Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh

27/12/2014
Publication REE REE 2014-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-5:11989

Résumé

Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh

Auteurs

Transition énergétique : il est temps de redonner la priorité à l’électricité
Comment décarboner les transports lourds de marchandises ?
La RATP se met au vert
Autoconsommation : le débat ne fait que commencer
Un mix gazier 100 % renouvelable en 2050 : peut-on y croire ?
La fiscalité du carbone se renforce
Stratégie nationale bas carbone : les premiers indicateurs de résultats interpellent
Eoliennes flottantes : deux inaugurations importantes mais beaucoup d’incertitudes demeurent
Vers un cluster de l’hydrogène dans la région de Liverpool-Manchester
Les batteries Li-ion pour l’automobile : un marché en pleine évolution
Mobileye et le Road Experience Management (REMTM)
La cyber-sécurité dans les systèmes d'automatisme et de contrôle de procédé
Les applications industrielles et scientifiques des logiciels libres : aperçu général
Les applications industrielles des logiciels. libres
Les applications industrielles des logiciels libres (2ème partie)
L'identification par radiofréquence (RFID) Techniques et perspectives
La cyber-sécurité des automatismes et des systèmes de contrôle de procédé. Le standard ISA-99
Êtes-vous un « maker » ?
Entretien avec Bernard Salha
- TensorFlow, un simple outil de plus ou une révolution pour l’intelligence artificielle ?
Donald Trump annonce que les Etats-Unis se retirent de le l’accord de Paris
L’énergie et les données
Consommer de l’électricité serait-il devenu un péché ?
Un nouveau regard sur la conjecture de Riemann – Philippe Riot, Alain Le Méhauté
Faut-il donner aux autorités chargées du respect de la loi l’accès aux données chiffrées ?
Cybersécurité de l’Internet des objets : même les ampoules connectées pourraient être attaquées
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 2)
ISA L’évolution des normes et des modèles
FIEEC - SEE - Présentation SEE et REE - mars 2014
Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 1)
Internet des objets : l’ARCEP et l’ANFR mettent à la consultation l’utilisation de nouvelles bandes de fréquence autour de 900 MHz
L’énergie positive
Controverses sur le chiffrement : Shannon aurait eu son mot à dire
La cyberattaque contre les réseaux électriques ukrainiens du 23 décembre 2015
Le démantèlement des installations nucléaires
L’Accord de Paris
Les data centers
L’hydrogène
Le piégeage et la récolte de l’énergie. L’energy harvesting
Régalez-vous, c’est autant que les Prussiens n’auront pas...
Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh
Le kWh mal traité
Enova2014 - Le technorama de la REE
Les grands projets solaires du pourtour méditerranéen
Après Fukushima, le nucléaire en question ?
On sait désormais stocker les photons pendant une minute
Identification d’objet par imagerie fantôme utilisant le moment orbital angulaire
La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard
Multiplexage par moment angulaire orbital : mythe ou réalité ?
Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité
Photovoltaïque : la course au rendement se poursuit
Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par résonance plasmon
Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation
Les nombres premiers en première ligne
La nouvelle révolution des moteurs électriques
Les cyber-attaques, un risque pour nos grandes infrastructures ?
Le stockage de l’électricité
Le véhicule électrique (2) : comment donner corps à la transition énergétique ?
L'automatisation des transports publics
Les technologies nouvelles de l’éclairage : leur impact sur l'environnement et la santé
Les énergies marines renouvelables
Le véhicule électrique : une grande cause nationale
Médaille Ampère 2012
Berges2009_Hauet.pdf
Prix Bergès 2009

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REE N°5/2014 123 GROS PLAN SUR ... Introduction Dans une première partie, publiée dans le nu- méro 2014-4 de la REE, nous avons traité du « Syn- drome de l’énergie primaire », mode d’agrégation statistique de différentes formes d’énergie (fos- siles, renouvelables, nucléaire) qui, s’il est détourné de sa finalité initiale, peut conduire à des conclu- sions abusives. Ce critère est aujourd’hui fréquem- ment utilisé pour « démontrer » que les usages de l’électricité conduisent à une surconsommation d’énergie alors que le développement de l’utilisation de l’élec- tricité va, en général et tout particulièrement dans notre pays, dans le sens d’une réduction des émissions de CO2 et de la dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles, d’une meilleure efficacité économique, d’une réduction du déficit commercial et d’une amélioration du confort et de la finesse de régulation. A titre d’exemple, on peut rappeler que les diagnostics de performance énergétique des bâtiments (DPE), institués par le décret du 14 septembre 2006 et à présent rendus obliga- toires dans la plupart des transactions, doivent aujourd’hui comporter : l’indication, pour chaque catégorie d’équipements, de la quantité annuelle d’énergie consommée ou estimée selon une méthode de calcul conventionnel ainsi qu’une évaluation des dépenses annuelles ré- sultant de ces consommations ; l’évaluation de la quantité d’émissions de gaz à effet de serre liée à la quantité annuelle d’énergie consommée ou estimée. Or la méthode de calcul des consommations est celle de l’énergie primaire. Il s’ensuit que des logements chauffés aux énergies fossiles, le gaz en particulier, apparaissent plus perfor- mants que les logements chauffés à l’électricité, même si les émissions en CO2 qu’ils occasionnent sont notablement supérieures (figure 1). Compte tenu de la primauté donnée au critère « énergie primaire », les logements chauffés au gaz, dont la durée de vie pourra atteindre 100 ans, se trouvent promus aux yeux du public aux dépens de solutions élec- triques tout aussi respectables. Bien évidemment, si l’on veut faire du critère « émissions en CO2 » le critère principal, il faut s’entendre sur les mé- thodes utilisées pour le calculer et ne pas retomber dans les errements des calculs en énergie primaire. C’est là que les difficultés commencent et c’est l’objet de ce deuxième chapitre. Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh Jean-Pierre Hauet Figure 1 : Exemple de diagnostic de performance énergétique (DPE) réalisé sur un logement RT 2012 chauffé au gaz. La performance affichée en termes d’énergie primaire est optimale mais les émissions de CO2 se situent à un niveau assez moyen. Nota : On rappelle cependant que le DPE produit des données normatives et non des consommations réelles. 124 REE N°5/2014 GROS PLAN SUR La problématique du contenu en CO2 du kWh Bilans, budgets et tableaux de bord En France, comme dans bien d’autres pays, la réduction des émissions de CO2 est devenue l’une des composantes essentielles des politiques énergétiques et environnemen- tales. Les consommations d’électricité entraînent en effet des émissions de CO2 qui sont essentiellement fonctions du mode de production de l’électricité. Il est essentiel de savoir quelle est et quelle sera la responsabilité des différents usages de l’électricité dans le bilan en CO2 de la nation. L’évaluation des contenus en CO2 des usages de l’élec- tricité est nécessaire pour dresser les bilans des émissions de gaz à effet de serre prévus par l’article L229-25 du Code de l’environnement. Elle intervient également, comme nous l’avons vu, dans l’établissement des diagnostics de perfor- mance énergétique des bâtiments. Elle pourrait également être prise en compte dans la fixation des coefficients de modulation rentrant dans le calcul de la consommation conventionnelle en énergie primaire des bâtiments nou- veaux qui est à la base de la RT 2012 (article 12 de l’arrêté du 26 octobre 2010). A l’avenir, le projet de loi relatif à la transition énergétique pour la croissance verte1 prévoit l’établissement d’une straté- gie nationale de développement à faible intensité de carbone s’appuyant sur la notion de « budget carbone ». Ce texte sti- pule notamment que : « Le décret fixant la stratégie bas-carbone répartit le bud- get carbone de chacune des périodes mentionnées à l’ar- ticle L.222-0-1 par grands secteurs, notamment ceux pour lesquels la France a pris des engagements communautaires ou internationaux. La stratégie bas-carbone décrit les orientations et les dis- positions d’ordre sectoriel ou transversal qui doivent être éta- blies pour respecter le budget carbone ». La définition de contenus en CO2 du kWh par usage prend donc une importance accrue, non plus seulement pour éta- blir des bilans mais aussi pour arrêter des budgets ou des ob- jectifs annuels, par périodes successives, et par conséquent pour établir des feuilles de route et des tableaux de bord. Un problème simple en apparence mais difficile à traiter La question du contenu en CO2 du kWh est d’apparence simple et semble relever du bon sens, mais il n’en est rien. On peut envisager la question à la production ou à la consommation. 1 Le « projet » cité ici est le texte disponible à la date de rédaction du pré- sent article, à savoir le texte du projet de loi tel qu'adopté en première lecture par l'Assemble nationale. A la production, on sait que les centrales électriques sont plus ou moins émettrices de CO2 par kWh produit. Les facteurs d’émission couramment admis sont de 740 g/kWh pour les centrales à charbon les plus modernes, à technolo- gie dite ultra-supercritique, et de 370 g/kWh pour les cen- trales à gaz à cycle combiné les plus performantes. Pour le nucléaire et pour la plupart des énergies renouvelables, le facteur d’émission est pris égal à zéro. Cependant, lorsqu’on raisonne en ACV (analyse en cycle de vie), on est conduit à majorer les facteurs d’émission di- recte du montant des émissions imputables au moyen de production considéré tout au long de son cycle de vie, de l’extraction des matières premières jusqu’au traitement de fin de vie (démantèlement, recyclage...). La Base Carbone maintenue par l’ADEME2 propose en décembre 2014 les valeurs suivantes pour les contenus ACV en France continentale : Les analyses ACV sont reconnues dans leur principe mais donnent parfois lieu à contestation. Plus compliqué est le problème de la production combi- née chaleur et électricité : quelle part des émissions rattacher à l’électricité et quelle part à la chaleur ? Le problème est as- sez marginal en France car la production combinée y est peu développée mais des études faites dans les pays étrangers montrent que, selon les conventions adoptées, les résultats relatifs au facteur d’émission à la production peuvent varier considérablement. En appliquant quatre méthodes diffé- 3 sont parvenus à des résultants variant de 367 à 708 g/kWh. Le problème est encore plus complexe au niveau de l’utilisation, lorsqu’on cherche à définir le contenu en CO2 d’un usage de l’électricité. En effet la mutualisation des res- sources induite par le raccordement au réseau de la quasi- totalité des consommateurs d’énergie électrique fait qu’à un instant donné, un certain nombre de moyens de production sont mobilisés pour assurer l’équilibre du réseau en fournissant la puissance nécessaire à la satisfaction des besoins. Sous les réserves qui précèdent, les facteurs d’émission des moyens de production sont connus. Par contre, ces moyens de production se mélangent entre eux pour satisfaire les diverses utilisations de l’électricité. En se plaçant du côté des utilisateurs, il devient 2 A présent « Centre de ressources sur les bilans de gaz à effet de serre » – http://bilans-ges.ademe.fr 3 Robert Harmsen and Wina Graus – How much CO2 emissions do we reduce by saving electricity? A focus on methods - Elsevier 2013. REE N°5/2014 125 Le contenu en CO2 du kWh - 2ème partie impossible d’affirmer qu’un usage a été davantage satisfait à partir de tel moyen de production plutôt qu’à partir de tel autre : il n’y a pas de « merit order » des usages de l’électri- cité. A un instant donné, le problème de la détermination du contenu en CO2 des usages de l’électricité n’a donc pas de solution mathématiquement démontrable. Un écheveau de méthodes contradictoires Cette situation fait que s’est développé, autour de la pro- blématique du contenu en CO2 des usages de l’électricité, un écheveau de méthodes fondées tantôt sur des calculs de moyennes, tantôt sur des calculs marginaux, tantôt sur des approches plus originales, en essayant parfois de les classer par ordre de séduction, comme s’il s’agissait d’un concours de beauté, alors que les problèmes traités ainsi qu’on va l’ex- pliciter sont de nature différente. Ces méthodes conduisent à des résultats extraordinaire- ment dispersés. Une étude publiée en 20124 cite des chiffres s’étalant entre 25 et 920 g de CO2 /kWh. Pour le seul chauf- fage à l’électricité, on rapporte des évaluations allant de 180 à 700 g de CO2 /kWh. une large part d’une confusion entre le contenu en CO2 qui peut être affecté à un usage de l’électricité et l’impact que peut avoir, à la marge, la réduction ou l’accroissement d’une consommation d’électricité correspondant à un usage donné. Mais la propension à préconiser une « méthode » plutôt qu’une autre est rarement dénuée d’arrière-pensées et vise souvent à privilégier celles des approches qui, comme pour le recours à la comptabilité en énergie primaire, permettent de se rapprocher au mieux des résultats que l’on veut obte- nir. La suite de l’article vise à apporter des éléments de cla- rification. Pour cela, il nous faut poser quelques définitions. Quelques définitions Facteur d’émission : On réservera le terme « facteur d’émission » au système de production et de distribution de l’électricité5 . C’est la quantité de CO2 émise par kWh pro- duit ou livré si l’on tient compte des pertes sur le réseau. Le facteur d’émission est essentiellement fonction de la filière 4 Analyse comparative des méthodes de calcul du contenu du CO2 de l’électricité destinée au chauffage - Energies et avenir (2012). 5 Dans la littérature, les notions de « facteur CO2 » ou « facteur car- bone » sont souvent employées au niveau de l’utilisation de l’électri- cité comme de sa production. Ceci est à l’origine de confusion avec les facteurs d’émission, tels que définis dans la présente note et qui sont indépendants de l’utilisation faite de l’électricité. Toutefois au niveau de l’ensemble du système électrique, la production est égale à la consommation (au stockage et aux échanges externes près) et le facteur d’émission moyen est égal à tout instant au contenu en CO2 moyen de l’ensemble des usages. de production considérée et peut s’exprimer en « émissions directes » ou en ACV. Les facteurs d’émission directe consti- tuent des données factuelles et mesurables, sous réserve de l’incertitude introduite par la production combinée chaleur/ électricité. Usage de l’électricité : Un usage de l’électricité est un ensemble de consommations présentant de façon durable des caractéristiques similaires et répondant à une même finalité pour le client. On pourra par exemple segmenter le marché de l’électricité en une dizaine d’usages. C’est donc un ensemble beaucoup plus vaste qu’une action ponctuelle de consommation. Action : Une action, ou un projet, peut être défini(e) comme une interaction avec le système électrique entraî- nant une modification des paramètres de fonctionnement du réseau. Une action peut être une consommation nouvelle ou au contraire une réduction de consommation résultant, par exemple, d’un effort de maîtrise de l’énergie. Une action peut n’avoir aucun impact sur les consommations mais cependant entraîner une modification du mix électrique, par exemple si elle se traduit par un reprofilage dans le temps de la puis- sance appelée. Contenu en CO2 : CO2 » à la quantité de CO2 émise par le système électrique qui peut être affectée, à un instant donné ou en moyenne sur une période convenue, à un usage déterminé. Les conte- nus peuvent être déterminés pour le passé, sous forme de bilans, pour le futur sous forme de budgets ou pour le pré- sent sous forme de tableaux de bord. Les contenus moyens annuels revêtent une importance particulière pour le suivi des politiques énergétiques et environnementales. Si l’usage considéré a pour finalité la production d’un pro- duit ou d’un bien, on peut rapporter son contenu en CO2 à la production correspondant à cet usage : on pourra parler, par exemple, du contenu en CO2 d’une tonne de ciment. Impact : Cette notion se réfère à la variation des émissions de CO2 entraînée par une action donnée sur les émissions du système, cette action étant prise en marginal, c’est-à-dire toutes choses égales par ailleurs. Cette notion n’a de sens que pour un contexte donné. La même action considérée à des moments différents peut conduire à des impacts diffé- rents voire opposés. Certains rapportent l’impact à la variation de la consom- mation d’énergie électrique exprimée kWh induite éventuel- lement par l’action considérée. On pourrait alors parler de « facteur d’impact » mais un tel indicateur doit être manipulé avec la plus grande circonspection : l’impact d’une même action en termes de kWh peut en effet être positif, nul ou négatif selon le contexte. 126 REE N°5/2014 GROS PLAN SUR Ces définitions posées nous allons examiner deux types d’approches : des contenus en CO2 ; d’impact. La détermination des contenus en CO2 par usage Exigences essentielles Les contenus en CO2 sont destinés à affecter un contenu CO2 à chaque usage afin d’une part de pouvoir dresser des budgets et des bilans, d’autre part de pouvoir intégrer la ré- partition des émissions correspondante dans les politiques publiques et d’envoyer ainsi au consommateur le signal ap- proprié et faire en sorte que, au moment du bilan, la réalisa- tion soit en ligne avec le budget. Toute méthode de détermination des contenus CO2 des usages est nécessairement conventionnelle. Une méthode doit cependant satisfaire à certains critères essentiels sauf à prendre le risque de conduire à des incohérences ou plus sim- plement de ne pas répondre à l’objectif précédemment défini. - tielles qui sont de natures diverses : La première exigence regroupe divers critères que l’on peut exiger de toute méthode de mesure. Le critère de stabi- lité est important : il signifie que la méthode appliquée à des instants distincts mais rapprochés, ne doit pas conduire à des résultats différents. Ceci doit amener à écarter les méthodes qui conduiraient à des résultats « chaotiques », trop sensibles aux conditions aux limites. La deuxième exigence a déjà été évoquée en introduction. La troisième exigence est une exigence de cohérence fondamentale. On ne concevrait pas, en historique que la somme des émissions affectées à chacun des usages ne cor- responde pas au total des émissions. Il doit en aller de même en prospectif car si le critère n’est pas respecté, cela veut dire que la répartition des émissions sur laquelle on va bâtir les politiques publiques ne correspond pas à celle à laquelle on veut parvenir à un certain horizon, que certains usages sont surpondérés ou sous-pondérés et donc que l’on envoie des signaux biaisés au consommateur. Le quatrième critère est également un critère de cohérence mais il est moins intuitif. En règle générale, une politique éner- gétique ou environnementale va impliquer simultanément plu- sieurs usages : par exemple le logement et les transports. Il faut alors que la détermination des contenus en CO2 affectés à chacun des usages ne soit pas fonction de l’ordre dans lesquels on les considère. Une telle exigence n’est pas triviale et est de même inspiration que le fameux paradoxe de Condorcet6 . La cinquième exigence est de nature essentiellement technique. La méthode doit pouvoir prendre en compte, si on le souhaite, les facteurs d’émission exprimés en ACV. Cette exigence est aisée à satisfaire. La dernière exigence est technique mais elle est égale- ment politique. La question est en effet de savoir si l’on sou- haite que les politiques publiques de la France, et donc le choix des consommateurs français, soient influencées par les décisions prises et par les investissements faits au-delà de nos frontières, en Allemagne par exemple. Le projet de loi sur la transition énergétique apporte un élément de réponse en se référant aux « engagements européens ou internationaux de la France » et par conséquent aux méthodes d’évaluation des bilans d’émission qui les sous-tendent. Ces exigences posées, nous présentons brièvement ci- après deux méthodes qui y répondent et dont la compré- hension nous paraît essentielle. La méthode proportionnelle intégrale Il est impossible, dans un fonctionnement en réseau, d’af- fecter une ressource déterminée à un usage particulier et de considérer qu’un usage est davantage alimenté à partir d’une ressource plutôt qu’à partir d’une autre. Dans ces conditions, il est naturel de considérer qu’à tout instant un kWh consommé provient, quel qu’en soit l’usage, des différentes sources selon une répartition qui correspond à la répartition des puissances 6 Le paradoxe de Condorcet, ou paradoxe des choix successifs, fait que le résultat d’une élection faite de duels successifs peut dépendre de l’ordre dans lesquels ces duels interviennent. Il se manifeste lorsque l’on analyse les candidats en termes de préférence relative, l’un par rapport à l’autre, et non en termes de préférence absolue. Tableau 1 : Exigences essentielles pour une méthode de détermination des contenus par usage. Exigences essentielles 1 Etre objective, transparente et stable 2 Pouvoir être utilisée en historique (bilans) comme en prospectif (budget), sans engendrer de solution de continuité 3 Etre additive : sur une période de temps quelconque, la somme des émissions de CO2 de l’ensemble des usages doit être égale au total des émissions prévues ou constatées 4 Etre commutative : les émissions imputées à deux nouveaux usages simultanés ne doivent pas être dépendantes de l’ordre dans lequel on les considère 5 Pouvoir prendre en compte les émissions en ACV 6 Permettre d’intégrer, selon une méthode appropriée, les émis- sions liées aux échanges d’électricité REE N°5/2014 127 Le contenu en CO2 du kWh - 2ème partie fournies par chacune de ces ressources. Les contenus CO2 ins- tantanés de tous les usages sont alors identiques et égaux au facteur d’émission moyen du système électrique à cet instant. La différence entre les usages provient du fait que les puissances appelées varient au cours de l’année selon des profils qui leur sont propres. Il est alors possible d’intégrer sur l’année, après avoir choisi un pas de temps approprié, les contenus CO2 instantanés et d’en déduire un contenu moyen en CO2 pour l’année et pour chaque usage. Une moyenne statistique sur plusieurs années permet de s’affranchir de l’aléa climatique. C’est ce qu’on appelle la méthode propor- tionnelle intégrale illustrée par la figure 2. Cette méthode répond aux exigences listées précédem- ment. Elle peut cependant poser des problèmes pratiques de calcul si l’on envisage des pas de temps trop fins. La méthode saisonnalisée par usages En 2005, EDF et l’ADEME ont élaboré une méthode dite « saisonnalisée par usages » qui a été actualisée et affinée en 2011 dans le cadre du Comité de gouvernance de la Base Carbone7 . Cette méthode résulte d’un compromis entre 7 Evaluation du contenu en dioxyde de carbone (CO2 ) des différents des positions au départ relativement distantes. Elle peut cependant être théorisée comme une approximation de la méthode proportionnelle intégrale et c’est ce que nous expli- quons ci-après. La méthode retient neuf usages différents de l’électricité. La consommation totale et les émissions qui en résultent se trouvent réparties en neuf lignes associées à chacun de ces usages. La structure de production est simplifiée et ramenée à deux composantes : la production de base, stable sur toute l’année ; la production saisonnalisée, à laquelle il est fait appel de façon variable selon les usages. Pour chacune de ces deux ressources, des facteurs d’émission ont été déterminés et ont été supposés constants sur l’année. Ils ont été moyennés sur trois ans (2008 à 2010 pour la version 2011 de la méthode) afin d’atténuer l’effet des variations climatiques puis transposés au lieu de consomma- tion en tenant compte des pertes du système électrique. usages de l'électricité distribuée en France métropolitaine entre 2008 et 2010 – Rapport méthodologique Présentant les hypothèses et choix du Comité de Gouvernance de la Base Carbone – ADEME novembre 2011. Figure 2 : Principes de la méthode proportionnelle intégrale - Source : Auteur. 128 REE N°5/2014 GROS PLAN SUR Pour chaque usage, la détermination de la part de la puis- sance fournie par une ressource de base (resp. saisonnali- sée) se fait sur la base d’un pas de temps mensuel, avant intégration sur l’année. Les travaux du groupe de travail à l’origine de la méthode7 ont conduit en effet à démontrer statistiquement qu’à la fois pour les appels thermiques et pour le facteur CO2 , la composante mensuelle était systéma- tiquement prédominante et donc que le pas mensuel était « le meilleur proxy » (figure 3). La contribution de la ressource de base est estimée être, chaque mois, égale au minimum de puissance appelé par l’usage considéré sur l’ensemble de l’année. Par rapport à la méthode proportionnelle intégrale, ceci introduit un écart, non négligeable, qui pénalise les usages les plus saison- nalisés puisque la méthode ne prend pas en compte les complémentarités qui peuvent exister entre usages. Ainsi l’usage « chauffage des logements » apparaît-il comme étant à 100 % satisfait par la ressource saisonnalisée alors que, s’il est associé à un autre usage, « transport » ou « condi- tionnement de locaux tertiaires », l’ensemble peut, dans une proportion plus ou moins importante, être couvert par la ressource de base8 . Les échanges d’électricité aux frontières sont supposés : 2 au niveau moyen européen s’ils sont déficitaires. Cette façon de compter a été admise par les parties concernées en 2011 mais elle est plus pénalisante pour le contenu CO2 que les règles généralement appliquées pour le calcul des émissions nationales qui n’intègrent aucune émis- sion liée aux importations de biens, quels qu’ils soient. In fine, la méthode saisonnalisée par usages (version 2011) conduit aux résultats du tableau 2 qui distingue les émissions directes et les émissions totales résultant d’un calcul en ACV. 8 Dans le tableau 2, le contenu de l’usage « chauffage » ressort à 181 g/kWh alors que la méthode proportionnelle intégrale conduirait à lui attribuer une valeur de 80 g/kWh. A contrario, les usages industriels ressortent à 33,6 g/kWh alors que la méthode proportionnelle intégrale conduit à 60 g/kWh. Figure 3 : Principes de la méthode proportionnelle saisonnalisée - Source : Auteur. REE N°5/2014 129 Le contenu en CO2 du kWh - 2ème partie La méthode est destinée à être mise à jour régulièrement. Elle répond intégralement aux exigences du tableau 1 et consti- tue une référence admise par les parties avec la réserve importante que les contenus en CO2 résultant de cette mé- thode n’auraient, selon certains, vocation à n’être utilisés que dans la partie « historique » des bilans de gaz à effet de serre. La définition d’une méthode applicable aux estima- tions prospectives reste sujette à débat. C’est cet aspect que nous allons à présent aborder. Impacts et approches marginales L’impact d’une action est la mesure de l’incidence de cette action sur les émissions en CO2 du système électrique. L’ac- tion considérée peut consister en une variation de consom- mation ou en une modification du système de production. Le facteur d’impact est l’impact ramené à la variation de kWh consommés. La détermination de l’impact relève du calcul marginal, c’est-à-dire de la description différentielle d’une situation par rapport à une autre. Il n’est pas besoin de revenir ici sur les principes du calcul marginal qui sont bien connus. Mais ses limites le sont également. L’approche marginale de court terme On connaît les paradoxes auxquels peut conduire un calcul marginal « de court terme » supposant que les infrastructures ne sont pas affectées par l’action considérée et que seules sont à prendre en compte les variations à la marge des fac- teurs de production. Appliqué aux prix, ce genre de calcul peut conduire à des résultats extrêmes qui ne sont soutenables ni en amplitude ni dans le temps – c’est le paradoxe du voyageur 9 –. 9 Paradoxe économique mis en évidence par l’économiste Maurice Allais Dans le cas des systèmes électriques, une approche margi- nale simpliste pourrait consister à noter que, dans le système électrique européen actuel, le combustible marginal l’été est le charbon alors qu’en hiver, c’est en général le charbon durant la nuit et le gaz durant les heures les plus chargées. Donc plus un usage est saisonnalisé, plus son contenu marginal court terme en CO2 serait faible. Mais ce serait ignorer les effets que peut avoir chaque usage sur la configuration du système électrique. Il s’ajoute un autre phénomène, plus subtil, qui conduit à ne pas retenir l’approche marginale de court terme. En effet, le dispositif de production de l’électricité est optimisé à chaque instant, en fonction du facteur de mérite des centrales en état de marche, la puissance requise étant obtenue en empilant les moyens de production en fonction de leur coût marginal croissant, tout en tenant compte d’autres facteurs tels que les politiques de maintenance des centrales ou de gestion de la réserve hydraulique. Cette optimisation économique est très éloignée de celle à laquelle conduirait une optimisation en fonction des facteurs d’émission de CO2 10 . En conséquence, la variation de l’empilement des moyens de production peut conduire à des discontinuités très fortes des facteurs margi- naux d’émission du système de production au cours d’une même journée (figure 4), pour autant que l’on puisse d’ail- leurs connaître quelle est exactement la centrale marginale à un instant donné, ce qui n’est généralement pas le cas. Certains pensent contourner cet obstacle en invoquant un « marginal moyen sur l’année » (par exemple : nucléaire mar- ginal 30 % du temps, hydraulique 10 %, charbon 30 %, etc.). Mais cette approche se heurte à la difficulté de connaître cette répartition et surtout au fait qu’elle est nécessairement impactée par la variation marginale considérée. Appliquée à un kWh consommé ou économisé, l’approche marginale de court terme mène en conséquence à des résul- tats instables et non reproductibles qui conduisent à l’écarter. L’approche marginale en développement (ou incrémentale) L’approche marginale « de long terme », « en développe- ment » ou « incrémentale » consiste à prendre en considé- ration l’incidence sur les structures du système électrique concernant la notion de coût marginal. Étant donné un voyageur monté à la hâte dans un train, le prix du billet peut être évalué de manière très différente en suivant divers raisonnements économiques en appa- rence rigoureux. Le coût peut être considéré comme nul (le voyageur n’entraîne pas de surcoût), fixé à une fraction du coût d’un wagon sup- plémentaire ou intégrer divers coûts dont celui de l’entretien ou l’exten- sion du réseau ferroviaire. Voir encadré 3 en fin d'article. 10 Il faudrait pour cela que le prix du CO2 atteigne un niveau très supé- rieur à son cours actuel qui ne pèse que pour quelques pourcents dans le prix de revient du kWh produit. En g/kWh Emissions directes Emissions directes et indirectes Chauffage 181 213 Eclairage résidentiel 92,8 115 Eclairage public & industriel 72,3 92,3 Cuisson résidentiel 56,7 75 Climatisation tertiaire 41,9 58,6 Usages industriels de base 33,6 49,4 ECS 41,5 58,2 Autres usages (BTP, recherche, armées…) 40 55 Transports 32 53 Tableau 2 : Contenu carbone des différents usages de l’électricité selon la méthode proportionnelle saisonnalisée - Source : Centre de ressources sur les bilans de gaz à effet de serre - ADEME décembre 2014. 130 REE N°5/2014 GROS PLAN SUR Figure 4 : Schéma de principe illustrant la très grande variabilité du facteur marginal d’émission d’un système électrique comparable au système français au cours d’une journée - Source : Auteur. d’une action qui sera en règle générale importante et durable. pour juger de l’impact d’un projet sur les émissions de CO2 11 . Elle peut être utilisée pour comparer deux stratégies entre elles ou pour évaluer une variante par rapport à une stratégie de base. Elle permet de tenir compte des réoptimisations du système électrique engendrées par des hypothèses variées sur la consommation ou la structure des moyens de produc- tion. La quantité de CO2 émise est l’un des facteurs qu’il est naturel de considérer dans une telle comparaison. Certains pensent qu’en rapportant l’impact CO2 ainsi cal- culé au différentiel de consommation lié à l’action, on rend mieux compte que par un calcul de contenu par usage, des tendances d’évolution à long terme des émissions associées au développement des usages de l’électricité. Ils soutiennent que l’on peut, grâce à ces facteurs d’impact, envoyer un si- gnal plus clair au consommateur. Cette façon de penser procède de la confusion déjà signa- lée entre les deux notions de contenu par usage et d’impact que nous allons à présent expliciter. Pourquoi les facteurs d’impact ne sont-ils pas des contenus ? On rappellera tout d’abord que les contenus par usage sont nécessairement conventionnels alors que l’impact d’une action donnée peut se calculer de façon objective. On per- 11 http://www.ghgprotocol.org – ”These guidelines explain how to quan- tify reductions in greenhouse gas emissions resulting from projects that either generate or reduce the consumption of electricity transmit- ted over power grids”. çoit ainsi d’emblée qu’il y a une différence fondamentale entre les deux notions. Cette différence est liée au rôle joué par le réseau qui per- met la mutualisation des ressources. Si le calcul marginal est mathématiquement et économiquement correct pour juger de l’impact d’une action donnée, il n’autorise pas pour autant à considérer que le facteur d’impact en CO2 de cette action constitue le contenu en CO2 de l’usage correspondant. Cela supposerait en effet : - rée et qu’il existe un lien physique, inamovible et spécifique, entre la sollicitation additionnelle et les moyens mobilisés pour y répondre, ce qui n’est évidemment pas le cas général ; - ficier d’une sorte de « privilège du grand-père » les usages antérieurs, en leur affectant arbitrairement les moyens de production préexistants, ce qui équivaut à admettre une différence de traitement entre usages identiques et contre- vient aux principes de cohérence du tableau 1 (non additi- vité et non commutativité). On peut illustrer ce raisonnement par la métaphore ima- ginée à propos d’un réseau d’alimentation en eau et décrite On peut aussi aborder la question par une approche plus formelle. Si l’on désigne par : j de 1 à n : les différents usages de l’électricité Cj : le contenu en CO2 affecté à l’usage j Pj (t) : la puissance appelée par l’usage j à l’instant t E(t) : les émissions instantanées de l’ensemble du système REE N°5/2014 131 Le contenu en CO2 du kWh - 2ème partie Une variation de la puissance appelée par l’usage j, se traduit par un différentiel d’émission : Considérer que le contenu Cj peut être appréhendé par le rapport revient à négliger le deuxième terme dans l’équation qui précède. Or celui-ci peut-être très important au point de compenser, intégralement et même au-delà, le premier. Il est aisé de bâtir des exemples en ce sens12 . Le fait de ne reconnaître qu’une valeur conventionnelle aux contenus par usage pourrait sembler affaiblir l’intérêt du concept. Cependant la vie de tous les jours utilisent beaucoup de valeurs conventionnelles sans que l’on trouve à y redire. L’encadré 2 en donne un exemple et met simultanément en évidence les limites d’une approche marginale. La connais- sance du tout permet de calculer des écarts mais la connais- sance d’écarts n’est pas suffisante pour décrire le tout. 12 A titre de parallèle et pour illustrer l’importance des phénomènes de reconfiguration des systèmes électriques, on rappellera que l’accrois- sement du recours aux EnR en Allemagne pour la production d’élec- tricité se traduit par un accroissement des émissions de CO2 du fait de la reconfiguration des moyens de production en faveur du charbon. La méthode proportionnelle utilisée en prospective La bonne méthode pour calculer des contenus prospec- tifs par usage nous semble être celle de l’approche propor- tionnelle intégrale extrapolée dans les années à venir. A partir d’une ou de plusieurs années de référence, si l’on est en mesure de décrire l’évolution du système électrique à l’hori- zon d’une année n, en production comme en consomma- tion, il est possible d’appliquer la règle de proportionnalité décrite au début de cet article à tout usage identifié dans l’année n. Ceci conduit à des contenus prospectifs en CO2 pour chacun de ces usages et pour chaque pas de temps de cette année n. Une intégration sur l’année conduit aux résultats recherchés. Ce calcul peut s’accompagner de la simulation d’un nombre suffisant de scénarios climatiques afin que les pro- fils production/consommation utilisés soient suffisamment proches de leur espérance mathématique. Il est en outre loisible d’admettre, si le scénario d’évolu- tion du système électrique ne présente pas de discontinuité majeure, que la répartition des contenus par usage calculée pour l’année n sera valable pour les années comprises entre n-m et n+m. Pour revenir aux dispositions prévues par la loi de transition énergétique, il sera ainsi possible de bâtir les budgets carbone prévus pour chacune des périodes retenues par le projet de loi sur la transition énergétique : 2015-2018, 2019-2023, 2024-2028, 2029-2033 et suivantes. On dispo- sera ainsi d’une « feuille de route carbone » permettant de suivre, en global et par usage, la progression des émissions et d’opérer, s’il y a lieu, les infléchissements nécessaires. Bien entendu, il est possible d’utiliser de préférence à la méthode proportionnelle intégrale une autre méthode, simi- Une cité peut être alimentée en eau par deux res- sources : traditionnelle dont le débit est constant mais limité ; ressource souterraine après traitement. La construction de nouvelles résidences fait qu’il faut à présent à certains moments compléter l’eau souterraine par de l’eau de surface. Les deux eaux sont mélangées dans les réservoirs de la ville avant d’être distribuées. Viendrait-il à l’idée de soutenir que les nouveaux consommateurs branchés sur le même réseau que les anciens, consomment de l’eau de surface (ou même, ont une propension particulière à consommer de l’eau de surface) alors qu’au même moment les anciens conti- nueraient à consommer de l’eau à 100 % souterraine ? Encadré 1 : Le parallèle avec un réseau de distribution d’eau. Deux alpinistes lancés dans l’ascension d’un som- met progressent à des rythmes différents. A un ins- tant donné, le premier d’entre eux se retrouve à une altitude de 20 mètres supérieure à celle du second. Cette constatation permet de classer, à cet instant, la performance de l’un par rapport l’autre. Mais elle ne donne aucune indication sur les altitudes que nos deux alpinistes ont atteintes. Elle ne permet donc pas de dire s’ils sont en avance ou en retard par rapport à leur tableau de marche. On observera en outre que la notion d’altitude est conventionnelle et n’a de sens que par rapport à un repère convenu. Alors que la dif- férence d’altitude est parfaitement mesurable. Encadré 2 : Les limites des données marginales. 132 REE N°5/2014 GROS PLAN SUR laire ou simplifiée, telle que la méthode saisonnalisée, à la condition qu’elle respecte les exigences préalablement listées. Conclusion : de la bonne utilisation du contenu par usage et du calcul d’impact La définition des contenus par usage est un sujet d’actua- lité qui se pose dès que l’on cherche à établir des bilans, des budgets, des feuilles de route et des tableaux de bord. La méthode proportionnelle intégrale est fondée sur une logique très simple et très intuitive d’équirépartition des res- sources électriques entre les usages. Cependant la méthode « saisonnalisée par usage » qui en est proche, a de bonnes propriétés pour évaluer un contenu par usage de façon histo- rique mais aussi prospective. Comme dans bien d’autres secteurs de la vie économique, l’approche marginale de court terme est à écarter et peut conduire à des résultats aberrants. Cette inadaptation est liée à la volatilité des facteurs marginaux d’émission, mais aussi, et de façon plus organique, à l’absence de prise en compte de l’adaptation du système face à l’évolution des usages. L’approche marginale en développement ou incrémentale est légitime pour analyser les conséquences de stratégies possibles et décider en conséquence de celle qui sera sui- vie. Elle peut donc utilement éclairer des choix de politique publique mais requiert une cohérence économique élevée (il s’agit de comparer deux situations optimisées et de pré- ciser quelles sont les variables et critères d’optimisation, le souci de décarbonation en faisant forcément partie). Mais une fois la décision prise et les projections du système élec- trique calculées à différents horizons dans le cadre de cette stratégie, ce sont les contenus par usage qui doivent fixer le cap et servir de référence pour établir des feuilles de route et dresser des bilans. L’objection selon laquelle les contenus par usage ne reflé- teraient pas avec suffisamment de force la ligne à suivre n’est pas fondée. Elle procède d’une confusion entre la don- née et l’utilisation que l’on veut faire de cette donnée13 . Partant d’une répartition des émissions considérée comme un objectif stratégique à un horizon donné (par exemple 2030 ou 2035), il peut advenir que l’on constate lors d’un point d’étape (par exemple en 2020 ou 2025) que l’on s’écarte de la trajectoire permettant d’atteindre l’objectif fixé : usage non conforme aux orientations. Il est alors possible de prendre des mesures correctrices ou incitatives visant à se repositionner sur la trajectoire voulue. Sans que ce soit le seul levier d’action possible, ces mesures peuvent s’appuyer sur les contenus par usage. Mais il n’est pas opportun d’en distordre les valeurs en retenant des coeffi- cients marginaux qui n‘auraient qu’une signification fugace, qui 13 Viendrait-il à l’idée de dire à un malade qui a 38 °C de fièvre qu’il a 39, simplement pour renforcer le signal qui lui est envoyé ? Figure 5 : Principes de la méthode proportionnelle intégrale utilisée en prospectif - Source : Auteur. REE N°5/2014 133 Le contenu en CO2 du kWh - 2ème partie pénaliseraient certains usages plus que de raison et feraient corrélativement bénéficier d’autres d’un avantage injustifié. Les équilibres économiques sont sensibles : on voit bien qu’en adoptant pour le calcul en énergie primaire de la consommation des logements des coefficients d’équiva- lence contestables, on a fait basculer l’équilibre entre formes d’énergie dans des proportions inattendues et allant bien au- delà des objectifs initiaux. S’agissant du CO2 , ne chargeons pas à nouveau de fa- çon abusive la barque du kWh : à force d’être mal traité, on finira par croire que certains veulent réellement le maltraiter. Jean-Pierre Hauet est ancien rapporteur général de la Commission de l'Energie du Plan. Il a dirigé les Laboratoires de Marcoussis du groupe Alcatel-Alsthom et a été Chief Technology Officer du Groupe ALSTOM. Il est membre émérite de la SEE et président du comité éditorial de la REE. Il est l'auteur du livre « Comprendre l'énergie – Pour une transition énergétique responsable » paru aux éditions L'Harmattan en avril 2014. Maurice Allais pose la question de savoir « combien coûte un passager monté à Calais dans le train pour Paris ? » de répondre presque rien (coût marginal nul). tenté d’imputer 1/60e du coût de la voiture pendant le temps du transport. de 20 voitures il faut doubler celui-ci. Il souhaite donc imputer pour sa part, en plus du 1/60e de voiture précédent, 1/1 200e du prix de la motrice et du salaire de son conducteur. et à partir de 50 trains par jour il est obligé de doubler la voie. Il ajoute donc pour sa part 1/120 000e du coût de la voie (toujours rapporté au temps du transport). Maurice Allais montre ainsi que par approximations successives on arrive à ce que doit être le coût minimal du billet pour que la compagnie ferroviaire ne se retrouve jamais dans une impasse. Cet exemple lui est associé sous le nom de métaphore du voyageur de Calais, qui illustre qu’on ne peut jamais vraiment parler du coût d’un bien ou d’un service, mais qu’il est plus exact de parler de coût d’une décision en indiquant à quel niveau on la considère. Texte repris de Wikipedia Encadré 3 : Le paradoxe du voyageur de Calais. Le paradoxe du voyageur de Calais - (Maurice Allais - Prix Nobel d’économie 1988) ClichéHarcourt