Modélisation dynamique multirégionale de la demande en énergie, matériaux et infrastructures

Multiregional assessment of technologies, energy and resources

• Auteur / Autrice : François Verzier
• Direction : Olivier Vidal
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux

Energie

Modélisation

Energy

Modeling

Materials

Résumé

Cadre général La baisse des émissions de gaz à effet de serre est un enjeu crucial du 21° siècle pour limiter le réchauffement global. Les accords de Paris (COP21) prévoient une incorporation d'au minimum 30% d'énergie renouvelable en 2050 et l'atteinte de la neutralité carbone dans la deuxième moitié du siècle. Cette transition vers les énergies renouvelables (EnR) implique de bâtir une nouvelle infrastructure de production, de stockage, de transport et d'utilisation d'énergie. Or les EnR sont des énergies de flux intermittentes et diluées qui nécessitent de grandes infrastructures pour être capturées afin de produire l'électricité. Pour cette raison, les infrastructures d'EnR sont beaucoup plus gourmandes en matières premières que les centrales électriques conventionnelles et on s'attend à ce que la capacité d'effectuer la transition énergétique soit conditionnée par la disponibilité d'une grande variété de métaux, qui sont d'autres ressources fossiles (Vidal et al., 2013; 2016, 2017 ; 2019; Vidal, 2017, 2018; Ali et al., 2017). Le lien entre matières premières et énergie est à double sens : il faut des matières premières pour construire l'infrastructure d'énergie, mais il faut également de l'énergie pour produire les matières et les transformer en une infrastructure (actuellement, 35% de l'énergie consommée par le secteur industriel au niveau mondial est utilisée pour la production des matières minérales). La surconsommation de métaux due à la transition énergétique s'inscrit par ailleurs dans un contexte de croissance forte de la demande dû au développement économique rapide de grands pays à forte population (Chine, Inde, Afrique). Pour ces raisons, la disponibilité future de la ressource ainsi que le coût énergétique et les impacts environnementaux de leur production sont questionnés. Or la plupart des scénarios énergétiques publiés omettent ces contraintes et se focalisent sur les capacités industrielles et les coûts économiques. Pour essayer d'apporter des éléments de réponses quantifiées, Isterre développe depuis trois ans un modèle dynamique (DyMEMDS) capable de transformer les scénarios en infrastructure de production et de consommation d'énergie, puis en besoins matière. Il est ensuite possible d'estimer 1) les quantités de matière primaire et recyclée mobilisées et de les comparer à l'évolution future des réserves 2) les quantités de CO2 émises au cours de l'évolution du mix énergétique et des modes de consommation à la fois localement, mais aussi dans les pays sources d'où nous importons les matières et produits manufacturés, 3) l'énergie consommée pour produire les matières et l'énergie totale pour produire toute l'infrastructure de production et de consommation d'énergie, 4) les impacts en termes de réchauffement global et de consommation d'eau. L'originalité de notre modèle est de faire un lien explicite entre PIB/hab, population, énergie, matière, prix et réserves, CO2 et eau. DyMEMDS permet ainsi de reproduire les évolutions passées depuis 1900 jusqu'à aujourd'hui et a été testé avec succès au niveau mondial, pour la France, les USA et la Chine. Cela valide les hypothèses du modèle et donne une certaine confiance dans ses capacités de prédiction des évolutions futures. Une autre originalité est de couvrir toute la chaine de l'énergie depuis la production primaire jusqu'aux secteurs de consommation et d'estimer les productions primaires et secondaires ainsi que les impacts de manière dynamique par une approche stock and flow (type modèle World du Club de Rome). Enfin, un module de production estimant les coûts de production (le prix) et donc les réserves futures des matières premières est également implémenté, qui prend en compte l'évolution de la qualité des gisements et de l'amélioration technologique au cours du temps. Une dynamique interne de type proie-prédateur (réserves-capital) est utilisable, qui semble être une alternative convaincante aux approches d'optimisation sous équilibre partiel ou total utilisées en économie (e.g. Modèle Tiam/Times de l'IFPEN-IEA, POLES de Gael Grenoble). Objectif de la thèse Si DyMEMDS possède de nombreux avantages par rapport à d'autres modèles existants, il possède aussi des inconvénients, dont deux limites majeures que nous souhaitons effacer dans le cadre du projet de thèse proposé : 1) Il s'agit d'un modèle scalaire qui ne décrit pas de manière explicite les flux de matière et d'énergie entre pays. L'évaluation de la vulnérabilité d'un pays due à sa dépendance aux importations est faite à partir du rapport production domestique/importation. Cette approche n'est pas satisfaisante, car le rapport varie au cours du temps et la vulnérabilité doit prendre en compte la diversité et la nature des pays sources. Nous proposons de passer à un modèle en deux dimensions où le modèle scalaire sera décliné localement pour quelques grandes régions géographiques (Europe, Amérique du nord et du sud, trois régions africaines, Australie, Chine, Russie, Inde et trois régions asiatiques). Les flux d'énergie et de matière entre ces régions seront implémentés. En outre, cette géographisation permettrait de mieux décrire les couplages entre énergie, matière et infrastructure/biens de consommation en fonction de l'évolution de PIB et population. Elle permettrait également d'analyser le risque avec une approche quantifiée possédant une unité physique ou monétaire (Risque(unité) = Aléa*vulnérabilité(unité)), ce qui n'a jamais été fait jusqu'à présent. L'unité est celle de la vulnérabilité, donc des conséquences de la réalisation d'un « accident » dont la probabilité d'occurrence est l'aléa. Cette approche devrait permettre d'aller plus loin que les analyses de criticité actuelles qui ne donnent que des résultats qualitatifs sans unité. Si le risque est évalué en unité monétaire, il est nécessaire d'inclure dans DyMEMDS des flux locaux et entre pays de monnaie. Là est la deuxième limite importante du modèle. 2) Il n'existe pas de flux de monnaie dans DyMEMDS car l'unité de base est le Joule. Nous souhaitons intégrer un modèle économique et le compléter avec des flux de monnaie basés sur ceux de l'énergie. Les relations énergie-monnaie sont assez simples : 1) le rapport Energie grise/prix est similaire pour la grande majorité des produits de consommation courants, avec une évolution en fonction du niveau de maturité et technologique des produits considérés (learning curves). On peut alors estimer l'énergie grise de n'importe quel produit fini à partir de son prix ou l'inverse. 2) La situation est différente pour les ressources fossiles et renouvelables, le rapport Energie grise/prix variant fortement depuis l'extraction de la ressource jusqu'au produit fini, d'un facteur 5 à 50 selon les ressources. Nous avons montré que le prix déflaté des ressources est cependant proportionnel à l'énergie de leur production, dont la variation au cours du temps est contrainte par l'amélioration technologique (baisse du coût de production) et la qualité de la ressources exploitée (augmentation du coût avec la baisse de qualité). Le modèle énergie-coût développé à Isterre (Vidal, 2017 ; Vidal, 2020) prend en compte l'énergie de broyage, l'entropie de mélange (séparation) et la métallurgie (variation de l'énergie libre de réaction phase porteuse métallique -> métal). Le même modèle peut être décliné pour le recyclage en fonction de la concentration des métaux dans les déchets. On peut ainsi estimer la recyclabilité en fonction du coût d'extraction par rapport au coût de production primaire. Une systématisation de l'approche avec nos collègues économistes (Francesco Ricci de l'université de Montpellier en co-encadrement de la thèse) devrait permettre de transformer les flux d'énergie sur lesquels DyMEMDS est construit, en flux de monnaie, et d'intégrer un modèle économique réaliste. Nous envisageons d'appliquer le modèle par pays producteurs, en fonction des caractéristiques géologiques des gisements exploités et ainsi d'estimer l'évolution des réserves. Il sera également possible de créer des flux de monnaie locaux et entre pays, en fonction du niveau de consommation et de production et consommation d'énergie et de produits finis.

General framework The reduction of greenhouse gas emissions is a crucial issue for the 21st century to limit global warming. The Paris agreements (COP21) call for a minimum of 30% of renewable energy to be incorporated in 2050 and for carbon neutrality to be achieved in the second half of the century. This transition to renewable energies (RE) implies building a new infrastructure for energy production, storage, transport and use. However, RE is an intermittent and diluted energy flow that requires large infrastructures to be captured in order to produce electricity. For this reason, RE infrastructure is much more feedstock intensive than conventional power plants and the ability to make the energy transition is expected to be contingent on the availability of a wide variety of metals, which are other fossil resources (Vidal et al., 2013; 2016, 2017; 2019; Vidal, 2017, 2018; Ali et al., 2017). The link between raw materials and energy is a two-way street: raw materials are needed to build the energy infrastructure, but energy is also needed to produce the materials and transform them into infrastructure (currently, 35% of the energy consumed by the industrial sector globally is used for the production of mineral materials). The over-consumption of metals due to the energy transition is also taking place in a context of strong growth in demand due to the rapid economic development of large countries with large populations (China, India, Africa). For these reasons, the future availability of the resource as well as the energy costs and environmental impacts of their production are being questioned. However, most published energy scenarios omit these constraints and focus on industrial capacities and economic costs. To try to provide elements of quantified answers, Isterre has been developing for three years a dynamic model (DyMEMDS) capable of transforming the scenarios into energy production and consumption infrastructure, then into material needs. It is then possible to estimate 1) the quantities of primary and recycled materials mobilized and to compare them to the future evolution of reserves, 2) the quantities of CO2 emitted during the evolution of the energy mix and consumption patterns, both locally and in the source countries from which we import materials and manufactured products, 3) the energy consumed to produce the materials and the total energy to produce the entire energy production and consumption infrastructure, 4) the impacts in terms of global warming and water consumption. The originality of our model is to make an explicit link between GDP/capita, population, energy, materials, prices and reserves, CO2 and water. DyMEMDS thus allows to reproduce past evolutions from 1900 to today and has been successfully tested at the global level, for France, the USA and China. This validates the assumptions of the model and gives a certain confidence in its ability to predict future developments. Another originality is to cover the whole energy chain from primary production to consumption sectors and to estimate primary and secondary production as well as impacts in a dynamic way by a stock and flow approach (Club of Rome's World model type). Finally, a production module estimating the production costs (price) and therefore the future reserves of raw materials is also implemented, which takes into account the evolution of the quality of deposits and technological improvement over time. An internal dynamics of the prey-predator type (reserves-capital) can be used, which seems to be a convincing alternative to the partial or total equilibrium optimization approaches used in economics (e.g. IFPEN-IEA's Tiam/Times model, Gael Grenoble's POLES). Objective of the thesis While DyMEMDS has many advantages over other existing models, it also has drawbacks, including two major limitations that we wish to address in the proposed thesis project: 1) It is a scalar model that does not explicitly describe material and energy flows between countries. The assessment of a country's vulnerability due to its dependence on imports is made from the domestic production/import ratio. This approach is not satisfactory, as the ratio varies over time and the vulnerability must take into account the diversity and nature of the source countries. We propose to move to a two-dimensional model where the scalar model will be declined locally for a few large geographical regions (Europe, North and South America, three African regions, Australia, China, Russia, India and three Asian regions). Energy and matter flows between these regions will be implemented. In addition, this geography would allow to better describe the coupling between energy, matter and infrastructure/consumption goods according to the evolution of GDP and population. It would also allow to analyze the risk with a quantified approach having a physical or monetary unit (Risk(unit) = Hazard*vulnerability(unit)), which has never been done until now. The unit is that of vulnerability, i.e. the consequences of an 'accident' whose probability of occurrence is the hazard. This approach should make it possible to go further than current criticality analyses, which only give qualitative results without units. If the risk is evaluated in monetary units, it is necessary to include in DyMEMDS local flows and flows between currency countries. This is the second important limitation of the model. 2) There are no currency flows in DyMEMDS because the basic unit is the Joule. We want to integrate an economic model and complete it with currency flows based on energy flows. The energy-currency relationships are quite simple: 1) the Grey Energy/price ratio is similar for the vast majority of current consumer products, with an evolution according to the level of maturity and technology of the products considered (learning curves). We can then estimate the grey energy of any finished product from its price or vice versa. 2) The situation is different for fossil and renewable resources, the grey energy/price ratio varying strongly from the extraction of the resource to the finished product, by a factor of 5 to 50 depending on the resource. We have shown that the deflated price of resources is however proportional to the energy of their production, whose variation over time is constrained by technological improvement (lower production cost) and the quality of the resource exploited (increase in cost with lower quality). The energy-cost model developed at Isterre (Vidal, 2017; Vidal, 2020) takes into account the energy of grinding, the entropy of mixing (separation) and the metallurgy (variation of the free energy of reaction between the metal carrier phase and the metal). The same model can be applied to recycling according to the concentration of metals in the waste. The recyclability can thus be estimated as a function of the extraction cost compared to the primary production cost. A systematization of the approach with our economist colleagues (Francesco Ricci from the University of Montpellier is co-supervising the thesis) should allow us to transform the energy flows on which DyMEMDS is built, into money flows, and to integrate a realistic economic model. We plan to apply the model by producing country, according to the geological characteristics of the exploited deposits and thus to estimate the evolution of the reserves. It will also be possible to create local and inter-country currency flows, depending on the level of consumption and production and consumption of energy and finished products.