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Le programme de R&D de l'énergie aux Etats-Unis

Guillaume De SMEDT (95), ingénieur à l'Air Liquide

Le Department of Energy (DOE) est l'Agence fédérale américaine en charge de la mise en oeuvre de la politique énergétique. Existant depuis 24 ans, le DOE emploie 15.000 agents fédéraux et presque 100.000 contractuels. Son budget annuel de l'ordre de 23 milliards de dollars en fait une des principales Agences. La politique énergétique américaine, telle qu'exposée dans le National Energy Policy, est essentiellement axée autour de deux axes principaux complémentaires, la production d'énergie à partir de sources primaires domestiques et la croissance économique. Le changement climatique et la réduction des pollutions associées à l'énergie sont fréquemment mentionnés, mais ne sont pas au coeur de la politique énergétique américaine - comme elle peut l'être, au moins au niveau des objectifs affichés, en Europe. Ainsi, le National Energy Policy ne propose pas d'objectifs quantitatifs pour la réduction des émissions. Les émissions de polluants classiques sont principalement régies par le Clean Air Act et ses amendements. L'administration Bush a en outre proposé en 2002 la Clear Sky Initiative, et plusieurs propositions de loi favorisant une approche multi-polluants commencent à apparaître tant au niveau local qu'au niveau fédéral. Quant aux émissions de CO2, il n'existe pour le moment aucun objectif chiffré imposé - les Etats-Unis n'ayant pas ratifié le Protocole de Kyoto - mais un objectif annoncé par le président G.W. Bush de réduire de 18% l'intensité des émissions (c'est à dire le ratio émission de CO2/PIB) en 2012 par rapport à 1990 par des engagements volontaires des industriels.

Au titre de la politique énergétique, le DOE se voit assigner quatre objectifs stratégiques relevant de quatre domaines : la Défense, l'Energie, la Science et l'Environnement, ce dernier terme ayant en fait un sens très précis (cf tableau n° 1).

Objectifs stratégiques
Objectifs généraux
Domaine Objectif
Défense Protéger la sécurité nationale par la mise en oeuvre d'avancées scientifiques et les systèmes d'armes nucléaires Maintenir en état opérationnel l'arsenal nucléaire
Assurer la non-prolifération nucléaire
Opérer des réacteurs nucléaires pour la marine
Energie Protéger la sécurité nationale et économique en permettant l'approvisionnement et la fourniture d'une énergie fiable, peu chère, et respectueuse de l'environnement à partir de sources diversifiées Améliorer la sécurité énergétique en développant des technologies permettant l'approvisionnement énergétique à partir de sources diverses, fiables, peu coûteuses et propres ; prévenir les urgences ; explorer des techniques avancées pour améliorer et diversifier les possibilités de choix énergétiques ; améliorer l'efficacité énergétique.
Science Protéger la sécurité nationale et économique en développant une recherche scientifique avancée. Apporter un support pour les missions du DOE ; Développer une recherche de classe mondiale
Environnement Protéger l'environnement en démantelant l'arsenal nucléaire de la Guerre Froide et en se débarrassant des déchets à radioactivité élevée Accélérer le nettoyage des sites de production et de tests des armes nucléaires.
Construire un site de stockage permanent (Yucca Moutain) avant 2010.
Tableau 1 : Objectifs du DOE (Source : DOE Strategic Plan, Sept. 2003)

Un tiers environ du budget du DOE est consacré au financement de programmes de recherche et développement (8.73 milliards de $, soit le 4ème budget fédéral de R&D derrière la Défense, la Santé et la NASA ; les chiffres ont pour l'année fiscale 2004 mais la requête pour l'année fiscale 2005 annoncée début 2004 est similaire), qui sont effectués soit au sein d'un des laboratoires de l'Agence, soit par le biais de contrats avec des Universités ou des acteurs industriels.

2003
2004
Recherche Fondamentale
2750
2664
Recherche Appliquée
3020
3395
Développement
1956
1840
Equipements
1109
994
 
 
 
 
 
 
Tableau 2: Décomposition du budget R&D du DOE par type de recherche (en million de US $). Source : Analytical Perspectives - Budget of the US Government Fiscal Year 2005
2003
2004
2005 (proposé)
Science
3218
3307
3484
Energies Renouvelables
322
357
375
Transport de l'électricité
88
81
91
Energie nucléaire
258
292
300
Maîtrise de l'énergie
612
607
544
Energie fossile
621
673
636
Tableau 3 : Décomposition du budget R&D du DOE par grands bureaux (en million de US $). Il faut noter que le budget nucléaire inclus à la fois la R&D militaire et la R&D civile (environ 2/3 et 1/3 respectivement)

La majeure partie de ce budget R&D est consacré d'une part aux activités de recherche fondamentale, qui portent principalement sur la physique des hautes énergies, la physique des matériaux, la biologie, et le développement de codes - entre autre pour l'étude du changement climatique - et d'autre part aux activités de recherche militaire sur le nucléaire, incluant la construction du site de stockage de Yucca Mountain - dont la mise en service est prévue dès 2010. Bien que ne relevant pas directement du développement de technologies, notons que l'entrée en service de ce site est par ailleurs susceptible d'influer positivement sur la relance du nucléaire à l'échelle internationale.

Les programmes portant sur la recherche appliquée et le développement dans le domaine "strict" des systèmes énergétique - correspondant au 2ème objectif stratégique - bénéficie donc d'un budget de l'ordre d'un milliard et demi de dollars, selon le périmètre plus ou moins strict que l'on considère (on pense ici à des programmes de transfert technologique qui se trouve à l'interface, ou aux budgets dédiés à la gestion de la recherche et aux frais de fonctionnement et non affectés directement à un programme précis). Quatre bureaux sont chargés de la mise en uvre de ces programmes : "Efficacité Energétique et Energies Renouvelables", "Energie Nucléaire", "Energies Fossiles" et "Maîtrise de l'Energie", certains programmes, en particulier l'Hydrogen Fuel Initiative sont des programmes inter-Agences (voire même impliquant d'autres Départements comme le Department of Transportation pour l'utilisation de piles à combustible à hydrogène dans le secteur automobile). La figure 1 présente les budgets des trois dernière années pour ces 4 Bureaux, où l'on constate une certaine régularité. La figure 2 présente les budgets agrégés par sources d'énergie primaire (plus hydrogène et piles à combustible).

Figure 1 - Budget des quatre principaux bureaux du DOE impliqués dans les programmes R&D sur les technologies de l'énergie. Pour le nucléaire, on n'a pas tenu compte du nucléaire militaire afin de "comparer ce qui est comparable". On a exclu du budget "Maîtrise de l'énergie" les budgets relatifs aux transferts de technologies.
Source : DOE Budget Request 2005.

Le nucléaire


Sur la figure 1, le budget alloué au nucléaire peut sembler faible comparé aux autres budgets. Il faut cependant relativiser cette idée, d'une part parce que l'on n'a pas représenté le budget dédié à la R&D sur le nucléaire militaire et d'autre part parce que plusieurs programmes non R&D visent à relancer l'énergie nucléaire d'ici 2010. En matière de R&D civile, les axes principaux sont :

* la production d'hydrogène intégrée à de nouveaux cycles - ce programme s'intégrant dans le cadre plus générale de la National Hydrogen Fuel Initiative initiée par l'Administration Bush

* le leadership du forum international "Generation IV" pour le développement des cycles nucléaires du futur .

* La mise au point de procédés de transmutation pour le retraitement et la ré-utilisation des déchets.

* La fusion, les Etats-Unis ayant de nouveau rejoint le programme international ITER. Il est à noter que des fonds dans le budget du bureau Science and Technology sont dédiés à la fusion.

Les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique


Les énergies renouvelables ainsi que l'efficacité énergétique sont considérés dans la stratégie énergétique comme des éléments importants, mais il est aussi estimé que leur contribution restera marginale comparée à l'effort global requis pour satisfaire la demande. On peut tout de même remarquer que l'énergie solaire et la valorisation de la biomasse, soit comme co-combustible (avec du charbon) pour la production d'électricité, soit sous forme de bio-éthanol comme carburant, bénéficient de budgets assez importants. Les énergies renouvelables sont de plus considérées dans le National Energy Policy comme susceptibles d'être des technologies exportables vers d'autres marchés.

Figure 2 : Budgets de R&D 2004 par source d'énergie (excepté pour l'hydrogène) -  Source : DOE Budget 2004.

Les énergies fossiles


On constate - et on ne s'en étonne d'ailleurs guère - à la lecture de la figure 1 que les énergies fossiles sont clairement les grandes bénéficiaires des budgets de R&D. Néanmoins, lorsqu'on regarde dans le détail (figure 2), on constate - et certains peuvent s'en étonner - que la seule énergie fossile qui bénéficie de programmes de recherche vraiment conséquents est le charbon. Ceci n'a en fait rien d'étonnant. Si l'économie américaine est très largement dépendante du pétrole - la page "International" des journaux le rappelle fréquemment - en particulier pour les transports, elle est aussi très largement dépendante du charbon, puisque 51 % de l'électricité US est produite dans des centrales à charbon, et que cette part n'est pas appelée à baisser significativement au cours des décennies à venir.

De plus, dans le cadre de la politique énergétique la valorisation des ressources domestiques est essentielles - et celles-ci sont essentiellement constitués des réserves de charbon : si l'on regarde le ratio "Réserves sur Production" qui donne une estimation du nombre d'années de réserves restantes pour une utilisation qui resterait constante, on constate que ce ratio (qui dimensionnellement s'exprime en années) vaut 10 années pour le gaz naturel, à peine moins pour le pétrole, et 250 ans pour le charbon. Néanmoins, il faut se souvenir que ce chiffre n'a en pratique que peu à voir avec le nombre d'années effectif de production domestique : ainsi, en supposant une croissance de 0,5 % des réserves par an et une croissance de 1,47 % de la production (moyenne des 20 dernières années), il ne reste que 124 années, soit moitié moins que dans l'approche "statique".

D'autre part, le charbon est responsable de plus de 80 % des émissions de CO2 du secteur de la production d'électricité, et de presque un tiers des émissions globales américaines. Le charbon est aussi responsable d'une large part des émissions d'oxydes de soufre, d'oxydes d'azote et de mercure. C'est d'ailleurs pour lutter contre les émissions de polluants locaux - mais avant tout pour valoriser une ressource domestique - qu'a été originellement lancé le programme "charbon propre" en 1985, et ces polluants continuent de faire l'objet de nombreux projets de recherche au sein de ce programme, qui a largement les faveurs de l'Administration Bush.

Ce programme comprend aussi depuis maintenant plusieurs années un sous-programme de plus en plus important sur la capture et la séquestration géologique du CO2 comme moyen de réduire drastiquement les émissions de CO2, en particulier celles issues des centrales charbon. Celles-ci peuvent être soit des centrales à combustion "classiques" (charbon pulvérisé ou lit circulant), soit basées sur la gazéification du charbon, ces cycles combinés intégrés à la gazéification (IGCC) étant aussi vus comme une source d'hydrogène. Le gouvernement américain a d'ailleurs annoncé en 2003 le lancement du projet pilote FutureGen de très grande ampleur, pour un budget de l'ordre d'un milliard de dollar sur presque 15 ans. Ce projet vise à construire, dans le cadre d'un consortium industriel, une unité IGCC produisant de l'électricité (275 MW de capacité) et de l'hydrogène, le CO2 étant quant à lui capturé à fins de réinjection.

 

Figure 3 : Le programme "charbon propre" - Source : DOE Budget Request 2005

 

L'hydrogène

L'hydrogène comme vecteur énergétique, et plus particulièrement comme carburant remplaçant le pétrole, est avec le charbon un des axes majeurs des programmes de R&D du DOE. En janvier 2002, le DOE a mis en place un partenariat avec les constructeurs automobiles, la FreedomCAR Initiative. L'objectif de ce partenariat est principalement la réduction de la dépendance américaine vis-à-vis du pétrole (les projections estiment que 70 % du pétrole sera importé à l'horizon 2020) tout en réduisant les émissions polluantes par le développement de technologies piles à combustible pour les transports (à moyen-long terme) ainsi que par le développement de moteur à combustion interne avancée et de véhicules hybrides. Ce partenariat s'inscrit depuis janvier 2003 dans le cadre plus large de l'Hydrogen Fuel Initiative, dont le montant annoncé est de 1.2 milliard de dollars. Cette initiative vise à réduire les coûts de production de l'hydrogène à partir de différentes sources primaires - principalement le gaz naturel sur le court terme et le charbon à plus long terme -, à développer des technologies de stockage et de distribution. A l'horizon 2010, les objectifs sont d'avoir baissé les coûts de production de l'hydrogène à partir du charbon à $30/baril équivalent pétrole.

 

Figure 4 : Budget DOE sur l'hydrogène (proposition pour 2005 ; total = 227 M$)
Source : Hydrogen Posture Plan, Février 2004

La coopération internationale

Les programmes R&D domestiques sur les technologies "propres" de l'énergie sont importants, au moins en termes budgétaires. Cependant, il faut noter que les actions de coopération internationale jouent aussi un rôle important dans la stratégie R&D énergétique des Etats-Unis. Ainsi sur le nucléaire, avec le forum Génération IV, mais aussi sur l'hydrogène, avec le lancement de l'IPHE (International Partnership for Hydrogen Energy) et sur la séquestration du CO2 avec le Carbon Sequestration Leadership Forum. Ces forums multilatéraux, qui visent à organiser la recherche au niveau mondial sur ces thématiques, ont d'abord une vocation politique (L'IPHE et le CSLF ont des structures assez proches, avec un comité politique et un comité technique, le second rapportant au premier), et peuvent être vus comme une volonté de "reprendre la main" en mettant en avant les solutions technologiques (et plus particulièrement la séquestration du CO2) pour résoudre le problème du changement climatique, devant les solutions de type réglementaire. D'autre part, les Etats-Unis sont engagés dans des actions de coopération bi-latérale à un haut niveau politique avec de nombreux pays, en particulier avec la Chine, le Japon et la Norvège.

Capture & Séquestration du CO2

L'option qui semble pour le moment privilégiée dans la lutte contre le changement climatique aux Etats-Unis est très clairement la voie de la "capture et de la séquestration du CO2". Cet ensemble de technologies consiste à capturer directement le CO2 produit par une installation industrielle - en particulier de production d'énergie - avant qu'il ne soit émis à l'atmosphère. Cette technique n'est envisageable que pour les sources importantes de CO2, comme la production d'électricité à partir de combustibles fossiles par exemple. Ces grosses sources représentent environ la moitié des émissions de CO2 à l'échelle mondiale. Trois grandes voies font actuellement l'objet de recherche au niveau mondial :

* Lorsque le CO2 est enlevé dans les fumées de combustion (on parle alors de décarbonation post-combustion). C'est la voie qui est envisageable par exemple pour les centrales au charbon pulvérisé. La séparation du CO2 des fumées (qui contiennent majoritairement de l'azote et de l'eau) peut alors s'effectuer avec des procédés chimiques (lavages aux amines, membranes, adsorption).

* Lorsque le CO2 est enlevé du carburant avant la chambre de combustion (décarbonation pré-combustion). Cette voie est particulièrement intéressante dans le cas des IGCC (gazéification intégrée à un cycle combiné). Le CO2 est ici séparé d'un gaz de synthèse contenant majoritairement de l'hydrogène, du monoxide de carbone et de l'eau. Les procédés envisageables sont de nouveau des lavages chimiques ou physiques, des membranes ou des procédés par adsorption.

* La 3ème voie consiste à utiliser pour la combustion de l'oxygène pur à la place de l'air : les fumées de combustion ne contiennent alors plus que de l'eau et du CO2, et le coût énergétique de la séparation est moindre que dans les deux autres voies. Néanmoins, une partie de ce coût est transférée vers l'étape de séparation de l'air.

Une fois le CO2 séparé des autres gaz, il peut être transporté par pipeline vers un site de stockage approprié, i.e. possédant les caractéristiques assurant l'intégrité du stockage. On distingue - de nouveau ! - trois grands types de stockage :

* Dans les aquifères salins profonds, qui sont des roches poreuses. La capacité de stockage des aquifères est de loin la plus grande d'après les estimations actuelles, avec une capacité de stockage importante, variant selon les auteurs entre 400 et 10.000 gigatonnes de CO2 (Gt CO2).

* Dans les gisements d'hydrocarbures en fin de vie. De plus, lorsque le champ est encore en production, l'injection de CO2 peut permettre d'améliorer la fraction d'hydrocarbures récupérés, ce qui rend cette voie attractive, en particulier tant que les coûts de capture et de transport du CO2 sont si élevés. La capacité totale (réservoirs pétroliers et gaziers) est estimée à 1.000 Gt CO2.

* Dans les veines de charbon profondes, sur lesquelles le CO2 s'adsorbe. Dans les cas favorables, la récupération de gaz de mine est améliorée. Bien que plus faible que les deux types précédents, la capacité de stockage (hors considérations économiques) est estimée à 140 Gt CO2.

Il est à noter que le GIEC (Groupement Intergouvernemental d'Experts pour le Climat) prépare actuellement la rédaction d'un rapport spécial sur la question (publication prévue en 2005), et que différents travaux commencent à s'intéresser à la prise en compte des tonnes de CO2 séquestrées en lien avec les mécanismes de projet du Protocole de Kyoto.

Quel(s) impact(s) sur l'environnement ?

Comme nous l'avons rappelé, même s'il y est fait explicitement référence dans les différents documents, l'environnement n'est pas un des objectifs prioritaire de la politique énergétique des USA. Néanmoins, à l'issue de cette - trop brève - revue des programmes sur les technologies de l'énergie aux Etats-Unis, la question de leur(s) impact(s) potentiels sur l'environnement se pose. Le DOE, dans le cadre de la gestion de la R&D fédérale, tente de quantifier les bénéfices de chaque programme par le biais du Governement Performance and Results Act reporting. Par exemple, il est estimé que les programmes du bureau "Efficacité énergétiques et énergie renouvelables" se traduirait par une réduction de 35 MtCO2-eq en 2010 et 213 MtCO2-eq en 2025 (soit respectivement 0,5% et 3,05% des émissions de 2000). Il faut néanmoins noter que ces estimations reposent sur des modélisations dont les hypothèses seraient à discuter en détail.

Si l'on se risque à un exercice de "futurologie" en extrapolant à partir des programmes actuels, l'avenir énergétique durable qui se dessine à l'horizon de ce siècle semble assez loin de certaines images que l'on peut avoir. En effet, il semble faire la part belle à deux sources d'énergie primaire - le charbon avec séquestration du CO2 et traitements avancés des fumées, et le nucléaire - et à deux vecteurs énergétiques complémentaires, l'électricité et l'hydrogène, ce dernier ayant comme objectif premier de réduire la dépendance pétrolière. Il faut cependant noter que la production d'hydrogène à partir de gaz naturel sur le court et moyen terme ne réglera pas complètement la dépendance vis à vis des importations - excepté si le programme sur la valorisation des hydrates de méthane aboutit.

En ce qui concerne la réduction des émissions, en particulier celles dues au secteur électrique, il est probable que les programmes permettent de développer des technologies ad hoc comme cela a déjà été le cas de par le passé pour les émissions d'oxyde de soufre par exemple. Cependant, un cadre législatif sera nécessaire au déploiement de ces technologies. Par exemple, un "signal-prix" de la tonne de CO2 sera nécessaire au déploiement des technologies de stockage, que ce soit par un mécanisme de marché de type "cap-and-trade" ou par des incitations fiscales.

Il est possible que ces résultats aient un impact au niveau international, si les technologies sont effectivement développées et déployées dans les pays en voie de développement, et plus particulièrement dans les pays disposant de larges réserves de charbon comme la Chine ou l'Inde.

En guise de conclusion, remarquons simplement que ce futur énergétique à base de nucléaire et d'énergie fossile avec séquestration du CO2 peut être mis en parallèle avec certains scénarios "facteur 4" développés récemment par la M.I.E.S., susceptibles de permettre à la France d'atteindre son objectif de division par 4 des émissions à l'horizon 2050. Néanmoins, ces scénarios prennent aussi en compte une importante contrainte sur la consommation d'énergie finale par habitant, dimension qui n'est pas à l'ordre du jour pour le moment outre-Atlantique.

Pour aller plus loin :

Les documents officiels (budgets, plans stratégiques, descriptif des technologies développées,etc.) sont accessibles via le site du DOE (et sites des différents bureaux accessibles par liens hypertextes) ainsi que sur le site de l'Energy Information Administration (EIA) à ne pas confondre avec l'Agence Internationale de l'Energie, qui a publié sur ce sujet (entre autres) en 2002 "Energy Policies of IEA countries : the US 2002 review " et "Dealing with climate change : policies and measures in IEA Member countries ". On lira aussi avec intérêt les publications du Centre Français sur les Etats-Unis/Institut Français des Relations Internationales (CFE-IFRI) sur la politique énergétique américaine.

Données chiffrées : http://www.energy.gov, http://eia.doe.gov/, http://www.iea.org/ , et http://cait.wri.org/ .

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