Les Energies Renouvelables

Afin de respecter l’accord de Paris (COP 21) qui engage les nations à maintenir l’augmentation de la température mondiale à un niveau bien inférieur à 2°C par rapport aux niveaux préindustriels. Les Etats se sont mis d’accord pour diviser par 2 les émissions carbones d’ici 2030 (par rapport à l’air préindustrielle) et pour arriver à une neutralité carbone d’ici 2050.
Pour parvenir à ces objectifs, une transition écologique et énergétique forte basée sur la sobriété, l’efficacité énergétique et les énergies renouvelables est nécessaire. La loi énergie-climat adoptée le 8 novembre 2019 fixe le cadre, les ambitions et la cible de la politique énergétique et climatique de la France. Panneaux solaires, éoliennes, centrales hydrauliques et géothermiques se multiplient ainsi, à tel point que les énergies renouvelables (EnR) représentent aujourd’hui environ 20% du mix énergétique global et devront atteindre 33 % d’ici 2030. Les énergies renouvelables proviennent de sources que la nature est capable de renouveler en permanence. Elles visent à remplacer les énergies fossiles dont les sources (pétrole, charbon, gaz) s’épuisent et qui par leur combustion, émettent une grande quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, aggravant ainsi le réchauffement climatique.

Typologie des EnR

L’énergie peut être électrique ou thermique. 40% de l’énergie primaire est utilisée pour faire de l’électricité et 60% sert à produire de la chaleur ou des combustibles (essence, gaz).

Selon le Bilan électrique publié le 12 février 2020 par le gestionnaire de réseau RTE, les énergies renouvelables fournissent en 2019 plus de 21% de l’énergie électrique totale en France.

• L’énergie solaire photovoltaïque ou thermique

La principale source d’énergie renouvelable est l’énergie solaire. En réalité, plusieurs types d’énergies sont des formes dérivées de l’énergie solaire. En effet, l’énergie de la biomasse utilise la photosynthèse produite grâce au soleil, l’énergie éolienne terrestre et maritime provient du mouvent des masses d’air qui dépend de la différence de température et de pression causée par l’absorption des rayons solaires dans l’atmosphère. L’énergie hydraulique dépend du cycle de l’eau qui dépend lui-même du soleil. Enfin, l’énergie thermique des mers est obtenue grâce aux différences de températures de l’eau chauffée par le soleil.

L’énergie solaire permet de produire de l’électricité à partir de panneaux photovoltaïques ou de centrales solaires thermiques. Des cellules photovoltaïques (composée en majorité de silicium) sont utilisées pour capter et transformer la lumière du soleil en électricité.

• L’énergie éolienne 

Une éolienne transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique (le vent peut être utilisé pour faire avancer un véhicule, pour faire tourner un moulin ou pour pomper de l’eau par exemple) ou électrique.
Dans le cas d’une production d’énergie électrique, l’éolienne est couplée à un générateur électrique pour créer du courant continu ou alternatif. Ce générateur peur être relié à un réseau électrique ou bien à un dispositif de stockage d’énergie. On distingue les éolienne terrestres ou « onshore », installées à terre et les éoliennes « offshore » installées en mer et souvent plus puissantes car le vent est plus fort et plus constant en mer. On distingue également les installations industrielles (grands parcs éoliens reliés au réseau électrique) et domestiques (petites éoliennes installées chez les particuliers). L’énergie produite par une éolienne dépend de sa forme et la longueur de ses pales (une éolienne produit quatre fois plus d’énergie si la pale est deux fois plus grande), de la vitesse du vent (elle produit huit fois plus d’énergie si la vitesse du vent double) et de la température qui fait varier la densité de l’air.

Les leaders mondiaux de cette filière sont la Chine, les Etats-Unis et l’Allemagne. L’Europe a longtemps dominé le marché mondial de l’énergie éolienne mais la puissance installée de son parc éolien est désormais inférieure de 20% à celle du parc éolien chinois (donnée à fin 2019). En 2019, l’éolien représentait 6,3 % de la production électrique en France (selon le Bilan électrique de RTE). Tous les pays ne bénéficient pas du même potentiel éolien. Les solutions de stockage de l’électricité, les innovations technologiques et les réseaux intelligents sont appelés à jouer un rôle important dans le développement de la filière éolienne. L’éolien offshore apparaît aujourd’hui comme la principale voie de développement de la filière.

Les principales contraintes de l’énergie éolienne concernent son intermittence, l’intolérance des habitants (pollutions sonore et visuelle), la distance nécessaire entres chaque éolienne, l’éloignement des routes et des habitations, le respect des zones naturelles protégées, des sites classés, des couloirs migratoires, des couloirs aériens et zones radars, etc…

• L’énergie hydraulique ou hydroélectricité

L’énergie hydraulique provient des mouvements naturels de l’eau. Ainsi, on utilise la force de l’eau (hauteur de la chute ou débit) des cascades, des fleuves, des rivières, des marées, des vagues et des courants marins. Autrefois, on utilisait l’eau comme source d’énergie mécanique pour faire fonctionner des moulins. Aujourd’hui, on transforme l’énergie mécanique de la force du déplacement de l’eau en électricité à l’aide de centrales hydroélectriques. Une arrivée d’eau (barrage) s’écoule dans un canal de dérivation, puis un dispositif de conversion en électricité, composé d’une turbine, actionne un alternateur pour produire du courant que l’on envoi au transformateur électrique.

Il existe 2 types de centrales hydroélectriques. La première utilise le débit de l’eau pour fournir de l’énergie en continue (cette solution est moins chère mais elle dépend des conditions climatiques). La deuxième solution utilise un barrage. L’eau est stockée dans un réservoir qu’on utilise seulement en cas de besoin.

L’énergie hydraulique est la 2e source d’énergie en France mais c’est une énergie qui consomme beaucoup d’espace et nous sommes arrivés à quasi saturation de ce qui était exploitable.

• L’énergie biomasse

La biomasse correspond à l’utilisation de la matière organique (animale ou végétale) comme source d’énergie pour produire de l’électricité ou de la chaleur. Elle est née de l’action du soleil par la photosynthèse, c’est la forme d’énergie la plus ancienne utilisée par l’homme (à partir du feu) et elle couvre aujourd’hui prés de 10% des besoins mondiaux en énergie.

Il existe 3 formes de biomasse : solide (paille, copeaux, bûches), liquide (huiles végétales, bioalcools) et gazeuse (biogaz). La valorisation énergétique de la biomasse peut produire 3 formes d’énergie : la chaleur, l’électricité et la force motrice de déplacement. Enfin, il existe également 3 procédés de valorisation de la biomasse : les procédés thermiques (combustion, gazéification et pyrolyse), les procédés biochimiques (méthanisation) et la production de biocarburants (à partir d’une réaction entre l’huile et l’alcool ou à partir d’un mélange de sucre fermenté et d’essence).

La méthanisation permet la production de biogaz (définition) en transformant les déchets en gaz par fermentation. Il suffit ensuite de brûler le biogaz pour obtenir de l’électricité et de la chaleur.

L’énergie biomasse fait face à plusieurs limites. Premièrement, ayant un rendement énergétique faible, son exploitation consomme beaucoup de place ce qui rend inenvisageable la production d’énergie à grande échelle. Ensuite, bien quelle ait un bilan neutre, la combustion des végétaux produits des gaz à effet de serre. De plus, la biomasse est considérée comme une source d’énergie renouvelable que si sa régénération est au moins égale à sa consommation. Ainsi, il faut replanter les végétaux pour exploiter cette ressource de manière durable. Un des enjeux de l’énergie biomasse est d’utiliser la partie non comestible des aliment étant donné que nous seront environ 9 milliards d’individus en 2050 d’après l’OMS et qu’il est par conséquent nécessaire de préserver la matière organique.

• L’énergie du sol ou la géothermie

La géothermie consiste à exploiter la chaleur du sol, issue du noyau terrestre et des éléments radioactifs présents dans la croûte terrestre, pour produire de l’énergie. On récupère l’eau chaude des sols pour la convertir en énergie électrique ou thermique.

On distingue 3 types de géothermie : la géothermie à haute énergie utilisée pour la production d’électricité, la géothermie à basse énergie (utilisée pour le chauffage urbain) et enfin, la géothermie à très basse énergie (utilisée pour le chauffage individuel). Bien que la géothermie à haute énergie soit la plus séduisante c’est de loin la moins utilisée car elle rassemble de nombreuses limites techniques (forage profond, roche plus dure et instable, …), énergétique (les puits se refroidissent rapidement, il faut les reforer tous les 4 à 8 ans ) et environnementales (émissions toxiques en cas d’accident ou de fuite).

Ainsi, on relève peu de progrès en termes de géothermie car il y a peu de financement de la filière en raison du risque élevé de son exploitation. La recherche porte principalement sur l’identification des meilleurs sites, sur l’amélioration des techniques de forage à grande profondeur et sur des techniques adaptées de facturation de la pierre.

EnR et enjeux

• Potentiel énergétique ?

D’après l’IEA, en prenant en compte toutes ses contraintes, l’énergie solaire permettrait à elle-seule de couvrir 100 fois la production mondiale d’énergie à l’échelle de la planète. L’éolien terrestre et l’éolien permettraient de couvrir chacun 3 fois la production, la biomasse pourrait couvrir une production égale voir légèrement inférieure et l’hydraulique 20 à 30% de la production. Le potentiel énergétique des EnR est donc largement prouvé.

• Espace suffisant ?

Bien que la surface totale d’un parc éolien peut être importante, la quasi totalité du terrain autour ou entre les mâts reste tout aussi exploitable. Les parcs photovoltaïques au sol, quant à eux, sont installés sur des surfaces qui ne sont pas utilisables par un exploitant agricole, comme les friches industrielles, les terrains pollués, ou les décharges abandonnées, mais aussi les délaissés d’autoroutes, de voies ferrées ou d’aéroports.

• Faisabilité économique/ compétitivité ?

D’un point de vue technique, il est possible de produire une énergie 100% renouvelable d’ici 2050 mais quand est-il des coûts ? Concernant la production d’électricité (40% des besoins en énergie) aujourd’hui, l’éolien onshore et le solaire sont largement compétitifs avec le charbon et le gaz mais ce n’est pas encore le cas pour l’éolien offshore ni pour la biomasse. De plus, il y a des coûts additionnels en raison des besoins de stockage des EnR qui sont variables. Concernant la production de combustibles et de chaleur (60% des besoins d’énergie), l’éolien et le solaire ne sont pas compétitifs.

• Dépendance d’autres ressources

L’utilisation des EnR nécessite notamment l’utilisation de fer et d’acier pour récupérer ces énergies. Se pose également le problème des métaux rares (voir le documentaire Arte « La face cachée des énergies vertes »).

• Sécurité d’approvisionnement ?

D’une part la production d’EnR est variable ou intermittente car elle dépend des conditions météorologiques. D’autre part, il existe par exemple des pics de demande d’énergie (en hiver par exemple) ou au contraire de faibles demandes (notamment en plein jour). Ainsi la demande est également variable. Or, il est indispensable d’équilibrer la production et la consommation afin de maintenir une sécurité d’approvisionnement (en France, c’est le réseau de transport d’électricité RTE qui est responsable de cet équilibre). Heureusement, il existe des solutions pour répondre à cet enjeu.

Il faut d’abord considérer le problème à l’échelle nationale et européenne voir internationale. En France, au niveau régional et national la variabilité en EnR est lissée car les déficits et excédents d’énergie se compensent. De plus, notre réseau est relié à 6 pays frontaliers ce qui permet de compenser un besoin éventuel en énergie.

Par ailleurs, différentes solutions de stockage d’énergie (bien que l’électricité ne se stocke pas en réalité) permettent de réguler les variabilités et de diminuer le coût de ces énergies.
Une première solution consiste à coupler un parc éolien/ ou XX photovoltaïque avec une STEP (Station de Transfert d’Energie par Pompage) qui utilise deux énormes bassins d’eau situés à des altitudes différentes. Quand les conditions météorologiques sont favorables, les pompes sont alimentées pour remonter l’eau du bassin inférieur afin qu’elle soit stockée dans le bassin supérieur. En cas de forte demande, on fait redescendre l’eau qui va faire tourner des turbines et un alternateur afin de produire de l’électricité. Une deuxième solution consiste cette fois-ci à coupler un parc éolien ou un parc solaire à une centrale de stockage par batterie. Enfin, il existe une troisième solution qui permet de stocker l’énergie grâce à l’hydrogène, en alimentant un électrolyseur grâce à l’énergie solaire. Cet électrolyseur va alors décomposer les molécules d’eau (H2O) pour récup du dioxygène (O2) et de l’hydrogène (60% de l’énergie va être stockée dans l’hydrogène) que l’on va stocker dans un réservoir. On va ensuite utiliser une pile à combustible pour convertir l’énergie chimique (hydrogène) en énergie électrique. Néanmoins, l’hydrogène est dur à stocker et à déplacer, c’est une technologie chère et le rendement n’est pas encore très bon.

• Que fait-on pour les autres usages de l’énergie : la chaleur et les combustibles ?

Le solaire et l’éolien permettent de produire de l’électricité alors que c’est seulement 40% des besoins en énergie de la planète.

EnR et PEXE

Allice, Atlansun, Biogaz Vallée, B2E, CD2E, Cinov, Ademe, Club IDF, Cluster Green, Derbi, Gimélec, Inno Energie, Soltena, pole mer med, tenneris, capénergies

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