Les énergies renouvelables (ENR), l’avenir du stockage de l’énergie
Produire de l’électricité de manière infinie est possible grâce aux énergies renouvelables (ENR). C’est devenu aujourd’hui un enjeu majeur. Mais comment utiliser le soleil, l’eau ou encore le vent pour générer de l’énergie de manière stable ? Voici quelques explications pour mieux comprendre comment les énergies renouvelables sont l’avenir de l’électricité et de la transition énergétique de notre pays, mais en sachant les stocker pour mieux les utiliser.
Quelles sont les sources d’énergies renouvelables ?
Pendant longtemps, l’homme a utilisé ce que l’on appelle des énergies « stock ». Il s’agit de gisements de combustibles fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz ou encore l’uranium. Non seulement ces matières premières ne sont pas inépuisables mais leur utilisation génère de la pollution, à l’inverse des énergies de « flux ».
Les énergies renouvelables (ENR) sont au nombre de 5. Elles ont toutes en commun d’utiliser des ressources inépuisables et de ne générer que très peu de pollution. Elles connaissent toutes une attention particulière des Français et un développement intéressant. Elles sont sources de beaucoup d’espoir pour la production énergétique de notre pays.
L’énergie éolienne : la force du vent
L’énergie éolienne est due en partie à l’énergie solaire. En effet, le vent apparaît sous l’effet des différences de températures et de pression. Mais pour transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique, elle-même convertie en électricité, on a besoin d’une éolienne.
Comment fonctionne une éolienne ?
C’est grâce à la force exercée par le vent sur les pales de l’hélice qu’est produite l’énergie éolienne. Le rotor, qui est l’élément qui maintient les pales, tourne autour d’un axe horizontal. Il peut être constitué de deux ou trois pales dont le diamètre détermine la puissance de la production d’énergie. Lorsque les pales tournent, elles entraînent un générateur qui produit de l’électricité. Ce dispositif comprend la plupart du temps, un multiplicateur entre l’hélice et le générateur électrique. Le système fonctionne en faisant en sorte que l’hélice soit toujours face au vent qui doit souffler entre 10 et 90 km/h.
Le rotor, l’hélice et le multiplicateur constituent la nacelle qui est installée en haut d’un mat. Il mesure entre 50 et 100 mètres de haut.
L’électricité produite par le générateur est acheminée par des câbles jusqu’au transformateur.
Les éoliennes terrestres et les éoliennes off-shore
Les premières éoliennes implantées en France pour produire de l’électricité, datent des années 1970. Il s’agissait de parc d’éoliennes terrestres. On parle aussi de ferme d’éoliennes.
À côté des parcs d’éoliennes terrestres, se développent les éoliennes off-shore. Elles sont installées en mer où les vents sont plus constants et aussi plus forts.
Elles peuvent être posées ou flottantes, même si cette dernière solution est plus coûteuse.
Avantages et limites de l’énergie éolienne
Les éoliennes produisent de l’énergie avec une ressource qui est inépuisable et un faible impact sur l’environnement, sans gaz à effet de serre.
Malgré cela, l’implantation des éoliennes est soumise à des contraintes techniques et sociétales. En effet, l’installation des parcs d’éoliennes est en général mal accueillie par les habitants et suscite souvent des recours concernant les nuisances visuelles et sonores. La puissance maximale dépasse rarement les 3 à 4 MW pour les éoliennes terrestres.
Les éoliennes off-shore peuvent fournir le double d’énergie et cela peut être problématique pour l’intégrer au réseau électrique.
Le stockage d’électricité pourrait être un moyen pour assurer la continuité de distribution de cette énergie à production intermittente. Cela assure un avantage non négligeable à l’énergie éolienne qui pourrait continuer son essor avec ce nouvel argument.
L’eau fournit de l’énergie hydraulique
C’est la source d’énergie renouvelable la plus importante en France. L’hydroélectricité est exploitée depuis la fin du XIXème siècle, grâce à des centrales hydrauliques. Utiliser la force de l’eau est une technique connue depuis le début de l’électricité avec les moulins à eau. Les centrales hydrauliques sont conçues sur le même concept avec une turbine et un générateur électrique.
Avantages et limites de l’énergie hydraulique
Il existe plus de 2500 centrales hydroélectriques de toutes tailles, sur l’ensemble du pays. C’est une technologie connue, qui est largement maîtrisée. Elle présente aussi l’avantage de ne pas émettre de gaz à effet de serre, tout en produisant une grande quantité d’électricité. Sa gestion est aussi beaucoup plus flexible que les autres. Il n’est pas nécessaire d’attendre le soleil ou le vent pour produire de l’électricité de manière très sécurisée.
Mais il existe bien sûr des limites à la production hydraulique. Le premier est évident, c’est le coût de l’investissement : il est très important.
Ce qui n’est pas négligeable non plus, ce sont les impacts environnementaux des centrales hydrauliques. La construction perturbe l’ensemble de l’écosystème aux environs du barrage, sans oublier les réseaux de lignes électriques qui sont à proximité. D’ailleurs, le nombre de sites n’évolue plus car les conditions particulières pour installer une centrale sont très spécifiques. Il ne reste beaucoup de possibilités sur le territoire français.
Enfin, les aléas climatiques peuvent aussi perturber les performances de la production d’énergie hydraulique. La sécheresse n’est pas à négliger, surtout ces dernières années où on remarque les changements climatiques plus nombreux. Le stockage de l’électricité d’origine hydraulique permet de pallier la baisse de production.
L’énergie photovoltaïque grâce au soleil
C’est Alexandre Edmond Becquerel qui a découvert l’effet photoélectrique en 1839. Ce phénomène physique permet de transformer directement le rayonnement en électricité, sans utilisation intermédiaire de chaleur, par exemple. Ces sources énergétiques ont connu un grand développement dans plusieurs pays.
Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques utilisent l’effet photoélectrique pour produire du courant par absorption du rayonnement solaire. Les propriétés des semi-conducteurs, percutés par les photos de la lumière mettent en mouvement un flux d’électrons. Les différentes couches de silicium permettent de créer un champ électrique. Il faut noter que le silicium est un élément très facile à trouver : c’est même celui qui est le plus abondant après l’oxygène ! C’est là aussi une source presqu’inépuisable.
Le rendement des cellules photovoltaïques, la limite de l’énergie solaire
Pour calculer la quantité d’énergie produite par la cellule, il faut prendre en compte le rendement, le niveau d’ensoleillement moyen de la région sur un an et les conditions d’installation des cellules. Ainsi l’énergie solaire incidente est de 1MWh/m2/an en région parisienne, elle passe à 1.7 dans le sud de la France pour atteindre 3 dans le désert du Sahara.
L’implantation des parcs photovoltaïques est déterminante pour la rentabilité de la production d’énergie. Toutes les régions qui ne connaissent pas un ensoleillement constant et important ne sont pas des candidates à l’énergie solaire. Sa productivité est aussi réduite et les panneaux ont une longueur de vie réduite à 25 ans.
Mais cela reste tout de même une source d’énergie renouvelable qui va continuer à prendre de l’importance, surtout si on peut la stocker pour l’utiliser quand on en a besoin. Elle ne pourra pas concurrencer pour l’instant la production d’énergie nucléaire, mais la transition énergétique est bien présente en France. Les prix peuvent être adaptés pour une consommation destinée au grand public.
La biomasse, l’énergie biologique
C’est certainement une des sources énergétiques les moins connues du grand public et pourtant beaucoup de Français ont adopté le composteur dans leur jardin ou sur leur balcon.
L’énergie provient des matériaux biologiques : il s’agit des déchets ménagers ou encore des déchets agricoles. Ils sont brûlés et l’on parle de biomasse par combustion. Et c’est la forme de production d’énergie la plus ancienne puisqu’elle remonte à l’invention du feu !
L’autre solution qui connaît un grand développement est la biomasse par méthanisation : la fermentation des déchets organique produit un gaz qui n’est pas éloigné du gaz naturel. Ce biogaz est composé essentiellement de méthane. Il est constitué à partir de déchets ménagers, de fumier ou encore des boues de stations d’épuration.
Le biogaz, en développement pour la production énergétique
La filière du biogaz contribue aux objectifs de la transition énergétique en ajoutant un élément qui n’est pas toujours présent : l’économie circulaire. En effet c’est la valorisation des déchets issue de la méthanisation dans l’agriculture. On parle des digestats.
Fin 2016, ce sont plus de 450 installations qui produisent de l’électricité à partir du biogaz. Mais les perspectives sont intéressantes puisqu’on estime que le gisement global à 2030 pour la méthanisation est de 130 millions de tonnes de matière brute, composée à 90% de matières agricoles.
Les objectifs de cette filière sont en accord avec le plan d’action national en faveur des énergies renouvelables (ENR) de 2009. Il est aussi intéressant de pouvoir stocker cette énergie pour bénéficier de la biomasse de manière continue.
La géothermie ? Le pouvoir du sol
La dernière des énergies renouvelables permet de produire différents types d’énergie en fonction de la température de la chaleur puisée dans le sous-sol. L’eau chaude est valorisée pour les installations de chauffage ou de la climatisation pour les maisons individuelles mais aussi pour les bâtiments. Il est aussi possible de produire de l’électricité.
C’est bien sûr une énergie renouvelable, à faible émission de gaz à effet de serre (GES).
Il existe différents type de géothermie et de la valorisation de la chaleur géothermique.
La géothermie superficielle est aussi appelée géothermie très basse température ou très basse énergie. Dans ce cas, la chaleur du sol qui est exploitée ne se trouve qu’à 200 mètres de profondeur. La température est inférieure à 30 degrés.
Pour la géothermie à basse température ou basse énergie, les gisements d’eau exploités sont situés à une profondeur de quelques centaines de mètres à environ 2000 mètres. La température monte jusqu’à 90 degrés.
Enfin la géothermie haute température que l’on appelle aussi haute enthalpie, concerne des températures supérieures à 150 degrés. Il faut dans ce cas, pour une telle production, forer à plus de 1 500 mètres de profondeur.
Une source d’énergie renouvelable encore marginale
Les investissements pour une installation géothermique ainsi que la durée d’amortissement sont très élevés. Les projets doivent être bien étudiés et surtout obtenir le soutien du Fonds chaleur (Ademe) et du Fonds de Garantie géothermie pour les aquifères profonds. Il faut veiller à ce que les prix de production puissent être adaptés pour une consommation du grand public.
D’autres dispositifs existent tant les contraintes sont nombreuses et les risques élevés. Mais la volonté est d’aider les projets qui se présentent pour utiliser cette ressource qui existe de manière inépuisable. Et bien sûr le stockage de cette énergie est indispensable pour son développement.