Partie II

Energies renouvelables : que sont-elles et quels sont leurs intérêts ?

1. Qu’est-ce qu’une énergie renouvelable?

Avant de présenter quelques unes des différentes énergies renouvelables que nous connaissons, nous allons voir de quoi il s’agit…

Comme nous le disions plus haut, un des principes fondamentaux de la physique est celui de la conservation de l’énergie (Loi de Lavoisier) : rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Il est donc surprenant d’entendre parler d’énergies renouvelables… en quoi l’énergie doit-elle être renouvelée si elle se conserve ? C’est qu’en fait, comme nous le disions dans cette même partie, l’énergie peut se transformer d’une forme en une autre de manière plus ou moins complète. C’est ainsi que toutes les énergies peuvent se transformer complétement en chaleur, mais le contraire est impossible. Lorsqu’on cherche à convertir la chaleur en une autre forme d’énergie, les rendements n’excèdent pas les 40%… Ce qui nous importe, c’est que les énergies présentes dans la nature puissent être converties avec le meilleur rendement possible en énergies utilisables par l’homme, telle l’électricité.

Donc, ce que l’on nomme une énergie renouvelable, c’est une source d’énergie naturelle capable de pourvoir l’homme en énergie sans risque de s’épuiser. L’énergie renouvelable à la base de presque toutes les autres est l’énergie solaire, dont découlent plus ou moins directement les énergies éolienne, hydraulique (le Soleil est à l’origine du cycle de l’eau, ainsi qu’à l’origine des marées en complémentarité avec la Lune) et le développement de la biomasse. A ces 4 énergies, est souvent associée la géothermie, qui, elle, ne découle pas de l’énergie solaire, mais correspond à la chaleur interne de la Terre. Elles répondent à trois besoins essentiels à l’homme: la production d’électricité, la nécessité de (se) chauffer et la création de carburants.

Si on s’intéresse à elles dans le but de remplacer les énergies fossiles, c’est avant tout parce que leur exploitation ne rejette à priori aucune substance polluante. De fait, les énergies renouvelables s’inscrivent logiquement dans le développement durable.

Ce dernier fut défini pour la première fois en 1987 par le Premier Ministre Norvégien de l’époque, Mme Gro Harlem Brundtland : «le développement durable vise à satisfaire les besoins de développement des générations présentes sans compromettre la capacité des générations futures de répondre aux leurs»…

Il est très souvent schématisé ainsi :

Comme on peut le voir sur ce schéma, le développement durable doit tenir compte à la fois des critères sociaux, économiques et écologiques. De nombreux pays ont inclus les énergies renouvelables dans leur politique de développement durable. Et en effet, en se basant sur le schéma ci-dessus, il est vrai que les énergies renouvelables sont vivables, équitables et viables. Elles sont a priori respectueuses de l’environnement, dans le sens où elles ne rejettent pas de gaz à effet de serre et ne génèrent pas outre mesure de déchets toxiques. De fait, elles permettent de lutter contre le réchauffement climatique, tout en préservant la biodiversité. De plus, elles permettent une plus grande équité entre les nations, en permettant à chacune d’obtenir son indépendance énergétique, ainsi qu’en permettant à chaque communauté, chaque collectivité locale, et même chaque être humain s’il en a les moyens, de produire sa propre énergie. Si les technologies pour les exploiter sont développées et réellement implantées comme elles devraient l’être, elles pourraient probablement couvrir les besoins humains en énergie, en générant au passage de très nombreux emplois…

2. Le cas de l’éolien : une énergie dans l’air du temps

L’homme utilise l’énergie du vent depuis de nombreux millénaires, que ce soit pour la navigation ou pour actionner un moulin à vent… De nos jours, l’énergie éolienne a plus que jamais le vent en poupe ! Elle a la faveur des médias et du grand public. Elle est d’une certaine façon le « porte-drapeau » des énergies renouvelables, leur exemple type. Le principe de fonctionnement des aérogénérateurs, appelés couramment « éoliennes », est simple. Il consiste à transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique qui est elle-même transformée en énergie électrique, selon le même principe qu’une dynamo de vélo.

Une éolienne classique peut être décomposée en trois parties majeures :

- un rotor à axe horizontal, composé de 3 pales – dont le diamètre est compris entre 40 et 120 mètres – qui transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Le rotor est rattaché à…
- une nacelle, où se situe tout le système de transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique.
- un mât, haut de 50 à 110 mètres en moyenne, soutient le tout.

Coupe schématique d'une éolienne à axe horizontal

Au pied du mât, se trouve l’armoire de couplage au réseau électrique qui permet de rendre compatible l’électricité produite à celle du réseau (courant alternatif), dans lequel elle est « injectée ».
Dans la nacelle, on trouve le moyeu (l’axe du rotor), qui est rattaché au multiplicateur de vitesse. Grâce à un jeu d’engrenages, ce dernier fait passer la fréquence de rotation de 19-30 révolutions par minutes à 1500 rév/min pour la génératrice. Celle-ci fonctionne comme une dynamo de vélo, elle transforme l’énergie mécanique du rotor en énergie électrique. La puissance des plus gros générateurs atteint 5 MW, mais cette valeur ne cesse d’augmenter.
Sur le toit de la nacelle, en plus d’un paratonnerre, sont installés un anémomètre et une girouette. En cas de vent violent (au-delà de 100 km/h), un système de régulation de la vitesse actionne un frein à disque permettant de limiter la fréquence de rotation, voire de stopper l’éolienne, pour ne pas forcer le générateur.
Pour fonctionner, une éolienne doit se trouver face au vent, c’est pourquoi un système permet de la réorienter automatiquement dans l’axe du vent. Pour améliorer la prise au vent et leur aérodynamisme, les pales peuvent elles aussi être orientées différemment.

Eoliennes off-shore dans la baie de Liverpool

La puissance électrique fournie par une éolienne croît avec le diamètre de ses pales. Plus elles sont grandes, plus la puissance disponible est importante. C’est pourquoi on privilégie de plus en plus les grandes éoliennes. On devrait bientôt pouvoir en fabriquer fournissant une puissance de 6 MW. En conséquence, les parcs éoliens français pourraient être constitués de deux mâts seulement puisque la législation actuelle interdit la création de champs éoliens de plus de 12MW. On estime qu’avec 1MW, on alimente 900 foyers de 3 personnes en électricité (hors chauffage électrique). Un parc éolien de 12MW peut donc permettre d’alimenter près de 11000 foyers de 3 personnes, soit près de 33000 personnes en électricité.

La puissance extraite peut être calculée de la manière suivante, démontrée par le physicien Albert Betz, un pionnier de l’éolien moderne, au début du 20ème siècle:

P incidente = 1/2.ρ.S.v3 (puissance de l’énergie cinétique du vent)

P extraite = 1/2.ρ. S.v3.Cp (puissance récupérée)

ρ : Masse volumique de l’air (environ 1,23 kg/m3 à 15°C)
S : surface balayée par les pales en m2, elle est égale à π.r2, où r est la longueur d’une pale.
V : la vitesse du vent en m.s-1
Cp : coefficient de puissance, il caractérise l’aptitude de l’aérogénérateur à capter l’énergie éolienne.

Selon la limite d’Albert Betz, la puissance maximum récupérable est égale à :
Cpmax = = 0,593 0,6.
L’énergie récupérable est égale au 16/27 de l’énergie cinétique totale, on ne perçoit donc qu’environ 60% de cette énergie…

Parc éolien en Espagne

L’exploitation de l’éolien présente le grand avantage, comme pour toutes les énergies renouvelables exceptée la biomasse, de ne pas rejeter de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et utilise une source d’énergie intarissable: le vent. Aussi, les éoliennes permettent de choisir la quantité d’énergie délivrée, leur entretien est peu coûteux et plutôt sommaire car leur fonctionnement est simple. Il n’y a donc pas de complications matérielles. L’énergie éolienne peut également être une solution pour alimenter en électricité les personnes qui ne sont pas reliées à un réseau électrique. C’est le cas par exemple de nombreux villages situés dans les pays en voie de développement. Par ailleurs, la période de l’année où la demande énergétique est la plus importante, l’hiver, correspond à la période où la production d’électricité par les éoliennes est la plus élevée. En effet, en moyenne, le vent souffle plus l’hiver que l’été. L’éolien utilise des appareils dont le cycle de vie est favorable au respect de l’environnement: les aérogénérateurs modernes, construits en acier, restituent en 2 à 3 mois l’énergie utilisée pour leur fabrication. Toutefois, le dioxyde de carbone émis au cours de cette même fabrication est définitivement perdu. Les matériaux employés pour la construction d’une éolienne sont recyclables et leur démantèlement est réalisable à tout moment et en quelques jours seulement. Ce qui permet une totale remise en état du site… Par ailleurs, même si le potentiel éolien n’est pas le même partout, les régions du monde où l’on peut installer des éoliennes sont nombreuses. Cette dispersion géographique permet de limiter les pertes d’énergie dues au transport.

Grâce à ce tableau, nous pouvons constater que l’Allemagne est de loin la championne mondiale de l’éolien. En toute logique, étant donné l’étendue de leurs territoires, les productions américaine, chinoise et indienne devraient rapidement augmenter dans les prochaines années. En ce qui concerne les pays européens on remarque un écart quelque peu abyssal entre l’Allemagne, l’Espagne et le reste de l’Europe, exception faite du Danemark, qui malgré sa petite taille se hisse tout de même au 6ème rang mondial. Paradoxalement, la France et le Royaume-Uni ne se situent qu’aux 8èmes et 9èmes places alors qu’ils possèdent les deux plus importants « potentiels » éoliens d’Europe…

Pour affiner ces chiffres, à l’heure qu’il est, en France, on estime que la puissance éolienne totale est de 3,5 GW, dont 402 MW dans notre région, seconde productrice d’électricité « éolienne » derrière la Lorraine et ses 432 MW.

En 2004, la production en gaz carbonique de l’Europe était équivalente à 4 milliards de tonnes soit 16.6% des émissions mondiales. Cette même année, les éoliennes ont alimenté en électricité 10 millions de personnes en Europe. Elles ont ainsi permis d’éviter le rejet de 24 millions de tonnes de gaz carbonique dans l’atmosphère, soit 0.6% de la production totale européenne. Ce chiffre est très faible mais il ne représente que la part des éoliennes, et chaque geste pour l’environnement, aussi minime qu’il soit, est important dans le contexte environnemental actuel.

3. Présentation de quelques unes des autres énergies renouvelables

L’énergie hydraulique: on l’utilise depuis des millénaires, pour actionner des roues à aubes par exemple. C’est de loin l’énergie renouvelable la plus utilisée pour créer de l’électricité. Elle produit à elle seule 17 des 19% d’électricité « renouvelable » de la production mondiale totale.
Il s’agit de l’énergie fournie par le mouvement de l’eau. Ce mouvement peut être utilisé directement, par exemple avec un moulin à eau, ou plus couramment être converti, par exemple en énergie électrique dans une centrale hydroélectrique, ce que l’on nomme un barrage. Dans un premier temps, celui-ci bloque les eaux d’un fleuve ou d’une rivière pour créer une retenue d’eau. Ensuite on fait s’écouler l’eau à grande vitesse dans un tunnel où, en chutant, elle fait tourner une turbine reliée à un alternateur qui produit de l’électricité. Cet alternateur fonctionne de la même façon qu’une dynamo.
Les avantages de l’hydroélectricité sont les suivants: tant que le cycle de l‘eau se fera normalement, les barrages seront toujours pleins et pourront donc fonctionner en permanence. C’est d’ailleurs le point fort de l’hydraulique vis-à-vis des autres énergies renouvelables, il est possible de garder l’eau à l’intérieur du barrage tandis qu’on ne peut ni stocker l’énergie solaire, ni le vent. Par ailleurs, même si l’installation est extrêmement coûteuse, plusieurs milliards d’euros, elle est très vite amortie grâce à cette production continue d’énergie. De plus, le fait de stocker l’eau permet d’éviter des crues en aval, et le risque que le barrage s’effondre est très faible grâce à une maintenance continue. Enfin, même si le lac de retenue créé bouleverse l’écosystème local, il peut aussi permettre de développer une activité touristique.

• Schéma d’un barrage hydraulique

Ce shéma a été trouvé sur le site de http://www.energies2demain. com

Récemment se sont aussi développées l’utilisation de l’énergie houlomotrice (l’énergie des vagues) et celle de l’énergie marémotrice (l’énergie des marées). La seconde était déjà employée au Moyen-Age pour actionner des moulins à marées. Elle est le fruit des effets conjugués des forces de gravitation de la Lune et du Soleil sur les océans. Elle peut être utilisée sous deux formes, soit en tant qu’énergie potentielle : l’élévation du niveau de la mer, soit en tant qu’énergie cinétique : les courants des marées. La seule usine marémotrice de France se situe dans l’estuaire de La Rance, en Bretagne.

L’énergie solaire (photovoltaïque): on sait la transformer en électricité depuis peu de temps. Pour cela, on utilise des « cellules photovoltaïques » : la lumière est constituée de photons, de véritables « grains d’énergie ». Lorsqu’ils arrivent en contact avec des solides semi-conducteurs, tel le silicium que l’on trouve dans les panneaux solaires, ils sont absorbés et leur énergie est utilisée pour séparer les charges positives et négatives. Un potentiel électrique est donc créé, provoquant un courant électrique.
L’intérêt du photovoltaïque, de la même manière que l’éolien est qu’il peut permettre à chaque pays d’obtenir son indépendance énergétique. L’énergie photovoltaïque, si elle était moins chère et plus développée, serait notamment très intéressante pour les pays en voie de développement, notamment ceux d’Afrique, puisque les régions comprises entres les deux tropiques sont celles qui reçoivent la plus forte intensité lumineuse… Il peut aussi permettre d’alimenter des lieux isolés de tout. L’énergie accumulée le long de la journée peut éventuellement être stockée dans des batteries pour satisfaire la demande des besoins en électricité la nuit. Lorsque l’on produit sa propre électricité, il n’y a pas d’acheminement pour amener l’énergie chez soi. Par ailleurs, les matériaux employés résistent bien aux conditions climatiques rudes et étant donné qu’il n’y a pas de pièces en mouvement, il n’y a pas d’usure ou de complication matérielle. L’entretien est donc peu coûteux et sommaire. La durée de vie d’un panneau solaire est estimée à plus de 30-35 ans.

• Schéma d’une installation solaire photovoltaïque (en France) : en effet, en France, le particulier doit revendre à EDF l’électricité produite par son installation solaire.

• Schéma d’une installation solaire photovoltaïque (en France) : en effet, en France, le particulier doit revendre à EDF l’électricité produite par son installation solaire.

A plus grande échelle, on construit aussi des « centrales solaires », mais elles restent peu développées pour l’instant.

Par ailleurs, on peut aussi utiliser l’énergie solaire pour se chauffer, et pour faire chauffer l’eau. Ces derniers temps, on installe justement de plus en plus de chauffe-eaux solaires.

Panneaux solaires

L’énergie tirée de la biomasse:

La biomasse est définie comme étant l’ensemble des produits provenant du vivant. Elle procure des énergies dont la source est la photosynthèse effectuée par les plantes vertes qui captent la lumière du Soleil. Ce sont donc des énergies d’origine solaire. Ces énergies sont utilisées sous trois formes: soit directement par combustion du bois et de ses dérivés, c’est ce que l’on nomme la bioénergie, soit par conversion biologique, ce que l’on nomme la méthanisation, ou encore par transformation chimique, ce que l’on nomme les biocarburants. La combustion du bois contribue déjà à 3,3% du bilan énergétique de la France. Cette technique obtient un excellent rendement thermique. La méthanisation consiste à entreposer divers déchets dans un milieu dépourvu d’oxygène, où ils sont ensuite attaqués naturellement par des bactéries. Il se produit alors du méthane que l’on peut brûler pour obtenir de la chaleur qui est utilisée pour produire de l’électricité ou pour chauffer de l’eau. Cette combustion donne naissance à du CO2, dont l’effet de serre est 23 fois moindre que celui du méthane. C’est pourquoi ce processus est lié aux énergies renouvelables. Une unité de méthanisation a récemment été construite à Montpellier.
Enfin, la troisième et dernière possibilité n’est autre que la culture de céréales et oléagineux (blé, maïs, colza) produisant, après récolte et transformation, des biocarburants. La place de ces derniers dans une politique de développement durable fait cependant de plus en plus controverse.
La biomasse peut-être considérée comme une énergie renouvelable tant qu’il n’y a pas plus d’arbres et de plantes coupés que plantés… Ses intérêts sont nombreux. Dans le contexte actuel, les prix des carburants étant instables, la biomasse semble une bonne alternative. Elle permet de réduire la quantité de déchets végétaux à jeter en les brûlant donc il n’est pas nécessaire d’agrandir les sites d’enfouissement.

En plus de la production d’énergie, elle participe au traitement et à l’élimination des déchets organiques, contribuant ainsi à la purification de l’environnement.

Si les énergies renouvelables présentent de nombreux intérêts, elles présentent aussi des inconvénients et c’est ce que nous allons voir maintenant.