Powering the world: how much energy will the world need?

Oct 18, 2021
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How much energy will the world need?

The availability of abundant fossil fuels, and the development of technologies to extract and use them, has been a key driver of the emergence of our industrial society. Global energy consumption has increased by a factor of 28 between 1800 and 2019. This increase accelerated during the 20th century, with an almost sixfold increase between 1950 and 2019. This energy abundance has led to a strong improvement in the quality of life in the industrialised countries, as shown by the correlation, up to a certain threshold, between the human development index and energy consumption per capita. However, there are huge disparities: per capita consumption in the United States is eighteen times higher than in Africa. Given past trends, the question remains as to how far energy demand will increase. This is the question that Zenon Research has explored in its latest report.

Historically, there is a very strong correlation between energy consumption and economic activity as measured by gross domestic product (GDP). Until 1970, the global relationship between GDP and energy was linear. Since then, global GDP has grown faster than energy demand. For example, between 2010 and 2019, energy consumption increased by 14% while GDP increased by almost 33%.

A study of the evolution of energy demand in developed and developing countries allows us to refine this global observation. For example, primary energy demand in the UK fell by 18% between 2000 and 2019, while GDP grew by 34%. Over the same period, energy demand in the US and the Netherlands remained stable, and France's demand fell by 15%, while their GDP grew by over 30%. One explanation often given for these results is the decline in the share of industry in GDP, which is generally energy intensive, and the increase in the share of services. For the United States, for example, the share of industry fell from 22.4% in 2000 to 18.6% in 2018.

Quantifying this effect requires to consider the embodied energy contained in imported goods, as industrial activities in developed countries are relocated to less developed countries. Embodied energy refers to all the energy used during the life cycle of a product or material, i.e. the energy required for resource extraction, processing, manufacturing, transport, etc., with the exception of the final use. The energy footprint (analogous to the carbon footprint) can then be defined as the sum of the energy required to satisfy the energy needs (of an individual or a state). The energy footprint therefore includes direct energy use and grey energy. A study of 44 countries shows that for the most developed countries, the energy footprint is on average 18.5% higher than domestic energy consumption. The higher a country's GDP per capita, the greater the share of imports in its energy consumption. However, the energy intensity of developed countries has been stagnating or declining since the 2000s, as shown in particular by the cases of France, the United Kingdom, the United States and Denmark. The European Union's energy footprint fell by almost 10% between 2006 and 2014. The decrease in energy consumption is therefore not attributable to the relocation of production. Developed countries are experiencing a peak in their energy demand and some are experiencing a decline. The level of the peak depends on the country, with the US and Canada (oil producing countries) having much higher levels than the EU or Japan.

The evolution of the correlation between energy per capita and GDP per capita seems to be very similar for different countries with a quasi-proportionality up to a certain level of GDP. Thereafter, energy use saturates or even decreases while GDP continues to grow. If this trend is confirmed at the global level, global energy demand would tend to asymptote at a value 45% higher than in 2019 - a significant increase but in line with the Shared Socioeconomic Pathways (SSP) scenarios used by the IPCC. In comparison, the International Energy Agency, in its 'Net Zero by 2050' scenario, forecasts a 7% decrease in global energy demand in 2050 compared to 2020, which implies large decreases in developed countries. The majority of the scenarios identified in a recent report by the European Joint Research Centre predict final energy consumption reductions of between 30 and 38% by 2050. These scenarios are in line with the French National Low Carbon Strategy, which forecasts a 35% drop in final energy consumption in 2050 (and an increase in electricity production), thus accelerating past trends. It should be noted that these figures refer to energy consumption and take into account imports only for CO2 emissions (via the carbon footprint) but not for energy.  

All these scenarios assume a growing economy, and the trends of the last 20 years show that the economy can indeed grow with decreasing territorial energy consumption and energy footprint. However, the forecasted decreases in energy consumption to achieve carbon neutrality imply a stronger decoupling than that observed.

Quelle demande énergétique dans le futur ?

  

La disponibilité d’énergies fossiles abondantes, ainsi que le développement de technologies permettant de les extraire et de les exploiter, fut un des moteurs déterminants de l’émergence de notre société industrielle. La consommation énergétique mondiale a ainsi augmenté d’un facteur 28 entre 1800 et 2019. Hausse qui s’est encore accélérée au cours du 20ème siècle avec une multiplication par presque six entre 1950 et 2019. Cette abondance énergétique a permis une forte amélioration de la qualité de vie dans les pays industrialisés, comme le montre la corrélation, jusqu’à un certain seuil, entre indice de développement humain et consommation énergétique par habitant. Il y a cependant de très fortes disparités : la consommation par personne aux États-Unis est dix-huit fois plus élevée qu’en Afrique. Au vu des tendances passées, il reste à savoir jusqu’où la demande énergétique augmentera. C’est cette question que Zenon Research a étudié dans son dernier rapport.

Historiquement, il existe une très forte corrélation entre la consommation énergétique et l’activité économique mesurée par le produit intérieur brut (PIB). Jusqu’en 1970, la relation au niveau mondial entre PIB et énergie était linéaire. Depuis, le PIB mondial croit plus rapidement que la demande énergétique. Ainsi, entre 2010 et2019, la consommation énergétique a augmenté de 14 % alors que le PIB augmentait de presque 33 %.

L’étude de l’évolution de la demande énergétique des pays développés et en développement permet d’affiner ce constat global. La demande en énergie primaire a par exemple baissé de 18 % au Royaume-Uni entre 2000 et 2019, alors que le PIB augmentait de 34 %. Sur la même période, la demande énergétique aux États-Unis et aux Pays-Bas est restée stable, et celle de la France a baissé de 15 %, alors que leur PIB augmentait de plus de30%. Une explication souvent invoquée pour expliquer ces résultats est la baisse de la part de l’industrie dans le PIB, activité généralement énergivore, et l’augmentation de celle des services. Pour les États-Unis par exemple, la part de l’industrie est passée de 22,4 % en 2000 à 18,6 % en 2018.

Quantifier cet effet nécessite de s’intéresser à l’énergie grise contenue dans les marchandises importées, les activités industrielles des pays développés étant délocalisées dans les pays moins avancés. L’énergie grise désigne toute l’énergie mise en œuvre au cours du cycle de vie d’un produit ou d’un matériau, c’est-à-dire l’énergie nécessaire pour l’extraction des ressources, la transformation, la fabrication, le transport… à l’exception de l’utilisation finale. On peut alors définir l’emprise énergétique (analogue de l’empreinte carbone) comme la somme des énergies requises pour satisfaire les besoins en énergie (d’un individu ou d’unÉtat). L’emprise énergétique inclut donc l’énergie directe utilisée et l’énergie grise. Une étude sur 44 pays montre ainsi que pour les plus développés, l’emprise énergétique est en moyenne 18,5 % plus élevée que la consommation énergétique domestique. Plus le PIB par habitant d’un pays est élevé, plus grande est la part des importations dans son emprise énergétique. Mais l’emprise énergétique des pays développés stagne ou diminue depuis les années2000, comme le montrent notamment les cas de la France, du Royaume-Uni, des États-Unis et du Danemark. L’emprise énergétique de l’Union Européenne a baissé de près de10% entre 2006 et 2014. La baisse de consommation énergétique n’est donc pas attribuable à la délocalisation de la production. Les pays développés connaissent un pic dans leur demande énergétique et pour certains une baisse. Le niveau du pic dépend du pays, les États-Unis et le Canada (pays producteurs de pétrole) ayant des niveaux beaucoup plus élevés que l’UE ou le Japon.

 

L’évolution de la corrélation entre énergie par habitant et PIB par habitant semble très similaire pour différents pays avec une quasi-proportionnalité jusqu’à un certain niveau dePIB. L’emprise énergétique sature ensuite, voire diminue alors que le PIB continue de croître. Si cette tendance se confirme au niveau mondial, la demande énergétique mondiale tendrait vers une asymptote à une valeur 45%supérieure à celle de 2019- une augmentation significative mais en ligne avec les scénarios SSP (Shared Socioeconomic Pathways) utilisés par le GIEC. , l’Agence Internationale de l’Énergie, dans son scénario ‘Net Zero by 2050’ prévoit une baisse de la demande énergétique mondiale de 7% en 2050par rapport à 2020, ce qui implique de fortes baisses dans les pays développés.La majorité des scénarios recensés dans un rapport récent du Joint ResearchCentre européen prévoient des baisses de consommation d’énergie finale allant entre 30 et 38% d’ici 2050. Scénarios en ligne avec la Stratégie Nationale BasCarbone française qui prévoit, pour la France, une baisse de 35% de la consommation d’énergie finale en 2050 (et une augmentation de la production électrique) et donc une accélération des tendances passées. Il faut noter que ces chiffres parlent de consommation énergétique et prennent en compte les importations seulement pour les émissions de CO2 (via l’empreinte carbone) mais pas pour l’énergie.  

 

Tous ces scénarios supposent une économie en croissance, et les tendances des 20 dernières années montrent que l’économie peut en effet croître avec une consommation d’énergie territoriale et une emprise énergétique en baisse. Les baisses de consommation envisagées pour atteindre la neutralité carbone impliquent cependant un découplage plus fort que celui observé.

Key Highlights


- Most developed countries reach a point where their energy demand either plateaus or even decreases.

- As the energy demand of most countries seems to follow a S-curve with an asymptote, applying a logistic function to the historical global energy data allows us to estimate what the energy demand might be if all countries were proceeding along the same path.


- Our analysis indicates a possible asymptote for the world energy demand, which implies that the energy demand of humanity might not grow indefinitely.

- This provides a much more realistic framework than the assumption of a continuous exponential increase, and gives a good scheme to size the energy system that would ensure a good development for humanity. If correct, it also implies that energy might not be a limit for economic growth in the near future.

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