sérieux gains d’efficacité. Au final, l’intensité énergétique de l’économie américaine (la quantité d’énergie utilisée pour produire une unité de PIB) s’améliore de 1,7 à 3,0 % par année, selon les scénarios. Ceci paraît optimiste, dans la mesure où ces gains sont actuellement d’à peu près 1 % par année. Il est raisonnable de postuler que la substitution des systèmes fossiles pour des systèmes électriques va apporter plus d’efficacité, mais l’ampleur de ces gains fait toujours débat.

Dans les transports, on mise, dans le meilleur des scénarios, sur 17 % de véhicules électriques légers sur les routes en 2030, et 96 % en 2050. Dans le moins bon scénario, les projections sont respectivement de 6 et 61 %. On voit donc que beaucoup d’incertitude entoure encore les véhicules électriques. Pour les camions, on pense que la transition aura à peine commencé en 2030, mais qu’elle sera à peu près complète en 2050 et reposera sur un mélange d’électricité et de piles à combustible (hydrogène).

Le déploiement de l’énergie solaire s’accélère dans tous les scénarios, sauf un, où il se poursuit au rythme actuel. On estime que la capacité éolienne va tripler d’ici 2030, alors que la capacité solaire va quadrupler. On parle ici de parcs à l’échelle commerciale, pas de déploiements sur toits. En 2030, les États-Unis devraient déployer chaque année plus d’énergie renouvelable que la Chine. La manière dont ces objectifs seront atteints fait l’objet de très peu de discussion. Les auteurs de l’étude se concentrent sur l’espace nécessaire et présentent des cartes des sites potentiels au pays, montrant que l’espace nécessaire est mobilisable tout en protégeant les sols arables et les zones de conservation.

Les coûts estimés du système énergétique envisagé sont légèrement plus élevés que dans le modèle actuel. De 2020 à 2030, ils passent de 9 400 à 9 700 milliards de de dollars. Pour la période de 2030 à 2050, ils passent de 22 000 milliards de dollars à un montant variant entre 26 000 et 28 000 dollars selon le scénario. Pas une énorme différence, surtout que ces projections reposent sur l’hypothèse que le prix du pétrole et du gaz va rester peu élevé.

La part de la biomasse

Jusqu’ici, les scénarios proposés paraissent assez raisonnables. Le tableau se complique lorsqu’on mesure la part de la biomasse et de l’hydrogène. Les deux formes d’énergie sont intimement liées dans cette étude, parce qu’on présume qu’un bonne partie de la biomasse sera utilisée pour produire de l’hydrogène – et que le carbone libéré par cette transformation sera capturé et séquestré de manière permanente à coût modéré.

Cette hypothèse commode (et très contestable) permet de présenter la biomasse comme une manière de compenser les émissions des carburants fossiles toujours présentes dans les divers scénarios. À l’horizon 2050, 100 % de la biomasse disponible (résidus agricoles et forestiers) serait utilisée pour produire des carburants. Dans certains scénarios, il faudrait aussi convertir plus de terres agricoles à la production de biomasse, par exemple plus de maïs pour produire de l’éthanol.

Détail remarquable, il n’est pas beaucoup question de biogaz. Cette décision n’est pas formellement expliquée, mais semble être motivée par le désir de séquestrer le carbone. Le biogaz serait donc séparé en ses deux composantes, carbone et hydrogène. Le premier serait stocké, le second, utilisé tel quel ou sous forme de carburants de synthèse. Le gaz naturel fossile serait aussi converti en hydrogène, un procédé qui est présenté comme peu émetteur dans la mesure où le CO₂ émis serait stocké. Des technologies non éprouvées à grande échelle (pyrolyse de la biomasse, Fischer-Tropsch renouvelable) jouent un rôle important dans ces plans.

Il est à noter que le plan ne propose pas de stockage de l’électricité par batterie, hormis dans les véhicules électriques. La gestion de l’intermittence est assurée par le stockage sous forme d’hydrogène ou d’autres carburants, qui sont ensuite reconvertis en électricité au besoin. La quantité de carburant nécessaire sur une base horaire ou saisonnière ne fait l’objet d’aucune évaluation.

Dans l’ensemble, cette partie apparaît assez faible. Pour fonctionner, l’un des scénarios nécessite beaucoup plus de biomasse que ce qui est réellement disponible. De nombreuses cartes montrent la distribution de la biomasse nécessaire sur le territoire américain. Celle-ci apparaît très inégale. Les régions agricoles du Midwest et forestières du Pacifique en sont largement pourvues, tandis que les régions arides à l’est de Rocheuses présentent peu de potentiel.

Le rôle démesuré du stockage géologique et biologique

L’utilisation de carburants fossiles et d’hydrogène basé sur les fossiles ou la biomasse reste importante dans le plan. Les émissions de CO₂ pourraient encore atteindre 1,8 milliard de tonnes en 2050. On espère éliminer ce carbone après coup par un recours massif au stockage géologique et par la production de carburants de synthèse. Il s’agit là de la partie la plus fragile du plan, à mon avis.

Le stockage géologique envisagé consiste à capturer le CO₂ à la sortie des cheminées ou à l’extraire directement de l’air. Il est ensuite acheminé par pipeline aux régions pétrolières américaines, où il est injecté « pour toujours » dans d’anciens puits de pétrole. En pratique, il est actuellement injecté dans les puits en exploitation pour augmenter la pression et faciliter l’extraction du pétrole et l’on s’interroge sur l’ampleur des fuites de CO₂.

Le plan Net-Zero America s’intéresse de près aux régions industrialisées où le CO₂ est produit et aux régions pétrolières où il est possible de l’injecter (zones en gris sur la carte). Il imagine ensuite un vaste réseau de pipelines de CO₂ capable de déplacer tout ce gaz carbonique, principalement vers les États limitrophes du golfe du Mexique, où 75 % de la capacité de stockage est concentrée. En tout, la longueur de ces pipelines se situe entre 21 000 et 25 000 kilomètres selon les scénarios. Le prix de livraison se situerait à terme entre 10,40 et 11,60 dollars la tonne et il faudrait compter 7 dollars de plus pour l’injection sous terre – le tout pour 1,8 milliards de tonnes annuellement.

Une critique en bonne et due forme de ces hypothèses dépasserait largement le cadre de ce blogue. Il suffira de rappeler que jusqu’ici, les rares essais de capture et de séquestration du CO₂ n’ont eu lieu qu’à une échelle réduite et qu’ils ont rarement été concluants. La technologie fonctionne, mais elle est malcommode, ne capture pas 100 % des émissions et s’avère beaucoup plus coûteuse que prévu. Le plan repose, sans base formelle, sur l’idée que ces coûts vont diminuer. De plus, on ne sait pas très bien qui doit payer pour ce service.

Il est à noter aussi que ces scénarios de séquestration n’ont pas été évalués à fond par les chercheurs de Princeton, mais qu’ils ont été adaptés de travaux antérieurs publiés par l’agence américaine de protection de l’environnement (EPA).

L’étude mise aussi sur un peu de stockage biologique, réalisé en laissant pousser des forêts ou en ayant recours à des pratiques agricoles permettant de stocker du carbone sous forme d’humus dans le sol. Les incertitudes sur le potentiel de ces techniques demeurent toutefois très élevées et les changements climatiques pourraient réduire leur potentiel actuel de 0,7 milliard de tonnes par année à seulement 0,3 milliard en 2050. Cette incertitude contraste avec le rôle important qu’on leur fait jouer dans les scénarios.

Des oublis de taille

Comme cela a été souligné plus haut, l’étude de Princeton est de type normatif : on se fixe des objectifs (net zéro en 2050) et on imagine ensuite les moyens à mettre en œuvre pour y arriver. Cela ne signifie pas que ces moyens proposés sont forcément crédibles ou que les conditions permettant d’y arriver sont réunies. Comme on l’a exposé plus haut, l’étude de Princeton élude certains problèmes en ne supprimant pas complètement les carburants fossiles – qui représentent encore 38 % de l’énergie utilisée dans un des scénarios – et en postulant que les technologies de séquestration, qui piétinent depuis 15 ans, permettront de se débarrasser entièrement du carbone excédentaire.

Plusieurs aspects de la transition proposée n’ont tout simplement pas été évalués, de l’aveu même des chercheurs. Parmi ces goulots d’étranglement, notons :

Comment obtenir l’appui de la classe politique, du monde des affaires et des citoyens

Le rythme de mobilisation des capitaux nécessaires à la mise en oeuvre de tous ces chantiers

La capacité des institutions à émettre la réglementation nécessaire

Les conséquences de ces investissements sur le prix des biens et des services

L’opposition au voisinage de grands parcs solaires et éoliens

La formation de la main-d’œuvre et les pertes d’emploi dans certaines communautés

La capacité des chaînes logistiques à soutenir les rythmes de croissance nécessaires

Le dernier point est particulièrement important : le plan se s’interroge pas du tout sur la capacité de l’industrie minière à fournir les matériaux nécessaires et sur celle de l’industrie manufacturière à les transformer en panneaux solaires et en éoliennes en temps voulu. La question de l’approvisionnement en batteries est à peine évoquée elle aussi. Le plan suppose donc sans plus de précautions qu’il n’y aura pas de goulots d’étranglement et que le rythme de déploiement ne sera pas ralenti par des problèmes de ressources, de production et de main-d’œuvre.

Dans l’ensemble, on peut conclure que le plan Net-Zero America propose une évaluation intéressante des moyens à mettre en œuvre pour atteindre des émissions nettes de zéro. Les cartes montrant la distribution spatiale des parcs et de pipeline de CO₂ constituent une contribution soignée et utile au débat. Mais la réticence à éliminer complètement les carburants fossiles et la grande dépendance du plan envers des technologies très peu éprouvées de séquestration, de même que le peu d’attention accordée aux aspects politiques et logistiques, nuisent fortement à la crédibilité du programme.

Si ce plan inspire autant le Président Biden qu’on le dit, il y a de bonnes raisons de croire que ses cibles récentes de réduction des émissions vont vite se heurter à une réalité moins complaisante.

Sources :

E. Larson, C. Greig, J. Jenkins, E. Mayfield, A. Pascale, C. Zhang, J. Drossman, R. Williams, S. Pacala, R. Socolow, EJ Baik, R. Birdsey, R. Duke, R. Jones, B. Haley, E. Leslie, K. Paustian, and A. Swan, Net-Zero America: Potential Pathways, Infrastructure, and Impacts, interim report, Princeton University, Princeton, NJ, December 15, 2020.

Philippe Gauthier, Comprendre la valeur des scénarios énergétiques, 25 novembre 2020.