La transition énergétique via l'électrification – élément clé pour un monde à zéro émission

L'électrification consiste à modifier des technologies et process dépendant des sources d'énergie non électriques, comme les combustibles fossiles, pour qu'ils fonctionnent à l'énergie électrique, idéalement générée par des sources renouvelables, comme les énergies solaire, éolienne et hydraulique. Le principal avantage est la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES).

L'objectif du zéro net d'ici 2050 dans le secteur de l'énergie nécessite d'exploiter toutes les mesures disponibles pour réduire les émissions de dioxyde de carbone. L'électrification joue un rôle essentiel, car elle devrait être la mesure de réduction du carbone avec le plus de répercussions dans le secteur de 2030 à 2050, et deuxième après l'énergie éolienne et l'énergie solaire photovoltaïque (PV) de 2022 à 2030. Elle sera également nécessaire pour respecter l'Accord de Paris sur le climat, c'est-à-dire de ne pas dépasser le seuil de 1,5 °C avant la fin du 21^e siècle.

La plupart des réductions d'émissions obtenues par l'électrification proviennent de la transition des énergies fossiles vers des sources d'énergie renouvelables - et la plupart de ces mesures sont obtenues grâce à des technologies disponibles et évolutives aujourd'hui.

Pour atteindre la neutralité carbone, tous les secteurs industriels devront explorer plusieurs possibilités en parallèle, notamment des améliorations de l'efficacité, le captage et le stockage du carbone (CSC) et la transition des combustibles à l'hydrogène.

Les objectifs du zéro net visé au niveau mondial et régional exigent une réduction des émissions de GES dans les secteurs du transport, du chauffage et de l'industrie, où les combustibles fossiles sont utilisés aujourd'hui, et ces mesures de réduction du carbone s'annoncent chères et complexes. Les sections suivantes mettent en lumière les possibilités de transition énergétique spécifiques à l'industrie.

Les pourcentages exacts varient selon les régions, mais le transport se classe parmi les contributeurs majeurs aux émissions de GES en raison de sa large utilisation de combustibles fossiles. Alors que l'électrification augmente dans les véhicules électriques légers, elle représente moins de 1 % de l'énergie totale du secteur, mettant en évidence la marge de croissance pour les véhicules légers, moyens et lourds.

La Chine, l'Europe et les États-Unis détiennent aujourd'hui le plus grand marché de véhicules et VE (véhicules électriques), avec la Chine générant les plus fortes ventes de VE de tous les pays du fait des mesures politiques et des aides apportées par le gouvernement ainsi que du manque d'approvisionnement en pétrole dans le pays.

Les VE ont plusieurs effets externes négatifs sur le marché, le plus important étant les obstacles imposés par les infrastructures de recharge limitées et les coûts initiaux élevés, qui sont principalement imputables aux coûts des batteries. Le nombre croissant de véhicules électriques peut également mettre à rude épreuve les réseaux d'approvisionnement locaux en augmentant considérablement la quantité d'électricité demandée, mais cela peut être légèrement atténué par une augmentation stratégique de la capacité de réseau à l'aide de micro-réseaux PV dans certains endroits.

Les véhicules lourds rencontrent des obstacles supplémentaires. Par exemple, les exigences de charges utiles élevées des camions posent des défis de conception des VE en raison du poids des piles. De plus, les transporteurs longue distance doivent fréquemment couvrir des centaines ou des milliers de kilomètres par jour, ce qui ne peut être concilié avec la nécessité de recharger fréquemment et longtemps la batterie en utilisant les infrastructures de branchement limitées. Sans innovations pour réduire les temps de charge et améliorer les ratios énergie-poids des batteries, ces problèmes limitent les possibilités de remplacement des flottes existantes de camions à carburant par des VE. Le coût total de possession joue également un rôle, et alors que les camions électriques coûtent moins cher à utiliser, l'investissement initial élevé exigé peut être un obstacle pour les transporteurs.

L'électrification n'est tout simplement pas prise en considération pour l'industrie aéronautique en raison du poids immense que représenterait le nombre de batteries suffisantes pour générer une propulsion une distance productive. Au lieu de cela, l'industrie étudie le biocarburant pour une aviation durable et l'optimisation opérationnelle pour réduire les émissions.

Les bâtiments utilisent déjà l'électricité pour le refroidissement des pièces, la réfrigération, l'éclairage et l'informatique, mais des possibilités d'amélioration existent dans les systèmes de chauffage des pièces et de l'eau, dont beaucoup fonctionnent au propane, au gaz naturel ou au gazole.

Les pompes à chaleur électriques ont été utilisées depuis des décennies pour chauffer et refroidir efficacement les maisons dans des climats modérés, mais elles ont encore des difficultés à fonctionner efficacement à des températures négatives. Toutefois, des innovations récentes - comme la technologie de compresseur inverter à vitesse variable - permettent un fonctionnement du système à des températures bien en dessous de -12 °C (10,4 °F).

Bien que l'efficacité des pompes à chaleur de source terrestre soit inégalée, les coûts élevés de capitaux pour convertir les unités de gaz naturel peuvent être un obstacle. Une nouvelle construction est souvent la meilleure opportunité pour électrifier dans ce domaine, car des investissements initiaux élevés sont probablement déjà effectués. En outre, les économies de dépenses opérationnelles au fil du temps, ainsi qu'une empreinte carbone réduite, peuvent souvent justifier des dépenses supplémentaires en capital dans ces situations.

De manière générale, l'électrification des bâtiments à l'aide de pompes à chaleur, combinée à une production d'électricité plus propre, est une voie importante pour atteindre les objectifs climatiques.

Il existe un potentiel en grande partie inexploité pour l'électrification de nombreux équipements, permettant de réduire la dépendance aux combustibles fossiles en combinaison avec une énergie zéro émission nette. Le potentiel d'électrification le plus prometteur se situe dans les process thermiques à basse température, tels que le séchage alimentaire, la production de boissons, le traitement du papier et l'industrie légère. Cela comprend les procédés nécessaires pour générer la chaleur jusqu'à environ 400 °C (752 °F).

Les marchés des boissons peuvent ont pu électrifier jusqu'ici les process alimentés au gaz naturel et au mazout. Les process de fabrication dépendant des combustibles fossiles pour chauffer l'eau et la vapeur peuvent utiliser des équipements spécialisés, y compris des évaporateurs à recompression de vapeur, des séchoirs à vapeur et des chaudières électriques. Les experts estiment que plus de 50 % de tous les combustibles fossiles consommés par les fabricants pour alimenter les process pourraient être remplacés par l'électricité, contribuant ainsi à la transition énergétique.

La vitesse d'électrification des process industriels nécessitant une chaleur élevée de 1 000 °C (183 °F) voire plus dépend du développement de nouvelles technologies électriques pour remplacer éventuellement les équipements avec des cycles de vie étendus dans les industries comme la production d'acier ou de ciment. Par exemple, des fours à arc électrique capables de remplacer les hauts fourneaux traditionnels et émettant des émissions nettement inférieures sont en cours de développement.

Le secteur industriel dans son ensemble émet des GES par plusieurs voies complexes. Cela comprend les émissions indirectes - provenant de l'électricité générée par des combustibles fossiles - et des émissions directes, via la combustion de combustibles fossiles et à la production d'énergie, en plus des sous-produits et fuites des process de GES. L'électrification peut réduire les émissions de toutes ces sources, bien que les coûts initiaux et opérationnels soient souvent plus élevés.

Toute discussion sur l'électrification doit inclure des batteries et les technologies de batteries. Les batteries sont un élément essentiel de la transition énergétique, notamment en ce qui concerne le transport mobile électrique et le stockage d'énergie de réseau, qui peuvent réguler l'approvisionnement en énergie intermittente, notamment solaire et éolienne. Les batteries peuvent également rendre possible la production d'énergie mobile pour les appareils et les systèmes, en remplaçant les petits générateurs et installations statiques et les équipements mobiles.

Il existe diverses nouvelles conceptions de batteries et des avancées récentes en science des matériaux qui permettent une chimie et une efficacité accrue des batteries. En général, les batteries lithium-ion sont préférées du fait de leur efficacité énergétique élevée et leur longue durée de vie par rapport à d'autres matériaux. Ces batteries ont bénéficié d'économies d'échelle, et elles sont actuellement la principale technologie de batterie pour le stockage d'énergie de réseau.

Une batterie est constituée d'une anode, d'une cathode, d'un séparateur, d'électrolyte et de deux collecteurs de courant-positifs et négatifs. L'anode et la cathode stockent le lithium, alors que l'électrolyte transporte des ions lithium chargés positivement de l'anode à la cathode, et vice versa, par le séparateur. Le déplacement des ions lithium crée des électrons libres dans l'anode, ce qui provoque une charge au niveau du collecteur de courant positif. Le courant électrique passe alors du collecteur de courant positif au collecteur de courant négatif en passant par l'appareil alimenté. Le séparateur bloque le flux d'électrons à l'intérieur de la batterie, tout en permettant aux ions lithium de passer.

Le principal avantage pour les batteries de VE et de stockage d'énergie est la capacité à accepter, stocker et libérer l'électricité sur demande, au même titre que l'hydroélectricité pompée. 

Exploiter les avantages des batteries pour l'électrification crée de nouveaux défis liés aux matières premières nécessaires à la production de batteries. L'approvisionnement en minerai de batterie [lien vers page Minéraux de batterie L1] est un problème majeur pour la démarche globale de durabilité, c'est pourquoi l'extraction de ces matériaux devrait être réalisée avec un partenaire fiable fournissant des solutions de batterie. 

Comme la plupart des batteries, les batteries VE se composent principalement de minéraux de transition énergétique (ETM), parfois appelés « minéraux critiques ». Actuellement, la plupart des batteries VE sont au lithium-ion et contiennent différentes quantités d'ETM, y compris le lithium, le cobalt, le nickel et le graphite. Plusieurs de ces matériaux peuvent être réutilisés et recyclés dans l'économie circulaire, contrairement aux véhicules à essence, qui dépendent de l'extraction continue et de la combustion de combustibles fossiles. D'autres éléments terrestres rares sont nécessaires dans les moteurs électriques VE et dans les aimants permanents des éoliennes, comme le cuivre.

Les chaînes d'approvisionnement durables doivent améliorer continuellement la traçabilité de ces matériaux. Les fabricants de batteries peuvent tirer profit de l'expertise approfondie d'entreprises comme Endress+Hauser pour l'audit des instruments et les initiatives de certification.

Des informations adéquates et des comparaisons transparentes en termes de coûts, de la viabilité technologique et d'impacts environnementaux sont essentielles pour prendre des décisions relatives à l'électrification, mais ces éléments sont trop souvent incomplets ou manquants. Dans de nombreuses industries, les clients ne sont tout simplement pas ou mal informés sur les conséquences, ainsi que sur la disponibilité des aides gouvernementales lors du choix entre des solutions conventionnelles ou électrifiées.

Heureusement, l'électrification et les autres technologies bas carbone sont de plus en plus répandues et moins coûteuses sur les marchés industriels et consommateurs, avec des évolutions et des économies d'échelle qui accompagnent cette tendance. Pour atteindre les objectifs zéro net, les entreprises et les gouvernements doivent continuer à soutenir les engagements durables, en simplifiant l'électrification et les autres méthodes pour réduire les émissions de dioxyde de carbone dans les secteurs du transport, du chauffage et de l'industrie.