ENERGIE : les sources d'énergie renouvelable

Publié par Jacques Bourgois, le 24 janvier 2025 19

Chaque jour, nous utilisons de l’énergie pour nous déplacer, travailler, se chauffer, se nourrir, se divertir. Ces énergies sont d’accès facile : prise de courant électrique, pompe à carburant, gaz domestique ou combustible livré à domicile. Face aux enjeux climatiques et environnementaux, les énergies renouvelables ne dépendant pas des fluctuations des prix des énergies fossiles offrent une sécurité financière aux pays qui les développent. De plus, elles se veulent durables, propres et respectueuses de l’environnement. Quelles sont les sources disponibles ?

Energie hydraulique

C’est l’énergie cinétique liée au déplacement de l’eau : chutes d’eau, cours d’eau, courants marins, vagues, marées. Outre son utilisation pour le transport fluvial ou maritime, cette énergie peut être convertie en une autre énergie : mécanique (moulin à eau) ou surtout électrique impliquant plusieurs types d’installations :

Centrale à réservoir qui utilise l’énergie potentielle de gravité d'une chute d’eau,
Centrale au fil de l’eau qui utilise l’énergie cinétique d’un cours d’eau,
Centrale marémotrice qui utilise l’énergie cinétique de la marée,
Hydrolienne qui utilise l’énergie cinétique des courants marins,
Bouée qui utilise les oscillations de la surface de la mer (houle) mais cette solution n’est pas encore commercialisée car non mature à grande échelle.

Centrale à réservoir :

Ce type de centrale est composée d’un barrage stockant l’eau d’une rivière ou d’un fleuve, de conduites forcées qui acheminent l’eau vers une turbine reliée à un alternateur qui produit un courant électrique alternatif et enfin d’un transformateur qui gère la tension du courant pour qu’il soit transportable via des lignes à très haute tension.

Il existe trois grands types de barrages : les barrages poids, les barrages voute et les barrages à contreforts.

Le barrage poids est construit en béton ou en pierre. Son profil est vertical vis-à-vis de la retenue d’eau et incliné vis-à-vis de la vallée. Il s’appuie uniquement sur le sol et c’est sa masse qui s’oppose à la pression de l’eau.

Le barrage voute est construit en béton. Il s’appuie sur les flancs de la vallée et sa forme courbe renvoie la pression de l’eau sur les rives. Il est vertical par rapport à la vallée et incliné par rapport à la retenue d’eau. Ce type de barrage est plutôt utilisé dans les vallées étroites.

Le barrage à contreforts est construit en béton. Les contreforts de forme triangulaire permettent de reporter les forces de pression de l’eau vers le sol.

Ces différents types de barrage existent en France comme :

Barrage poids : barrage de Génissiat sur le Rhône (Ain), 1948, retenue de 56 millions de m³
Barrage voûte : barrage de Grangent (Loire), 1957, retenue de 66 millions de m³
Barrage à contreforts : barrage de Roselend (Savoie), 1960, retenue de 56 millions de m³

Barrages de Génissiat de Grangent de Roselend

Outre ces trois types généraux il existe des variantes comme les barrages poids arqués comme le barrage du Gouffre d’Enfer (St Etienne) [ce barrage inauguré en 1866 était à l’époque le premier de ce type en Europe ainsi que le plus haut du monde], les barrages à voutes multiples comme le barrage de la Girotte (Haute-Savoie), les barrages à voute et contreforts comme le barrage de Grandval (Cantal).

Centrale au fil de l’eau :

Ce type de centrale fonctionne sans retenue d’eau donc sans stockage. Ces centrales utilisent l’eau d’un fleuve ou d’une grande rivière à fort débit et ne nécessitent pas de grands aménagements d’où un coût beaucoup moins important que celui des centrales à réservoir. Elles sont composées d’un canal, d’une conduite forcée et d’une usine hydroélectrique située en bordure de rivière, l’eau est ensuite rejetée dans le milieu naturel. L’électricité est produite en temps réel. Le principal inconvénient de ces centrales est d’être tributaire du débit du fleuve : en période d’étiage la production électrique est plus faible.

Centrale de Champagneux sur le Rhône (Savoie)

Centrale marémotrice :

Ce type de centrale est constitué d’un barrage séparant la mer et un bassin ou un estuaire. En période de marée montante un chenal laisse passer le flux d’eau allant remplir le réservoir. En période marée basse c’est l’inverse qui se produit, le réservoir se vide. Dans le chenal sont installés plusieurs turbines axiales entrainant directement un alternateur fonctionnant dans le circuit hydraulique, à l’intérieur d’un carter étanche profilé en forme de bulbe. Il n’y a donc pas besoin de bâtiments annexes de production d’électricité.

Le principal avantage de ce type de centrale est que l’on connait avec exactitude horaire et amplitude des marées, il est donc possible de prévoir la production d’électricité. Les inconvénients sont des coûts de construction élevés et une production intermittente, en effet elle devient faible à nulle aux étales de haute mer et de basse mer ainsi que lors des faibles coefficients de marée. C’est en Bretagne que la première centrale de ce type a vu le jour à l’embouchure de la Rance en 1966 avec une puissance de 240 MW, depuis d’autres centrales de plus faibles puissances ont été construites au Canada, en Chine, en Corée du Sud ou en Russie. La plus productive se trouve en Corée du sud avec une puissance de 254 MW entrée en exploitation en 2011.

Centrale marémotrice de la Rance (Ille-et-Vilaine)

Rupture de barrages :

Une rupture de barrage correspond à la destruction totale ou partielle de l’ouvrage à la suite d’erreur de conception, d’erreur humaine ou d’un risque naturel (séisme, crue, glissement de terrain). Il s’en suit un déversement important d’eau vers l’aval causant des destructions et/ou des morts ou disparus. La pire catastrophe de ce type a eu lieu en Chine en 1975 (barrage de Banqiao), à la suite d’un typhon les pluies importantes (830 mm en 6 heures) ont provoqué la rupture en série de 61 autres barrages sur la rivière Ru provoquant la mort directe de 85600 personnes et de 145000 autres due à des épidémies ou à la famine.

En France, en 1959 le barrage de Malpasset rompt à la suite d’une crue causant la mort de 423 personnes et des dégâts considérables dans la ville de Fréjus et ses environs (routes, voies ferrées, fermes, immeubles détruits). Le volume d’eau déversé a atteint 50 millions de mètres cubes avec une hauteur d’eau de 40 à 50 mètres.

Hydrolienne :

Une hydrolienne produit de l’électricité grâce à la force des courants de la mer ou des fleuves/rivières, elle est fixée sur une structure métallique posée sur le fond marin. Elle est composée d’un stator et d’un rotor où sont fixés des pales. Sous l’action des courants, le rotor entre en mouvement. L’interaction entre les électroaimants du rotor et les bobines de cuivre du stator crée un courant électrique alternatif envoyé à terre par un câble sous-marin. Une fois à terre, ce courant alternatif est élevé à 20 000 volts pour être injecté dans le réseau. L’hydrolienne fonctionnant grâce au déplacement de l’eau est le pendant de l’éolienne fonctionnant grâce au déplacement de l’air. Ces installations doivent subir des opérations de maintenance en raison de la corrosion due au milieu marin, des incrustations sur le stator ou le rotor d’animaux ou de végétaux marins. Les coûts des installations et de leur maintenance font que le coût du MWh est élevé par rapport à celui d’autres types d’énergie renouvelables. Cependant sur certains sites où les courants sont très puissants le coût de l’électricité serait équivalent à celui produit par des éoliennes.

Des études sont en cours comme en France dans le courant de Raz Blanchard (courant marin le plus puissant d’Europe situé entre le cap de La Hague et l’ile anglo-normande d’Aurigny) seront installées 7 turbines hydroliennes devant produire 40 millions de kWh d’énergie par an soit l’équivalent de la consommation de 20 000 foyers.

Energie éolienne

L’énergie éolienne est l’énergie du vent qui transforme l’énergie cinétique du vent en une autre énergie comme l’énergie mécanique (pour faire avancer un véhicule – bateau à voile, char à voile… - pour pomper de l’eau, pour actionner la meule) ou électrique par l’intermédiaire d’un générateur et ainsi produire un courant alternatif ou continu. Les éoliennes sont dites ‘onshore’ lorsqu’elles sont installées à terre ou ‘offshore’ lorsqu’elles sont installées en mer.

L’énergie éolienne est une forme dérivée de l’énergie solaire, en effet les rayons solaires absorbés par l’atmosphère terrestre entraînent des différences de température et de pression, les masses d’air se mettent en mouvement et accumulent de l’énergie cinétique. L’énergie éolienne est ancienne, il est prouvé que la marine à voile est apparue en mer Egée lors du XI^e millénaire avant JC, les moulins à vent vers l’an 620 au Moyen-Orient pour moudre le grain ou pour pomper de l’eau souterraine. C’est en 1887 que le premier moulin à vent destiné à produire de l’électricité est construit en Ecosse par James Blyth. Ce n’est qu’un siècle plus tard lors du premier choc pétrolier que les éoliennes (ou aérogénérateurs) de grandes tailles sont construites pour être connectées au réseau électrique.

Les éoliennes à axe horizontal sont les plus répandues, elles se composent d’un mât en acier ou en béton de hauteur variable (20 mètres pour les plus petites, jusqu’à 260 mètres pour les plus hautes), d’un rotor où sont fixées les pales et d’une nacelle abritant les composants mécaniques (boite à vitesse, frein et générateur électrique) et électroniques. Par fort vent (supérieur à 90 km/h), les éoliennes doivent être stoppées pour des raisons de sécurité. Un parc éolien de 4 à 6 machines produit l’équivalent de la consommation électrique annuelle de 12 000 habitants.

Avantages : énergie renouvelable, pas de pollution, pas de production de déchets en phase d’exploitation.

Inconvénients : tributaire de la météo, bruit, coût de l’énergie produite, impact visuel, acceptation des riverains.

Energie solaire

L’énergie solaire, énergie moderne ?

Que nenni ! en effet, en 212 avant JC, Archimède aurait incendié les navires romains attaquant Syracuse à l’aide de ‘miroirs ardents’ focalisant l’énergie solaire sur les navires provoquant leur incendie. Mais ces miroirs solaires ne semblent être qu’une légende.

Le terme ‘énergie solaire’ est employé pour désigner l’électricité ou l’énergie thermique obtenue à partir de la source primaire qu’est le rayonnement solaire émis par les réactions de fusion nucléaire au sein de cette étoile.

Il existe deux types d’exploitation de l’énergie solaire :

Solaire photovoltaïque
Solaire thermique

Le solaire photovoltaïque

L’énergie solaire est transformée en électricité à l’aide de panneaux photovoltaïque sans passer par l’intermédiaire de l’ensemble vapeur-turbine-alternateur. Les cellules photovoltaïques sont constituées de matériaux semiconducteurs comme le silicium dopé qui captent les photons de la lumière solaire en générant du courant électrique continu qui doit être dirigé vers un onduleur pour obtenir un courant alternatif utilisable dans les foyers domestiques. Ces cellules sont composées de deux couches de matériaux semiconducteurs, l’une en silicium dopé au phosphore possédant 1 électron périphérique de plus que les atomes de silicium (couche négative), l’autre dopé au bore possédant 1 électron de moins que les atomes de silicium (couche positive). Lorsque les photons frappent la surface du panneau, ils vont transmettre leur énergie aux électrons des atomes du silicium qui vont se mettre en mouvement créant ainsi un courant continu de la couche négative à la couche positive. Le rendement théorique de ce type de panneau est de 31% (6 à 9% pour les panneaux en silicium amorphe, 13 à 18% pour ceux en silicium polycristallin et 16 à 24% pour ceux en silicium monocristallin). Les panneaux photovoltaïques sont actuellement principalement fabriqués en Chine, et leur coût unitaire ne cesse de diminuer.

Les panneaux photovoltaïques peuvent être utilisés en autoconsommation électrique mais également dans des centrales où plusieurs milliers de panneaux sont réunis sur de vastes étendues. Par exemple, la centrale de Bresse-sur-Issole en Provence avec ses 50 000 panneaux répartis dur une surface de 17 hectares produit 20 GWh par an, soit la consommation de 5 500 foyers domestiques.

La plus grande centrale photovoltaïque du monde est en cours de construction en Chine (centrale Junma, signifiant cheval en langue chinoise), d'une puissance prévue de 100GW, elle pourra alimenter en 2030 l'équivalent de la consommation électrique d'une ville de la taille de Pékin. Plus de 700 000 panneaux seront installés dans le désert de Kubuqi en Mongolie-Intérieure sur un terrain de 400km de long et 5km de large, à proximité d'un centre industriel. Elle permettra ainsi d'économiser 760 000 tonnes de charbon et d'éviter l'émission de 1,85 millions de tonnes de dioxyde de carbone. En plus de produire de l'électricité verte, la centrale aura également un intérêt écologique en bloquant le vent et en dynamisant la production agricole sous les panneaux solaires.

Le solaire thermique

Dans ce cas, l’énergie des rayons du Soleil est convertie en chaleur voire en électricité par l’intermédiaire de différents types de capteur.

Ces capteurs sont constitués d’une vitre protégeant les composants internes et laissant passer le rayonnement solaire, d’un absorbeur métallique revêtu de matériaux spécifiques de couleur noire maximisant l’absorption de la chaleur, de tubes métalliques dans lesquels circule un fluide caloporteur (eau + antigel) chauffé à environ 60°C, le tout se trouvant dans un caisson isolé thermiquement afin de minimiser les pertes de chaleur. Le fluide caloporteur est ensuite véhiculé par l’intermédiaire d’une pompe vers un échangeur qui transmettra son énergie à l’eau d’un ballon qui sera ensuite utilisée dans le logement (eau chaude sanitaire ou chauffage). Pour un rendement optimal, ces panneaux doivent être orientés plein sud (dans l’hémisphère nord) avec une inclinaison de 30 à 45 degrés pour capter le maximum de lumière.

Capteur à tubes sous vide :

Cette variante du capteur plan a pour but de minimiser les pertes de chaleur. La plaque absorbante ainsi que les tubes de cuivre véhiculant le fluide caloporteur sont placés dans un tube en verre borosilacaté type Pyrex supportant les basses et les hautes températures. Ce tube est vide d’air, ce qui empêche toute déperdition de chaleur. Pour le reste le système est identique au précédent : pompe, échangeur, ballon de stockage. Le fluide caloporteur peut atteindre des températures voisines de 100°C. L’avantage de ce type de capteur est qu’il peut fonctionner du lever au coucher du soleil alors que les capteurs plans n’ont des performance optimales qu’à midi. Là aussi, pour un rendement optimum, les tubes doivent être inclinés à 40-50 degrés par rapport à l’horizontale. Il existe d’autres variantes basées sur le même principe que celui décrit ci-dessus.

Centrale solaire thermodynamique :

Ce type de centrale concentre les rayons du Soleil à l’aide de miroirs en un point précis afin de chauffer à très haute température un fluide caloporteur servant en général à produire de l’électricité. Qui ne s’est pas amusé étant enfant à concentrer les rayons lumineux du soleil à l’aide d’une loupe…ça brûle ! Le fluide caloporteur (air, huile, sel fondu, liquides organiques) transmet ensuite sa chaleur à de l’eau générant de la vapeur qui actionnera une turbine et un alternateur pour produire de l’électricité. Il existe quatre types de centrales thermodynamiques :

Les centrales à tour : des centaines de miroirs orientables envoient les rayons solaires au sommet d’une tour pouvant atteindre 200 mètres de hauteur, au sommet circule le fluide caloporteur (en général des sels fondus) transformant le rayonnement en chaleur à haute température (600°C en moyenne). Ces sels fondus peuvent être stockés permettant ainsi de produire de l’électricité durant une quinzaine d’heures sans ensoleillement. (Photo : centrale de Noor Ouarzazate, Maroc)

Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques : de longs miroirs hémicylindriques concentrent le rayonnement solaire sur un tube horizontal placé au-dessus de chacun d’eux. Dans ce tube circule un fluide caloporteur. Les miroirs sont orientables horizontalement pour suivre la course du Soleil. La température du fluide caloporteur peut atteindre 500°C. (Photo : centrale de Shams 1, la plus grande centrale à concentration du monde, Emirats arabes unis)

Les centrales à miroirs de Fresnel : le principe de ces centrales est identique au précédent mais dans ce cas les miroirs sont plats. La température atteinte par le fluide caloporteur est comprise entre 200 et 450°C. L’avantage de ce type de centrale est que le coût des miroirs est beaucoup plus faible. (Photo : centrale d’Alba Nova, Corse)

Les centrales à collecteur parabolique : un grand miroir parabolique orientable dirige les rayons du Soleil au foyer de la parabole. En ce point est placé un moteur Stirling à cogénération. Le piston du moteur Stirling est actionné en chauffant un gaz (souvent de l’hélium) contenu dans le cylindre à l’aide du rayonnement solaire. L’énergie mécanique du piston est alors transformée en électricité à l’aide d’une bobine. (Photo : Module CNRS à Odeillo, France)

Energie géothermique

L’utilisation de la géothermie est très ancienne :

Les sources chaudes utilisées pour le bain dès le paléolithique,
Le premier spa construit sur le mont Li en Chine au III^esiècle av.J.-C.,
Première utilisation commerciale par les Romains des sources chaudes du Somerset (Angleterre) pour alimenter les thermes ou le chauffage par le sol,
Plus ancien réseau de chauffage urbain à Chaudes-Aigues au XV^esiècle,
Première exploitation industrielle de la chaleur d’un geyser en 1827 en Italie.

Le principe de l’énergie géothermique est de récupérer la chaleur du sous-sol de la Terre. Cette chaleur provient à 80-90% de la désintégration d’éléments fissiles (uranium, thorium, potassium…) présents dans les roches. Le reste est le reliquat de la chaleur de formation de la Terre il y a quelques 4,5 milliards d’années. Il est possible de distinguer 3 types de géothermie :

La géothermie profonde à haute énergie (150 à 250°C à 2500 mètres de profondeur) utilisable par production de vapeur pour la production d’électricité. Les principaux pays producteurs d’électricité d’origine géothermique sont situés dans des régions volcaniques (Islande, USA, Turquie, Indonésie, Nouvelle Zélande),
La géothermie moyenne à basse énergie (30 à 150°C dans les aquifères) utilisable pour le chauffage urbain. En France, c’est en Région Ile de France et Aquitaine que sont chauffés par eau chaude géothermique près de 200 000 logements,
La géothermie à très basse température (inférieure à 30°C à faible profondeur) utilisable via une pompe à chaleur pour le chauffage ou la climatisation.

En 2023, 21% de l’énergie géothermale ont été utilisés pour la production d’électricité, le reste pour la production de chaleur, ce qui représente en tout 0,8% de la demande énergétique mondiale.

Energie biomasse

La biomasse désigne l’ensemble des matières organiques pouvant être transformé en énergie. Cette biomasse provient de diverses sources : bois et exploitation forestière, agriculture et élevage, déchets ménagers, rejets industriels biodégradables, rejets organiques des stations d’épuration des eaux usées, déchets issus du milieu aquatique (pêche, algues). La valorisation de la biomasse en énergie peut être obtenue par différents processus de transformation : combustion, fermentation ou process chimiques. La biomasse peut être considérée comme une source d’énergie renouvelable mais il faut être vigilent concernant cette appellation, en effet si la consommation dépasse la capacité de régénération alors la biomasse n’est plus une source renouvelable.

L’utilisation de la biomasse comme source d’énergie repose principalement sur le cycle du carbone : le gaz carbonique libéré est compensé par le gaz carbonique absorbé pendant la croissance des végétaux créant ainsi un bilan carbone théoriquement neutre.

Quelques exemples de valorisation de la biomasse :

Chaufferie bois : les chaufferies bois se composent d’une chaudière et d’un silo de stockage de combustible (plaquettes, granulés, sciure). L’énergie thermique issue du foyer sert à produire de l’eau chaude destinée au chauffage de bâtiments ou de la vapeur entraînant une turbine reliée à une alternateur pour produire de l’électricité. Les fumées issues de la combustion sont évacuées dans l’atmosphère après traitement éventuel. L’utilisation de 4 tonnes de bois permet d’économiser 1 tonne d’équivalent pétrole et d’éviter l’émission de 2 tonnes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le ‘bois énergie’ est la première source d’énergie renouvelable en France, elle utilise environ 30 millions de m³ de bois par an et fournit 22% de la chaleur utilisée annuellement.
Incinération des déchets : l’incinération des déchets ménagers (après recyclage) produit de la chaleur qui peut être utilisée comme dans le cas précédent soit pour le chauffage, soit pour produire de l’électricité. Les fumées produites doivent être traitées pour éviter des dommages sur la santé des riverains et sur l’environnement. Si l’incinération des déchets ménagers produit du dioxyde de carbone, ce dernier est cependant moins impactant sur le dérèglement climatique que le stockage de ces déchets dans des centres d’enfouissement qui produit également des émissions de méthane, puissant gaz à effet de serre. En France, la valorisation énergétique des déchets ménagers touche environ 1/3 des déchets ménagers.
Production de biogaz : la méthanisation est le processus de fermentation des matières organiques en milieu anaérobie (absence d’oxygène). Ces matières organiques peuvent être de diverses origines : déchets verts, déchets agricoles, boues des stations d’épuration des eaux usées, déchets industriels (papetières, pharmaceutiques, agroalimentaires …). Le biogaz produit formé de méthane et de dioxyde de carbone peut être brûlé pour produire de la chaleur ou de l’électricité mais également peut être injecté dans le réseau de gaz naturel à usage domestique après épuration si besoin. En Europe, la production de biogaz a atteint 22 milliards de m³ en 2023 (soit 7% de la consommation de gaz naturel).
Production de carburants : les biocarburants sont des carburants liquides ou gazeux provenant de deux filières industrielles différentes, filière huile et filière alcool. La filière huile produit du biogazole obtenu à partir d’huile végétale (colza ou tournesol) et d’alcool (méthanol ou éthanol), ce carburant est non toxique, exempt de soufre et hautement biodégradable. La filière alcool qui fournit principalement du bioéthanol obtenu par fermentation de sucres, ces derniers provenant directement de la betterave ou de la canne à sucre, ou d’amidon provenant du maïs, du blé ou de la pomme de terre. Le bioéthanol peut être directement utilisé comme carburant dans certain moteur thermique, il est surtout utilisé comme additif dans les essences traditionnelles : à raison de 5% pour les SP95 et SP98-E5, de 10% pour les SP98-E10. La grande majorité de bioéthanol utilisé en France est produit localement (12 Mhl).

Conclusion :

Le soleil est à l’origine de la plupart des énergies disponibles sur Terre. En effet :

L’énergie de la biomasse provient de la matière organique présente dans les végétaux et les animaux. Les plantes utilisent la lumière du soleil durant la photosynthèse pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. L’énergie ainsi stockée est libérée lorsque la biomasse est incinérée ou transformée en biocarburants,
L’énergie hydraulique est générée par le mouvement de l’eau. La chaleur du soleil provoque l’évaporation de l’eau des océans ou autres plans d’eau formant les nuages. Ces derniers produisent des précipitations sous forme de pluie ou de neige, qui vont remplir les barrages et produire de l’électricité,
L’énergie éolienne est issue du déplacement de l’air. Le soleil réchauffant inégalement la planète va provoquer le déplacement de masses d’air et la création du vent faisant fonctionner les éoliennes,
Les énergies hydrolienne, des vagues et des marées sont liées aux mouvements des masses d’eau des océans. Les courants océaniques ont pour origine le vent et la différence de température des eaux provoqués par la chaleur du soleil. Les vagues sont dues à la déformation de la surface des masses d’eau formée par le vent, lui-même issu de la chaleur du soleil. Les marées sont issues des forces gravitationnelles de la lune (pour 70%) et du soleil (pour 30%) attirant l’eau des océans,
Les énergies fossiles sont également liées au soleil puisqu’elles sont formées à partie de végétaux ou d’animaux,
Les seules énergies ne dérivant pas du soleil directement du soleil sont les énergies nucléaire et géothermique profonde.

Mix énergétique :

Le mix énergétique ou bouquet énergétique représente la proportion des différentes sources d’énergie pour les besoins énergétiques d’une zone géographique donnée.

Au niveau mondial en 2020 : consommation 175 000 TWh (1 T = 1 million)