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2.3 La production d’énergie non renouvelable
L'énergie non renouvelable provient de sources qui, à un moment donné, s'épuiseront et ne pourront pas être reconstituées.
Introduction
La plupart des sources d'énergie non renouvelables sont des combustibles fossiles, comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Le carbone est le principal élément des combustibles fossiles, et c'est pourquoi la période au cours de laquelle les combustibles fossiles se sont formés (il y a environ 300 à 360 millions d'années) est appelée «période carbonifère».
Découvrons le processus par lequel les matières premières des combustibles fossiles sont créées.
1. Marais préhistoriques : Tous les combustibles fossiles se sont formés de la même manière. Il y a des centaines de millions d'années, avant même que les dinosaures n’apparaissent sur la planète, la Terre avait un paysage très différent. Elle était recouverte de mers larges et peu profondes et de forêts marécageuses. 2. Organismes morts : Les plantes, les algues et le plancton poussaient dans ces anciennes zones humides. Ils absorbaient la lumière du soleil et créaient de l'énergie par photosynthèse. Quand ils mouraient, les organismes coulaient au fond de la mer ou du lac, et leurs restes conservaient l’énergie emmagasinée. 3. Fossilisation : Au fil du temps, ces organismes morts ont été écrasés sous les fonds marins. Les roches et autres sédiments se sont empilés sur eux, créant une chaleur et une pression élevées dans le sous-sol. Dans cet environnement, les restes de végétaux et d’animaux ont fini par se transformer en combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel). Aujourd'hui, on trouve dans le monde entier d'énormes poches souterraines (appelées «réservoirs») de ces sources d'énergie non renouvelables.
Production d’énergie nucléaire
Contrairement à de nombreuses autres sources d’énergies non renouvelables, la production d’énergie nucléaire ne repose pas sur les combustibles fossiles. L’énergie nucléaire provient plutôt de la fission nucléaire, processus pendant lequel un noyau atomique lourd est divisé, ce qui entraîne la libération de grandes quantités d’énergie. Dans l’environnement soigneusement contrôlé d’un réacteur nucléaire, cette énergie est utilisée pour générer de la chaleur, puis de la vapeur, qui à son tour fait tourner des turbines pour produire de l’électricité.
Le combustible d’uranium
L’énergie nucléaire est considérée comme non renouvelable, car le combustible d’uranium qui l’alimente existe en quantités limitées. Cependant, il ne s’agit pas d’un combustible fossile, et l’énergie nucléaire permet de produire de l’électricité sans créer de gaz à effet de serre.
Source de production d’électricité de base
L’énergie nucléaire est une source importante et fiable de production d’électricité de base, c’est-à-dire qu’elle permet de produire la quantité minimale d’électricité dont on a besoin en permanence. Les centrales nucléaires remplissent bien cette fonction, en partie parce qu’elles ne peuvent pas être mises en marche et arrêter facilement.
Petits réacteurs modulaires (PRM)
Le Canada met activement au point de petits réacteurs modulaires (PRM), ou micro-unités nucléaires, qui pourraient remplacer la production d’électricité à partir de combustibles fossiles dans les collectivités éloignées et sur les sites industriels.
Avantages
• Carboneutre, sans émission de gaz à effet de serre
• Production de base fiable et toujours disponible
• Peut fournir une quantité importante d’électricité en un seul endroit
• Faible coût à long terme
Inconvénients
• Coûts d’investissement élevés et longs délais d’exécution des projets
• Perception du public concernant les problèmes de sécurité potentiels
• Questions concernant l’élimination des déchets nucléaires
Production d’énergie à partir du charbon
Le charbon est une source d'énergie abondante et peu coûteuse ayant une longue histoire. Il représente 40% de l’approvisionnement mondial en électricité. Normalement, le charbon est broyé et réduit en poudre, puis brûlé pour produire de la vapeur, qui à son tour fait tourner des turbines pour générer de l'électricité.
Des progrès récents ont permis de produire de l'électricité à partir de «charbon propre», obtenu grâce à une technologie d'épuration qui piège les émissions de carbone avant leur rejet dans l'atmosphère. Cela a atténué certaines des préoccupations environnementales. Le charbon peut également être converti en hydrocarbures liquides à combustion plus propres et en gaz synthétique.
En 2005, le charbon représentait 18% de la production d'électricité au Canada. En 2019, la production au charbon avait été réduite à 8%. L'Ontario a éliminé la production d'électricité à partir du charbon en 2014, et la réglementation fédérale exige l'élimination progressive de la production d'électricité traditionnelle à partir du charbon dans tout le pays d'ici 2030.
Avantages
• Le charbon est abondant et peu coûteux
• La construction de centrales au charbon est relativement économique
• Offre une production de base fiable et toujours disponible
• Le charbon est facile à brûler et produit beaucoup d'énergie
Inconvénients
• Forte intensité d'émissions de gaz à effet de serre
• Émet des métaux lourds tels que le mercure
• Associé aux pluies acides
• Le processus d'extraction du charbon peut être préjudiciable à l'environnement
Production d’énergie à partir du gaz naturel
Le gaz naturel se trouve dans des réservoirs souterrains. De tous les combustibles fossiles, c'est celui qui brûle le plus proprement. Lorsqu'il est utilisé pour produire de l'électricité, il émet environ deux fois moins de carbone que le charbon.
Le gaz naturel est brûlé pour produire de la vapeur, qui à son tour fait tourner des turbines pour produire de l'électricité. Les centrales au gaz naturel ont l'avantage de pouvoir démarrer et s'arrêter assez facilement, ce qui en fait un moyen efficace de répondre aux pics de demande d'électricité.
Autres usages
Le gaz naturel peut également servir de combustible pour produire de l’électricité avec des moteurs à combustion. Cette méthode est souvent utilisée comme source d'appoint en cas d'urgence.
Carburant de transition
Dans le contexte de l'intensification des efforts pour réduire les émissions de carbone, le gaz naturel a été largement utilisé pour remplacer le charbon et le pétrole dans la production d'électricité. Il est donc parfois qualifié de «combustible de transition», c'est-à-dire un combustible qui nous aidera à passer de l’utilisation des combustibles fossiles au déploiement à vaste échelle des énergies renouvelables.
Avantages
• Abondant
• Peu coûteux
• Facile à transporter
• Pollution globale moindre que les autres combustibles fossiles
Inconvénients
• Produit des gaz à effet de serre
• Préoccupation du public concernant la production, en particulier lorsque le gaz est extrait par fracturation
Production d’énergie à partir de pétrole
Le pétrole peut être brûlé pour dégager de la vapeur et produire de l’électricité. Les distillats du pétrole peuvent également servir à faire fonctionner un moteur diesel qui alimente un générateur. Toutefois, au Canada, le gaz naturel a largement remplacé l’utilisation du pétrole comme combustible en vue de produire de l’électricité. Le gaz naturel est plus économique, plus efficace et comporte d’autres avantages.
La production au diesel existe encore dans les régions éloignées, comme le Nord, ou dans d'autres régions difficilement desservies par le réseau électrique.
Pour ce qui est de la propreté et des émissions de gaz à effet de serre, le pétrole se situe entre le charbon et le gaz naturel, ce dernier étant le plus propre des trois combustibles fossiles.
Avantages
• Était disponible en abondance
• Système de transport bien établi
Inconvénients
• Produit des gaz à effet de serre
• Plus cher que le charbon et le gaz naturel
• Moins efficace que le gaz naturel
Production d’énergie à partir de l’hydrogène
Bien qu'il ne s'agisse pas aujourd'hui d'une source importante de production d'électricité, l'hydrogène suscite beaucoup d'intérêt. Il est inodore et incolore, et c'est l'élément le plus abondant dans l'univers. Mais il n'existe pas librement dans la nature et doit être produit à l'aide d'autres sources d'énergie. On le qualifie donc de vecteur d'énergie.
Hydrogène gris
Cette forme d'hydrogène est la plus courante. Elle est produite à partir de gaz naturel ou de méthane par vaporeformage.
Hydrogène bleu
Cette forme d'hydrogène est produite de la même manière que l'hydrogène gris, mais les émissions de gaz à effet de serre qui en résultent sont captées et stockées.
Hydrogène vert
Cette forme d'hydrogène est produite à l'aide d'électricité propre et renouvelable et d'un procédé d'électrolyse, et ne produit pas d'émissions de gaz à effet de serre.
Bien que l'hydrogène soit renouvelable en soi, sa production repose aujourd'hui en grande partie sur des sources non renouvelables telles que le charbon, le gaz naturel et le pétrole. Il faut y avoir recours pour séparer l'hydrogène de l'oxygène par un processus de vaporeformage.
Hydrogène renouvelable
La liaison chimique de l'hydrogène contient une grande quantité d'énergie. Il s’agit d’un combustible propre qui, combiné à de l'oxygène dans une pile à combustible, produit de la chaleur et de l'électricité en dégageant seulement de la vapeur d'eau. Alors que les services publics poursuivent leur transition vers les énergies renouvelables, la production d'hydrogène vert suscite un intérêt croissant. Hydro-Québec, Evolugen, BC Hydro et ATCO, par exemple, sont parmi les entreprises qui se sont préparées à entrer dans l'industrie de l'hydrogène renouvelable.
Facilité de transport
L'hydrogène peut être stocké dans des réservoirs, transporté par voie terrestre et maritime, et même acheminé par le réseau de gaz naturel existant pour alimenter les particuliers et l'industrie, pour fabriquer des produits chimiques et pour alimenter en combustible les voitures, les trains et les camions.
L’économie de l’hydrogène
Si la production d'hydrogène renouvelable devient commercialement viable, elle pourrait devenir un nouveau débouché important pour les exportations canadiennes et aider la planète à se décarboner.
Certains envisagent une future «économie de l'hydrogène». L’hydrogène serait produit à partir de diverses sources d'énergie, stocké pour une utilisation ultérieure, acheminé par pipeline là où il est nécessaire, puis converti proprement en chaleur et en électricité.
Avantages
• Potentiel de décarbonation important, en particulier lorsque l'hydrogène vert devient plus viable
• Peut servir immédiatement ou être stocké et transporté pour une utilisation ultérieure
• Peut servir à la production d'électricité et de carburant pour les transports et d'autres usages
• Les véhicules à hydrogène ont une meilleure autonomie que les véhicules électriques
• De nombreux pays ont fait de l'hydrogène un élément clé de leurs stratégies énergétiques futures
Inconvénients
• L'hydrogène peut être volatile; il est hautement inflammable
• La production (notamment d'hydrogène bleu et vert) reste coûteuse
• Il faudra convertir les flottes de véhicules, les processus industriels, etc.
Capture et stockage du carbone
Outre les diverses méthodes de production d'électricité, d'autres technologies et procédés entrent en jeu pour assainir la production d'électricité. L'un d’entre eux consiste à capter et stocker le carbone. De nombreuses méthodes de production d'électricité génèrent du carbone, mais il existe des technologies qui permettent de capturer et de stocker ce carbone au lieu de le laisser s’échapper dans l'atmosphère.
Pourquoi le captage et le stockage du carbone sont-ils nécessaires?
Si les innovations qui sont faites dans le domaine des énergies renouvelables offrent des solutions intéressantes, nous ne disposons pas encore de la technologie et des infrastructures nécessaires pour s’en tenir seulement à elles. En attendant, nous devons chercher des moyens de réduire les émissions provenant des sources traditionnelles de production d'électricité.
L'électricité produite par des combustibles fossiles reste très répandue au Canada. Elle est relativement peu coûteuse et fiable. Les combustibles fossiles les plus couramment utilisés pour la production d'électricité sont le charbon et le gaz naturel. Cependant, en brûlant, ces combustibles émettent des gaz à effet de serre.
Par exemple, le charbon représente 60% des émissions de gaz à effet de serre provenant de la production d'électricité au Canada, tandis que le gaz naturel en représente environ 30%.
Pourquoi la solution est-elle de capter le carbone?
La technologie du captage et du stockage du carbone (CSC) est la seule qui permet en ce moment de réduire les émissions des centrales électriques alimentées aux combustibles fossiles. Elle pourrait permettre d’éliminer des proportions importantes du CO2 émis par ces centrales et de trouver un équilibre entre la réduction des émissions et la croissance économique.
De même, à mesure que nous évoluons vers une économie à faible émission de carbone, le CSC peut trouver des applications dans d'autres secteurs tels que l'extraction et le traitement du pétrole.
Comment fonctionne le captage et le stockage du carbone?
Le CSC est un procédé qui permet d'extraire et de recueillir le CO2 provenant d'un flux de gaz résiduels d’une centrale électrique. Ces émissions potentielles sont ensuite comprimées et injectées dans des formations géologiques profondes pour ne pas être libérées dans l’atmosphère – ce qui serait le cas lors de la production d’électricité et du traitement des combustibles.
Le CSC est une innovation technologique qui peut être adaptée aux centrales à combustibles fossiles actuelles, ou intégrée dans de nouvelles conceptions.
Les principaux facteurs de risque sont liés au transport du CO2 capturé et à la manière dont les sites de stockage sont gérés pour éviter toute fuite.
Tarification du carbone
La tarification du carbone, qu'il s'agisse d'une taxe ou d'un système d'échange, augmente le coût des activités émettrices de carbone, y compris la production d'électricité, ce qui rend plus attrayant l'investissement dans des technologies à faible émission.
La tarification du carbone peut stimuler l'innovation et encourager les personnes et les entreprises à moins polluer. Toutefois, il ne suffit pas de compter sur le prix du carbone pour que le Canada atteigne ses objectifs internationaux en matière de climat.
Bien que 80% du bouquet d’énergie électrique du Canada n’émette pas de gaz à effet de serre, nous devons continuer à réduire notre contribution aux changements climatiques, et la technologie du CSC peut considérablement nous y aider.
Procédés de cogénération
Les procédés de cogénération permettent de produire de l'électricité et de la chaleur à partir d'une seule source d’énergie, et d'en faire un usage bénéfique. Cette solution peut être très utile sur les sites industriels et d’autres lieux où l’on a constamment besoin d’électricité et d’énergie thermique (sous forme d'eau chaude ou de vapeur).
Un système de cogénération peut être alimenté par divers combustibles, dont le gaz naturel (le choix le plus courant), la biomasse, le biogaz et la chaleur résiduelle. Grâce aux deux flux d'énergie provenant d'une seule source, et à l'efficacité globale du système, on peut réaliser des économies sur les coûts d'électricité et de chauffage.
Les clients importants qui se convertissent à des systèmes de cogénération peuvent, dans certains cas, fonctionner largement en marge du réseau et compter sur leur propre production d'électricité. Toutefois, ces clients doivent quand même être branchés au réseau d’électricité à des fins d'alimentation de secours. Ils doivent donc payer des redevances d'utilisation du réseau.
Vérification des connaissances
• La production nucléaire est bien adaptée à la production de base, car une centrale ne peut pas être facilement mise en service ou hors service.
• Le charbon est abondant et peu coûteux et représente 40% de l'approvisionnement en électricité dans le monde.
• Le gaz naturel est le combustible fossile qui brûle le plus proprement, et il est relativement facile de le mettre en marche ou de l'arrêter.
• Le pétrole ne sert plus vraiment de combustible pour produire de l’électricité au Canada.
• L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, et les scientifiques et les ingénieurs étudient la possibilité de s’en servir comme vecteur d'électricité.
