Contenu CO2 - Définition

Contenus CO2 de l’électricité

Préambule

Comme pour les réseaux de chaleur, l’utilisation de l’électricité par le consommateur d’énergie n’entraîne pas d’émissions de gaz à effet de serre sur le lieu d’utilisation. En revanche, l’utilisation des combustibles pour produire initialement l’électricité émet des gaz à effet de serre. Il existe donc une relation de cause à effet entre la consommation d’électricité et les émissions de CO₂, il est donc couramment admis de parler de contenu CO₂ de l’électricité. Cependant, le sujet des émissions de CO₂ liées à l’électricité fait débat, et ce pour de multiples raisons :

• la complexité du système électrique, l’ensemble des moyens de production répondant à l’ensemble de la demande à tout instant, à travers des mécanismes d’équilibre techniques et économiques complexes,
• la diversité des moyens de production électrique, de l’hydraulique de lac n’émettant aucune émission directe de CO₂ jusqu’aux centrales thermiques charbon émettant plus de 900 gCO_2eq par kWh produit,
• le mix de production peu carboné dans certains pays comme la France, Suisse ou encore la Suède en Europe - la France possède un mix de production peu carboné puisqu’en 2007, le Réseau de transport d'électricité indique que 89,9 % de la production française n’émet pas d’émissions directes de CO₂,
• l'importance de l’énergie nucléaire pour des pays tels que la France, 76,9% du mix de production français est nucléaire en 2007, ou encore la Suède, alors même que cette énergie fait l'objet d'un débat particulièrement sensible (cf. débat sur l'énergie nucléaire),
• la fluidité des échanges transfrontaliers sur la plaque interconnectée européenne ou entre le Canada et les États-Unis rend délicat l’établissement de valeurs nationales de contenu CO₂, valeurs souhaitée pour des raisons politiques alors qu'elles ne font que rarement sens d'un point de vue physique,
• enfin, les politiques commerciales des fournisseurs d’énergie perturbent également les débats scientifiques.

Cet article n’a pas vocation à trancher ce débat scientifique et politique : il a été structuré de façon à représenter la diversité des méthodes d’évaluation du contenu CO₂ de l’électricité et leur domaine de validité.

Quelques définitions

Les contenus CO₂ de l’électricité peuvent être définis de différentes manières, suivant les émissions auxquelles ils s’intéressent et aux périmètres pris en compte : à la production, à la consommation, à l’échelle d’un producteur ou d’un pays.

Le contenu CO₂ du kWh produit par filière est défini comme les émissions de CO₂ par kWh d’électricité produit en sortie d’une filière de production (centrale charbon, tranche nucléaire, éolienne...).

Quelques exemples de contenus CO₂ du kWh produit par filière(gCO_2eq/kWh)

Filières	Émissions directes + ACV d’après EDF	Émissions directes + ACV d’après un rapport de l'université de Stanford
Nucléaire	5	9 à 70
Charbon 600 MW	962
Charbon 250 MW	1036
Fioul	998
Hydraulique retenue	5	17 à 22
Photovoltaïque	97	19 à 59
Éoliennes	3	2,8 à 7.4
Géothermie		15,1 à 55

Le contenu CO₂ du kWh produit est le contenu CO₂ moyen du kWh électrique produit par l’ensemble des moyens de production d’un producteur (EDF, RWE...) ou d’un pays (France, Allemagne...).

Quelques exemples de contenus CO₂ du kWh produit par producteur d’après PriceWaterhouseCoopers (gCO_2eq/kWh)

Producteur	Émissions directes	Émissions ACV
Fortum	64	***
Groupe EDF	145	***
Electrabel	300	***
Moyenne européenne	372	***
Groupe EON	403	***
Groupe RWE	848	***

Le contenu CO₂ évité par kWh produit est relatif à la production électrique : il permet d’évaluer les émissions de CO₂ évitées par une nouvelle production connectée au parc existant, par exemple le Ministère de l'environnement français a évalué que les émissions évitées par la production éolienne sur le territoire nationale est de 300 gCO_eq2/kWh.

Le contenu CO₂ du kWh consommé est relatif aux émissions provoquées par une consommation électrique. Il prend en compte le contenu CO₂ du mix de production, les importations et les consommations des réseaux de transport et de distribution nécessaires pour couvrir la consommation.

Le contenu CO₂ du kWh consommé par usage est basé sur une décomposition du contenu CO consommé selon les différents usages. Comme il n’est pas possible de distinguer physiquement la participation des moyens de production pour tel ou tel usage, les moyens de production couvrant la somme des appels à tout instant, la décomposition repose sur des méthodes conventionnelles d’allocation qui font l’objet des développements ci-dessous.

Exemple de débat : historique des contenus CO₂ par usage en France

Plusieurs études ont été historiquement menées en France pour tenter d’évaluer des contenus CO₂ différenciés par usage avec l’idée de distinguer les usages vertueux en termes d’émission de gaz à effet de serre de ceux qui ne le seraient pas.

1990 - DGEMP : la première tentative est effectuée en France par la Direction générale de l'énergie et des matières premières (DGEMP) en annexe du rapport du groupe interministériel sur l’effet de serre présidé par Yves Martin (Ingénieur Général des Mines). La DGEMP après s’être intéressée aux coûts du chauffage électrique a essayé de calculer un contenu CO₂ pour cet usage. L’annexe n’est plus disponible publiquement mais les conclusions permettent d’estimer une valeur supérieure à 240 gCO_2eq/kWh pour l’usage chauffage.

"La contribution à l’effet de serre du chauffage électrique est pratiquement toujours supérieure à celle du chauffage à gaz à condensation (240 g de CO₂/kWh); cette situation ne s’inverse que dans une hypothèse de forte hausse du prix du charbon et du gaz qui conduirait à majorer fortement la part du nucléaire dans un kWh de chauffage électrique" Rapport du groupe interministériel sur l’effet de serre - Novembre 1990 - page 54

2000 - ADEME : l’Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) publie une note sur les émissions de gaz à effet de serre. Il n’est pas proposé de contenus CO₂ de l’électricité différenciés par usage mais il est néanmoins fait mention des méthodes qui seront par la suite développées : méthode moyenne, méthode marginale et méthode incrémentale.

2002 - DGEMP : la DGEMP propose une nouvelle étude en 2002 sur une base différente mais pour tous les usages. La méthode cependant ne permet pas de distinguer clairement les usages entre eux, tous les contenus proposés étant très proches du contenu moyen du kWh consommé.

2003 - ADEME : l’ADEME contribue à l’élaboration du plan action climat 2003 avec une note méthodologique sur les contenus CO₂ de l’électricité. Cette note propose plusieurs type de contenus en émissions directes :

• Contenu moyen de 62,1 gCO_2eq/kWh en 2000,
• Contenu marginal de 560 gCO_2eq/kWh en 1997, repris de la note de 2000 (cf. ci-dessus),
• Contenus différenciés par usages avec une méthode "moyenne marginale" qui sera renommée par la suite en moyenne saisonnière (cf. 2005) :

Quelques exemples de contenus CO₂ du kWh par usage d'après l'ADEME en 2003 (gCO_2eq/kWh)

Usage	Émissions directes	Émissions ACV
Éclairage résidentiel	291	***
Chauffage résidentiel	223	***
Électroménager	144	***
Tertiaire moyen	123	***
Industrie	29	***

• Contenu incrémental par référentiel technologique de 400 gCO_2eq/kWh sur la base d’un développement des cycles combinés gaz pour la production électrique.

2005 - ADEME/EDF : l’ADEME met à jour son étude de 2003 en collaboration avec EDF dans une note de cadrage sur le contenu CO₂ du kWh par usage en France en ne retenant que la méthode moyenne saisonnière en émissions directes.

Contenus CO₂ du kWh par usage d'après les indicateurs simplifiés de l'ADEME et EDF en 2005 (gCO_2eq/kWh)

Usage	Émissions directes	Émissions ACV
Chauffage	180	***
Éclairage	100	***
Usages intermittents	60	***
Usages en "base"	40	***

2007- EDF : en annexe du rapport dit Syrota de la Commission énergie du Centre d'analyse stratégique, présidée par Jean Syrota (Ingénieur des Mines), EDF a proposé une mise à jour des valeurs de la note ADEME-EDF. D'après les analyses du fournisseur d'énergie, le contenu CO₂ pour le chauffage électrique passerait de 180 gCO_2eq/kWh sur la période 1998-2003 à 130 gCO_2eq/kWh en 2020. Selon EDF, "la méthode retenue est la seule qui permet de rendre compte des modifications du parc dans la durée".

2007 - Gaz de France : parallèlement à la prise de position d'EDF, Gaz de France propose dans le même rapport une approche incrémentale du contenu CO₂ de l'électricité pour le chauffage avec une valeur de 608 gCO_2eq/kWh. Gaz de France propose également une mise à jour des valeurs moyennes de la note ADEME-EDF sur une période plus récente (2001-2006) et en prenant en compte les émissions ACV, la valeur mise à jour serait alors de 280 gCO_2eq/kWh. Selon Gaz de France, cette méthode "est utile pour calculer le bilan passé, mais elle n'est pas adaptée pour estimer le contenu CO₂ de nouveaux chauffages électriques".

2007 - DGUHC : subventionnés par la DGUHC, le bureau d'étude Énergie Demain et le consultant Antoine Bonduelle publient les résultats d'une étude prospective sur la valorisation des actions de maîtrise de la demande d'électricité au congrès ECEEE 2007 puis dans la Revue de l'Énergie. Cette étude propose une approche marginale des contenus CO₂ par usage par différence entre plusieurs scénarios d'évolution des consommations.

2007 - ADEME/RTE : dans une note interne mais diffusée par certaines associations, l'ADEME et RTE (groupe EDF) tente de concilier les parties en présences en proposant une mise à jour de la méthode moyenne saisonnière de la note ADEME-RTE et une méthode marginale proche de celle proposée par l'ADEME en 2003. Des valeurs sont proposées en émissions directes :

Contenus CO₂ du kWh par usage d'après la note l'ADEME et RTE diffusée en 2007 (gCO_2eq/kWh)

Usage	Méthode moyenne	Méthode marginale
Chauffage	180	500-600
Éclairage	100	600-700
Usages intermittents	60	600-700
Usages en "base"	40	450-550

L'aperçu de cet historique pourrait faire penser qu'il n'existe aucun consensus scientifique sur le sujet des contenus CO₂ par usage de l'électricité. Des constantes apparaissent cependant dans cette controverse, notamment sur les méthodes d'allocation employées. À la lecture de l'historique, il se dégage trois familles de méthodes pour parvenir à évaluer un contenu par usage :

• les méthodes moyennes notamment la méthode moyenne saisonnière développée par l'ADEME et EDF en 2005,
• les méthodes marginales dont la plus récente est proposée dans la publication de l'ADEME et de RTE,
• les méthodes incrémentales ou de référentiel technologique dont la plus récente est proposée par Gaz de France.

Méthodes moyennes

La méthode moyenne d'allocation des émissions de CO₂ est à approcher par analogie à l'économie à la notion de coût moyen. L'expression mathématique du contenu CO₂ moyen par rapport aux émissions totales E_t et à la consommation totale C_t s'écrit :

Afin de distinguer les usages, il est possible de calculer des contenus moyens horaires, journaliers, mensuels ou saisonniers puis de les affecter au prorata de la répartition des usages.

Ainsi en France, la méthode décrite dans la note ADEME-EDF s'appuie sur un découpage saisonnier des consommations et de la production, justifié par le constat que la consommation d'électricité présente une variation saisonnière caractéristique entre l'été et l'hiver. Les 500 TWh de consommation d'électricité française sont répartis en 400 TWh de consommation de base, c'est-à-dire ayant le même niveau toute l'année, et 100 TWh de consommation saisonnière répartie sur la période hivernale. Le même calcul est réalisé sur les émissions de CO₂ de la production, avec 16 Mt de CO₂ sur la partie de base et 18 Mt de CO₂ sur la partie saisonnière. Il est alors possible de calculer deux contenus CO₂ en fonction de la saisonnalité : 180 gCO_2eq/kWh pour les usages saisonniers et 40 gCO_2eq/kWh pour les usages de base. Le calcul détaillé par usage est réalisé sur la base d'un taux de saisonnalité, par exemple :

• l'usage réfrigération résidentiel est stable toute l'année, son contenu CO₂ moyen est donc de 40 gCO_2eq/kWh,
• l'usage industrie présente une légère saisonnalité, sa consommation est 10% supérieur en hiver qu'en été, son contenu CO moyen sera donc de 90%x40 + 10%x180 = 54 gCO_2eq/kWh,
• l'usage chauffage est exclusivement saisonnier, son contenu CO₂ moyen est donc de 180 gCO_2eq/kWh.

A noter que l'ADEME a publié en septembre 2008 une mise à jour partielle de l'étude de 2005 dans son Regard sur le Grenelle, établissant une nouvelle valeur pour le chauffage électrique à 225 gCO_2eq/kWh. Le contenu CO₂ mis à jour pour les usages de base n'est pas encore disponible.

Ce type d'étude peut évidemment être transposée à d'autres pays, à condition de connaitre la répartition saisonnière de la production et de la consommation d'électricité en se basant par exemple sur les données fournies par l'ENSTO (European Network of Transmission System Operators for Electricity).

Comme le calcul du coût moyen, la méthode du contenu CO₂ permet d'allouer des émissions de CO₂ par secteur pour réaliser des bilans. En revanche, le contenu CO₂ moyen ne répond pas à la question : combien émet une consommation supplémentaire d'électricité ou au contraire combien économise de CO₂ une consommation évitée ?

Méthodes marginales

Pour tenter de répondre à la question de l'évaluation des conséquences, les méthodes marginales d'allocation des émissions de CO₂ ont été développées par analogie à la notion de coût marginal. L'expression mathématique du contenu CO₂ marginal par rapport aux émissions totales E_t et à la consommation totale C_t s'écrit

En pratique, le fonctionnement du parc électrique repose sur l'empilement des moyens de production à coût marginal court terme (=coût d'exploitation) de production croissant : les moyens de production les moins coûteux sont appelés en premier puis successivement les moyens de production de plus en plus coûteux jusqu'à l'équilibre offre-demande. Ainsi, les productions fatales (éolien, hydraulique au fil de l'eau, photovoltaïque...) sont nécessairement appelées par définition, puis viennent les centrales nucléaires et enfin les centrales thermiques et l'hydraulique de pointe. À partir des données de production et des conditions économiques, il est donc possible d'évaluer le moyen de production appelé en dernier qui a réalisé l'ajustement marginal heure par heure, donc le moyen susceptible de réagir à une petite augmentation ou à une petite diminution de la demande.

En France, cette notion a par exemple été utilisée dans la note ADEME publiée en 2000 pour calculer la marginalité thermique mensuelle, c'est-à-dire la durée pendant laquelle l'ajustement marginal est assuré par les moyens thermiques, émetteur de CO₂ en émissions directes :

Marginalité thermique en 1997 et contenu marginal mensuel (gCO_2eq/kWh) d'après la note l'ADEME de 2000

Mois	Janvier	Février	Mars	Avril	Mai	Juin	Juillet	Août	Septembre	Octobre	Novembre	Décembre
% de marginalité	82%	78%	51%	60%	43%	52%	41%	50%	62%	76%	70%	77%
Contenu CO2 marginal	741	704	458	543	389	470	370	455	561	686	631	693

A partir de l'évaluation du contenu marginal horaire ou mensuelle et du profil de consommation d'un usage, il est possible d'établir un contenu CO₂ marginal différencié par usage. Ainsi, les valeurs proposées par l'ADEME et RTE différencient trois usages :

• le chauffage électrique avec un contenu CO₂ marginal compris entre 500 et 600 gCO_2eq/kWh,
• les usages de pointe avec un contenu CO₂ marginal compris entre 600 et 700 gCO_2eq/kWh,
• les usages de base avec un contenu CO₂ marginal compris entre 450 et 550 gCO_2eq/kWh.

La notion de contenu marginal correspond directement à la notion d'"operational margin" utilisée pour évaluer l'impact des projets de réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le cadre du Protocole de Kyoto dans différents pays. Ainsi, des guides permettent des évaluations selon les données locales disponibles, comme le guide publié par l'OCDE.

Il est intéressant de souligner que le contenu marginal peut également être appliqué pour les productions électriques, notamment les productions éoliennes ou photovoltaïques. En effet, une production électrique nouvelle a le même effet qu'une diminution de la consommation sur le parc de production. Elle revient à moins solliciter le parc déjà installé, cet ajustement s'opérant en premier sur le moyen de production dont le coût marginal court terme est le plus élevé. Les méthodes marginales permettent donc d'évaluer aussi bien les effets des variations de consommation que les effets d'une nouvelle production, aux pertes de transport et de distribution près.

Le contenu marginal a cependant le défaut de ne pouvoir rendre compte que d'ajustements limités de la consommation ou de la production. En France, RTE estime la validité des valeurs jusqu'à des décisions représentant quelques dizaines de TWh. Le contenu marginal doit être complété soit par des méthodes prospectives, c'est le cas des contenu CO₂ marginal en développement tel que proposés par exemple par RTE en France pour 2010 et 2020, soit par les méthodes incrémentales.

Méthodes incrémentales

L'approche incrémentale se propose d'évaluer les conséquences d'un changement profond dans le parc de production, dû par exemple à une conversion massive d'un usage des combustibles fossiles vers l'électricité. L'approche consiste donc à évaluer les conséquences d'un écart important de consommation. L'expression mathématique du contenu CO₂ incrémental par rapport aux émissions totales E_t et à la consommation totale C_t s'écrit

En général, les hausses de demande sont étudiées de façon à prévoir les investissements nécessaires pour compléter le parc existant une fois arrivé à saturation et ainsi garantir l'équilibre offre-demande. Les investisseurs ont intérêt à investir dans les moyens de production qui minimisent le coût marginal long terme de production (coût complet). En prenant des hypothèses sur les coûts d'investissements, par exemple ceux proposés pour la France par la DGEC dans sa publication sur les coûts de référence de la production électrique, et des hypothèses sur le prix des énergies, il est possible d'évaluer les moyens à mettre en place en fonction des profils de consommation par usage.

En France, EDF avait déjà proposé à l'ADEME de travailler sur une telle méthode dans la note publiée en 2000, sans donner suite. Il faut revenir à une réponse d'EDF datée de 1988 envoyée suite à une étude de la DGEMP attaquant le cadre économique de développement du chauffage électrique pour trouver les premiers éléments d'une méthode incrémentale, limitée alors au chauffage électrique : "en termes d'énergie annuelle, 1 kW de chauffage électrique utilise 2540 kWh par an qui se décomposent en : 35 % de kWh nucléaire (900 kWh), 59% de kWh charbon (1 500 kWh), 6% de kWh fioul (140 kWh)". En se basant sur les contenus CO₂ par filière publiée par EDF, le contenu CO₂ du chauffage électrique calculé sur ce mix de production serait au moins de 629 gCO_2eq/kWh.

Gaz de France a proposé en 2007 une approche similaire avec un mix de production actualisé, prenant en compte notamment les cycles combinés gaz naturel qui connaissent un développement important actuellement. Le mix proposé pour l'usage chauffage est de :" 67% de gaz naturel (50% de cycles combinés, 17% de turbines à combustion), 10% de fioul (turbines à combustion), 13% de charbon, 10% de nucléaire". D'où un contenu CO₂ de l’électricité pour l’ usage chauffage de l’ordre de 608 gCO_2eq/kWh.

La notion de contenu marginal correspond directement à la notion de "building margin" utilisée pour évaluer l'impact des projets de réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le cadre du Protocole de Kyoto dans différents pays. Ainsi, des guides permettent des évaluations selon les données locales disponibles, comme le guide publié par l'OCDE.

Les méthodes incrémentales permettent d'évaluer les tendances long terme d'évolution du contenu marginal. Elles peuvent être utilisées en complément du contenu marginal, notamment pour l'évaluation de projets dont l'effet sur le parc électrique est important et peut se ressentir sur la durée.

Domaine d'utilisation

En résumé, les différentes méthodes permettent une analyse complète des effets des consommations électriques sur les émissions de gaz à effet de serre :

• le contenu moyen permet d'établir des bilans à l'échelle des consommations nationales (évaluation statique),
• le contenu marginal permet d'évaluer les effets d'actions unitaires (évaluation dynamique court terme),
• le contenu incrémental permet d'encadrer le contenu marginal en cas d'action importante sur la consommation et sur la durée (évaluation dynamique long terme).

Il existe des liens de causalité entre ces différents contenus. Comme dans le cas des coûts marginaux, le contenu marginal permet d'expliquer l'évolution du contenu moyen. Le contenu incrémental permet d'expliquer l'évolution du contenu marginal. Ainsi, la situation française actuelle fait que le contenu marginal est largement supérieur au contenu moyen, ce qui implique que :

• une augmentation des consommations entraîne une augmentation des contenus moyens, donc des émissions totales,
• une augmentation des productions renouvelables entraine une diminution des contenus moyens, donc des émissions totales...