Les énergies renouvelables (ENR) consistent à capter la puissance des éléments: l’air, le vent, l’eau, le feu. On distingue essentiellement 5 énergies renouvelables: l’énergie éolienne, solaire, hydraulique, géothermique et la biomasse. Elles sont toutes, en principe, bas carbone.
Les forces de la nature sont incommensurables: la mer, le vent, le soleil … La puissance qu’ils génèrent est énorme. Si seulement nous pouvions en capter une partie … C’est justement ce que proposent de faire les énergies renouvelables. Les principales sources d’énergie renouvelable sont le soleil, le vent, l’eau, la biomasse et la géothermie. Il n’y a que quelques technologies matures et commercialement viables (photovoltaïque, éolien, barrages et biomasse), mais de nombreuses nouveautés sont développées.
L’énergie éolienne
L’énergie éolienne est une source d’énergie renouvelable mature en pleine expansion qui inspire un avenir plus vert et durable. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la capacité éolienne mondiale a augmenté de près de 225 % entre 2010 et 2020, passant de 198 GW à 733 GW. Les parcs éoliens terrestres et marins sont devenus un élément clé du paysage énergétique mondial, avec des pays comme la Chine, les États-Unis et l’Allemagne en tête en matière de capacité installée.
Néanmoins, elle est face à plusieurs problèmes spécifiques: la difficulté du démantèlement (qui suppose des provisions élevées ou un risque de disparition des structures en fin d’exploitation), l’action mécanique des pales éoliennes, qui mettent en danger les oiseaux environnants. Leur exploitation et leur maintenance est également un challenge, que de plus en plus de projets aident à relever.
Éolien terrestre
Les principaux problèmes de l’éolien terrestre tiennent à leur occupation spatiale. Tout d’abord, l’implantation des parcs éoliens peut susciter des préoccupations locales liées à l’esthétique du paysage et à la dégradation visuelle. De plus, les éoliennes peuvent engendrer des nuisances sonores pour les résidents des zones avoisinantes. Ensuite les grandes étendues nécessaires peuvent entraîner des conflits d’utilisation des sols avec d’autres activités humaines, telles que l’agriculture ou l’habitation.
Éolien marin
L’éolien marin est moins concerné par les problèmes de voisinage et d’occupation des sols: personne n’utilise les espaces où elles s’implantent. Il reste un problème esthétique pour les populations côtières, mais il est moins aigu que pour l’éolien terrestre, qui peut vraiment impacter la vie locale. La principale difficulté pour l’éolien marin … c’est la mer. En effet, il faut réussir à bâtir ces immenses structures, les rendre opérables et les raccorder au continent, ceci au milieu d’une gigantesque masse d’eau corrosive en mouvement constant.
L’énergie solaire
L’énergie solaire est une forme d’énergie renouvelable qui tire son énergie du rayonnement solaire. Il existe deux principales technologies pour exploiter l’énergie solaire : le solaire photovoltaïque et le solaire thermique.
Solaire photovoltaïque
Le solaire photovoltaïque consiste à convertir directement la lumière du soleil en électricité à l’aide de cellules photovoltaïques (PV), généralement fabriquées en silicium. Les photons du soleil frappent les cellules PV et génèrent une tension électrique, créant un courant continu (DC). Ce courant est ensuite converti en courant alternatif (AC) à l’aide d’un onduleur pour être utilisé dans le réseau électrique ou pour alimenter des dispositifs électriques.
Solaire thermique
Le solaire thermique, quant à lui, utilise l’énergie du soleil pour chauffer un fluide, généralement de l’eau ou un mélange d’eau et d’antigel, qui circule dans des tubes placés dans des collecteurs solaires thermiques. Cette chaleur peut ensuite être utilisée pour produire de l’eau chaude sanitaire, du chauffage ou même pour alimenter des centrales électriques à cycle de Rankine, où la chaleur est utilisée pour produire de la vapeur, qui entraîne une turbine et génère de l’électricité.
Solaire hybride
Le solaire hybride combine ces deux technologies, solaire et photovoltaïque, pour optimiser la production. En effet, les cellules photovoltaïques sont mieux refroidies et la chaleur captée est valorisée. En exploitant à la fois les aspects thermiques et électriques de l’énergie solaire, les systèmes hybrides peuvent offrir une meilleure performance et un meilleur rendement global, réduisant ainsi les coûts et l’impact environnemental.
L’énergie biomasse
Il est possible de produire de l’énergie à partir de biomasses: bois, résidus de culture, déchets ménagers organiques … Elles peuvent être transformées en énergie en étant brûlées, mais pas seulement. On peut les transformer en méthane par méthanisation ou en gaz de synthèse, riche en hydrogène, par pyrogazéification (site sur l’hydrogène). Les principales sources de biomasses sont le bois, les biogaz et les biocarburants.
Ces matières ont absorbé, pour grandir, du CO2, qu’elles vont relâcher en étant brûlées. Le bilan carbone est donc globalement neutre, sauf si leur production et leur transport génère trop de carbone. Il est aussi possible qu’on réussisse à capter le carbone relâché par la transformation de la biomasse en énergie, par exemple avec de la capture de carbone ou, dans le cas de la pyrogazéification, la solidification du carbone sous forme de biochar. La biomasse devient alors un puit de carbone.
Le principal challenge de la biomasse est l’étendue nécessaire: il faut exploiter d’immenses surfaces pour générer assez de biomasse pour produire de l’énergie. Il faut aussi avoir la rentabilité financière pour l’exploiter, ce qui n’est pas toujours acquis.
L’énergie hydraulique
C’est aujourd’hui la majeure partie de l’énergie renouvelable au monde : l’énergie hydraulique ou hydroélectricité. La quasi-totalité de cette énergie vient des barrages hydrauliques, qui gardent l’énergie gravitaire de l’eau et la mobilisent selon les besoins. Néanmoins, il y a de nouvelles pistes qui sont développées, notamment pour capter l’énergie de la mer: la houle, la marée et l’énergie osmotique.
Énergie gravitaire
L’énergie hydraulique gravitaire, généralement exploitée à travers des barrages hydroélectriques, est une source d’énergie renouvelable qui tire parti de la force de l’eau en mouvement pour produire de l’électricité. Le principe de fonctionnement repose sur la conversion de l’énergie potentielle de l’eau retenue dans un réservoir en énergie cinétique, lorsqu’elle est libérée et s’écoule à travers des turbines. Ces turbines sont couplées à des générateurs qui transforment l’énergie mécanique en électricité. Les barrages hydrauliques sont une solution éprouvée et fiable pour la production d’énergie à grande échelle, offrant une gestion flexible de la production d’électricité en fonction des besoins. Plus mineur, mais tout de même notable: l’hydroélectricité au fil de l’eau est une forme d’énergie renouvelable qui exploite l’énergie cinétique des cours d’eau pour produire de l’électricité. Le débit du cours d’eau détermine le potentiel de production d’énergie, qui peut être calculé en utilisant la hauteur de chute d’eau et le débit.
Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) pour leur part sont des systèmes de stockage et, s’ils produisent effectivement de l’hydroélectricité par énergie gravitaire, il s’agit d’une énergie qui a été auparavant stockée en consommant de l’électricité, avec une pompe. C’est donc un système de stockage et non de production.
Énergie houlomotrice
L’énergie houlomotrice est une forme d’énergie renouvelable qui tire parti de la puissance des vagues pour produire de l’électricité. Cette technologie exploite l’énergie cinétique des mouvements de la surface de l’océan, engendrée par les interactions entre le vent et l’eau. Différents dispositifs houlomoteurs ont été développés pour capturer cette énergie, tels que les colonnes d’eau oscillantes, les absorbeurs ponctuels ou les atténuateurs. En général, ces dispositifs sont installés en mer, près des côtes ou en eaux profondes, et sont connectés au réseau électrique terrestre via des câbles sous-marins. L’énergie houlomotrice offre un potentiel significatif en matière de production d’énergie propre et durable, avec un faible impact visuel et environnemental. Toutefois, elle est encore à un stade de développement relativement précoce et fait face à des défis technologiques, économiques et réglementaires.
Énergie marémotrice
L’énergie marémotrice capte l’énergie des marées pour générer de l’électricité. Elle utilise la force gravitationnelle entre la Terre, la Lune et le Soleil, créant des mouvements d’eau prévisibles. Les usines marémotrices, avec des barrages à marée, exploitent ces mouvements en retenant l’eau dans des bassins puis en laissant s’écouler à travers des turbines, produisant ainsi de l’électricité. Cette source d’énergie est prévisible, stable et fiable, mais présente des défis environnementaux et des coûts initiaux élevés. En effet, la construction de barrages à marée et d’autres infrastructures peut altérer les courants marins, les niveaux de sédimentation et, globalement, perturber les équilibres écologiques existants. En outre, elle n’est pas viable commercialement.
Énergie osmotique
L’énergie osmotique, également appelée énergie du gradient de pression salin, est une forme d’énergie renouvelable qui exploite le potentiel énergétique entre l’eau douce et l’eau salée. Ce procédé utilise une membrane semi-perméable qui permet le passage de l’eau, mais pas des ions de sel. Lorsque l’eau douce et l’eau salée sont séparées par cette membrane, l’eau douce migre naturellement vers l’eau salée pour équilibrer la concentration en sel de part et d’autre. Ce flux d’eau à travers la membrane génère une pression osmotique qui peut être convertie en énergie mécanique, puis en électricité à l’aide de turbines.
L’énergie osmotique offre un potentiel intéressant en termes de production d’énergie propre et durable, en particulier dans les zones où les rivières rencontrent les océans. Toutefois, cette technologie en est encore à ses débuts et doit surmonter des défis en matière de coût, d’efficacité et de durabilité des membranes pour devenir économiquement viable et compétitive sur le marché de l’énergie.
L’énergie géothermique
L’énergie géothermique est une source d’énergie renouvelable qui exploite la chaleur provenant de l’intérieur de la Terre. Elle repose sur l’extraction de la chaleur stockée dans les réservoirs géothermiques, généralement situés à proximité de zones d’activité tectonique ou volcanique. Les fluides chauds, tels que l’eau ou la vapeur, sont extraits des puits forés et utilisés pour produire de l’électricité ou pour des applications de chauffage direct.
Pour la production d’électricité, la vapeur géothermique alimente des turbines qui entraînent des générateurs. Les systèmes géothermiques peuvent être de type à vapeur sèche, à vapeur humide ou binaire, selon la température et la nature des fluides extraits.
L’énergie géothermique présente des avantages tels que la disponibilité continue, la faible émission de gaz à effet de serre et la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles. Cependant, elle est limitée par sa distribution géographique et peut présenter des défis environnementaux, tels que la consommation d’eau, les émissions de gaz non condensables et l’induction de microséismes lors de la fracturation hydraulique.
L’intermittence: le grand challenge des énergies renouvelables
L’intermittence des énergies renouvelables, telles que l’énergie solaire et éolienne, est un problème majeur car leur production d’électricité dépend des conditions météorologiques et de l’heure de la journée. Cette variabilité engendre des défis pour l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité sur le réseau, rendant difficile la garantie d’une alimentation électrique stable et fiable en tout temps.
Pour surmonter ce problème, diverses solutions sont étudiées, telles que le stockage d’énergie, la gestion de la demande, l’interconnexion des réseaux et l’intégration de sources d’énergie complémentaires. Le stockage d’énergie, par exemple avec des batteries ou des systèmes de stockage par pompage-turbinage, permet de stocker l’électricité excédentaire pour une utilisation ultérieure. La gestion de la demande vise à adapter la consommation d’énergie