Énergies renouvelables

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Introduction aux énergies renouvelables.

  1. Hydroelectricité
    1. Barrages hydroélectriques
    2. Barrage des trois gorges
    3. Usines marémotrices
    4. Energie maréthermique
    5. Energie hydrolienne
  2. Biomasse
    1. Production mondiale
    2. Biocarburants
  3. Eolien
  4. Solaire
  5. Géothermie


Hydroélectricité :

L’hydroélectricité est la quatrième énergie utilisée dans le monde. Elle couvre 16% de la production d’électricité mondiale.

Les barrages hydroélectriques :

Ils existent sous deux formes :

- les centrales dites gravitaires pour lesquelles les apports d’eau dans la réserve sont uniquement gravitaires,
- les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) aussi connues sous l’appellation centrales hydrauliques à réserve pompée, pour lesquelles un dispositif artificiel permet de pomper l’eau d’un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Celles-ci comprennent d’ailleurs fréquemment une partie gravitaire.

Principe de l’énergie hydroélectrique :

L’énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l’énergie hydraulique des différents flux d’eau (fleuves, rivières, chutes d’eau, courants marins, etc.). L’énergie cinétique du courant d’eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.

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Ces centrales possèdent deux bassins, un bassin supérieur et un bassin inférieur entre lesquels est placée une machine hydroélectrique réversible : la partie hydraulique peut fonctionner aussi bien en pompe, qu’en turbine et la partie électrique aussi bien en moteur qu’en alternateur (machine synchrone). En mode accumulation la machine utilise le courant fourni pour remonter l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et en mode production la machine convertit l’énergie potentielle gravitationnelle de l’eau en électricité.

La Turquie, le Brésil et l’Asie du sud-est sont les principaux producteurs d’électricité via système hydroélectrique.

Je prendrai pour exemple le célèbre barrage des trois gorges en Chine.

Barrage des trois gorges :

Le bassin hydrographique du Yang-Tse-Jiang occupe près de 20% du territoire de la Chine.

bassin hydrographique hydrographic basin

Le barrage des trois gorge commença sa construction en 1993. Il a trois fonctions. Réguler le cours du fleuve contre les inondations, produire de l’énergie, permettre une navigation plus régulière entre Shangaï et Chong Qing.

Les trois gorges sur le Yang-Tse se nomment Gutang, Wu et Xiling.

A lui seul, le bassin du Yang-Tse concentre la moitié du potentiel hydroélectrique chinois.

Le barrage fait 2,5 kilomètres de long et est haut de 185 mètres.

Il est constitué d’écluses pour le franchir et de centrales électriques en aval. Le barrage est associé à deux centrales hydroélectriques, l’une sur la rive droite du fleuve avec 12 turbo alternateurs, et l’autre, sur la rive gauche avec 14 turbo alternateurs. Chacune des turbines développe une puissance de 700MegaWatt, soit l’équivalent de 20 centrales nucléaires.

En 2015, les centrales fourniront environ 10% de la consommation globale chinoise d’électricité, ce qui devrait remplacer la combustion annuelle équivalente de 50 millions de tonnes de charbon dans les centrales thermiques.

De plus, le barrage permet d’accueillir des navires au tonnage supérieur à 3 000 tonnes ; pouvant aller jusqu’à 10 000 tonnes.

Le Yang-Tse es ses affluents représentent 80% du potentiel navigable chinois ; c’est une artère centrale jalonnée de ports, qui écoulent 30% du tonnage fluvial transporté chaque année en Chine.

Ces barrages constituent le plus important ascenseur à navires au monde (capacité de navire de 10 000 tonnes).

En 2003, il y avait plus de 1600 barrages en construction dans le monde.

Puis il existe les usines marémotrices au sens large :

- les usines marémotrices au sens large qui utilisent l’énergie du mouvement des mers, qu’il s’agisse du flux alterné des marées (marémotrice au sens strict), des courants marins permanents (hydroliennes au sens strict) ou du mouvement des vagues.

L’énergie cinétique des marées :

L’eau des mers et des océans peut être utilisée pour produire de l’électricité.

Deux méthodes peuvent être utilisées :

- marémotrice, où c’est l’énergie des marées qui est utilisée
- maréthermique, où c’est les différences de températures de l’eau à différentes profondeurs qui est utilisée.

Les usines marémotrices :

L’énergie marémotrice est issue des mouvements de l’eau créée par les marées, causées par l’effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est utilisée soit sous forme d’énergie potentielle (soit par l’élévation du niveau de la mer, soit sous forme d’énergie cinétique) les courants de marée.

energie maremotrice tidal power mecanism

Comme nous le savons, le phénomène de marée est dû au différentiel de temps de rotation entre la Terre (24 heures) et la Lune (28 jours) qui est donc relativement fixe par rapport à celle-ci. Il s’ensuit que le globe terrestre tourne à l’intérieur d’un globe d’eau de mer allongé dans les deux sens par l’attraction lunaire. On peut utiliser cette énergie de rotation, ce qui a pour effet (dans des proportions infimes, bien que définitives) de ralentir la Terre et d’éloigner la Lune pour des raisons de conservation du moment cinétique de l’ensemble.

Pour faire simple, l’énergie dite marémotrice constitue donc une récupération de l’énergie cinétique de rotation de la Terre.

L’ordre de grandeur de l’énergie naturellement dissipée annuellement par les marées est évalué à 22 000 TWh soit l’équivalent de la combustion de moins de 2 Gtep. Ce chiffre est à comparer à la consommation d’énergie de l’humanité, de l’ordre de 10 Gtep.

Seule une fraction de cette énergie étant récupérable, l’énergie marémotrice ne pourra contribuer pour l’avenir que pour une faible part à la satisfaction des besoins mondiaux.

Les experts économiques remettent en cause le coût associé à ce genre de production. Le coût estimé de l’électricité produite par ces centrales est prévu entre 4,7 et 12 pence par kWh, ce qui est plus cher que l’énergie nucléaire ou éolienne.

Energie Maréthermique :

L’énergie thermique des mers (ETM) ou énergie maréthermique (ou encore Ocean thermal energy conversion – OTEC) est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans.

A la surface, grâce à l’énergie solaire, la température de l’eau est élevée (elle peut dépasser les 25 °C en zone intertropicale) et en profondeur, privée du rayonnement solaire, l’eau est froide (aux alentours de 2 à 4 °C). Les couches froides ne se mélangent pas aux couches chaudes. En effet, la densité volumique de l’eau s’accroît lorsque la température diminue ; ce qui empêche les eaux profondes de se mélanger et de se réchauffer. Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d’une source froide et d’une source chaude pour produire de l’énergie.

energie marethermique ocean thermal energy

Cette énergie n’est exploitable que dans les zones intertropicales ; ailleurs, la différence de température entre la surface et le fond est insuffisante pour obtenir un rendement suffisant, et donc une puissance suffisante pour pomper l’eau froide à grande profondeur et alimenter une machine thermique. Ces installations ne sont donc possibles que dans une zone allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne, c’est-à-dire entre 30 et -30° de latitude.

L’E.T.M. (Energie Thermique des Mers) produit de l’énergie grâce à un fluide de travail (eau de mer, ammoniac (NH3) ou un autre fluide dont le point de condensation est proche de 4 °C). Ce fluide passe de l’état liquide à l’état vapeur dans l’évaporateur, au contact de l’eau chaude puisée en surface. La pression produite par la vapeur passe dans un turbo-générateur pour faire tourner une turbine et produire de l’électricité, après que le gaz ait perdu de la pression, il passe dans un condenseur pour retourner à l’état liquide, au contact de l’eau froide puisée en profondeur.

L’E.T.M. fonctionne avec un différentiel de températures de l’ordre de 20 °C. Plus le différentiel de température est élevé, plus la production est élevée. En descendant en profondeur on puise de l’eau plus froide et la production à iso-volume augmente.

Le rendement théorique maximum est bien pauvre comparé au rendement classique de machines thermiques (40% pour une turbine a gaz naturel). De plus ce dernier ne prend pas en compte le travail nécessaire pour pomper les eaux des profondeurs.

Le rendement varie en fonction de la puissance de l’usine : plus elle est puissante, meilleur est le rendement, et cela dépend aussi du cycle utilisé. Le rendement sera maximum pour une différence de température maximum entre la surface et la profondeur.

Je prendrai pour exemple l’organisation du NELHA, installée à Hawaï. Le NELHA possède un immense site qui est doté de 3 types de canalisations : une canalisation de surface et deux de profondeur. En ce qui concerne les canalisations en surface, elles se trouvent dans un périmètre de 180 mètres aux larges des côtes, à une profondeur de 13,5 mètres. Elles sont posées à une distance précise du sol marin afin que le sable, les coraux et la vie aquatique ne soient pas aspirés. Ici, leurs canalisations ont été mises à 13,5 mètres du fond.

Pour ce qui est des canalisations en profondeur, deux existent, l’une récente et une ancienne. L’ancienne canalisation pompait une eau à 6 °C, à une profondeur de 600 mètres. Or, de nos jours, L’E.T.M. d’Hawaï puise à 900 mètres de profondeur, pour obtenir une eau de 4 °C, par l’intermédiaire de 55 tuyaux assemblés.

L’énergie Hydrolienne :

Une hydrolienne est une turbine sous-marine (ou subaquatique, ou posée sur l’eau et à demi-immergée) qui utilise l’énergie cinétique des courants marins ou de cours d’eau, comme une éolienne utilise l’énergie cinétique de l’air.

La turbine de l’hydrolienne permet la transformation de l’énergie hydraulique en énergie mécanique, qui est alors transformée en énergie électrique par un alternateur.

marine current turbine power energie hydrolienne

Les avantages de l’énergie hydrolienne sont qu’elles sont beaucoup plus petites que les éoliennes pour une même puissance ; cela étant dû à la masse volumique de l’eau (environ 800 fois supérieure à celle de l’air). De plus, les courants marins sont prévisibles, on peut donc estimer avec précision la production d’électricité. Les potentiels des courants marins sont très importants, la compagnie Française EDF estime que 3 GW (soit environ 2 réacteurs nucléaires de type EPR) peuvent être installés à proximité des côtes françaises. L’hydrolienne utilise une énergie renouvelable (le courant marin) et elle ne pollue pas, en termes de déchets issus de combustion tels que CO2 ou de déchets radioactifs. Cependant, ces installations coûtent très cher en installation et en maintenance.

Le potentiel européen de l’énergie hydrolienne est estimé à environ 12,5 GW qui pourraient produire 48 TWh annuels, ce qui représente la capacité de trois centrales électriques récentes.

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Biomasse :

La biomasse est la sixième énergie utilisée dans le monde, derrière le nucléaire.

Production mondiale :

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Production d’éther :

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Production d’éthanol :

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Biocarburants : l’alternative

L’étymologie de biocarburant vient du grec, “bio” signifiant la vie, le vivant, et “carbo” signifiant en latin, le charbon. Ainsi, les bio-carburants proviennent de la biomasse, donc d’origine végétale. On fabrique donc, par des procédés chimiques, des carburants à partir de matériaux organiques.

Deux principales filières sont actuellement utilisées :

- L’éthanol : il est obtenu à partir des plantes sucrières, telle la canne-à-sucre ou la betterave, ou de l’amidon que l’on extrait du blé, du seigle, de la pomme de terre et surtout du maïs ; ou bien encore à partir des matières cellulosiques (des extraits de débris végétaux ou du bois). Après fermentation, on obtient de l’éthanol, qui peut ‘eatre utilisé pur ou bien mélangé dans des proportions variables à de l’essence normale.

- Le bio diesel : il est obtenu à partir de l’huile contenue dans les plantes, telles le tournesol, le colza, le soja, mais surtout du fruit du palmier dont on extrait l’huile de palme. L’huile obtenue est transformée chimiquement avec des alcools et peut ensuite être utilisée pure ou bien mélangée avec du gazole traditionnel. Cela donne alors du bio-diesel, appelé aussi diester (en France), un carburant biodégradable et non-toxique.

Depuis quelques années, la production mondiale de biocarburant connait une croissance considérable (de l’ordre de 15% par an depuis 2002).

biocarburant croissance biodiesel growth

Les pays producteurs :

Etats-Unis

Les Etats-Unis sont les premiers producteurs mondiaux d’éthanol, fabriqué surtout dans ce premier surtout à partir du maïs (produit dans la “corn belt” dans le mid-west). Environ 150 raffineries transforment le maïs en éthanol aux Etats-Unis.

raffinerie ethanol USA refinery

Le pays à mis en route l’American Clean Energy and Security act (ACES) en 2009, visant à promouvoir l’utilisation des agro-carburants ; un plan similaire à l’European Union Emission trading Scheme (EU ETS). Dès lors, la production d’agro-carburant ne cesse de croître aux Etats-Unis (12 Milliards de gallons en 2010). Malgré ces efforts, les bio-carburants ne représentent que 1,5% de l’énergie utilisée dans les transports routiers.

Europe

L’Europe, quant à elle, est placée en 3ème position (Etats-Unis en premier, Brésil en second) ; et elle est en 1ère position si on considère la seule production du bio-diesel (notamment grâce à l’Allemagne et la France). L’Europe a ainsi connu un réel saut de production d’agro-carburant entre 2004 et 2006.

production agrocarburant europe agrofuel consumption

En effet, le Parlement Européen a voté un calendrier prévoyant l’incorporation de carburant propre dans le transport dans la proportion de 5,75% en 2010, 8% en 2015 et 10% en 2020, comme nous pouvons le constater dans le schéma ci-dessous.

consommation europe carburant propre consumption biofuel

Il faut savoir qu’en 2009, la moyenne Européenne est de 2% (les proportion varie beaucoup selon les états). Sachons somme toute que, dès 2007, l’Allemagne était le premier producteur mondial de bio-diesel, et la France le 2ème. L’Angleterre et la Suède sont quant à eux consommateurs d’agro-carburants mais très peu producteurs. Ils sont donc ainsi importateurs. Il faut savoir aussi que le gouvernement Européen a mis en place une politique fiscale fort avantageuse envers les biocarburants afin de les développer au maximum en Europe. Par exemple, en Suède, la généralisation de l’essence E85 dans les stations-services est passée de 150 stations en 2006 à 1000 en 2008 et les voitures à poly-carburants (dites flex-fioul) y sont défiscalisées et l’assurance est moins chère (sauf que la Suède doit importer 75% de sa consommation d’éthanol).

En résumé, il a un effort de la part de plus en plus d’états afin de sortir de la dépendance des énergies fossiles. Ceci ayant pour but de limiter les gaz a effet de serre. En effet, avec de l’éthanol on réduit de 60% les émissions de gaz à effet de serre pour un litre d’essence.

Cependant, n’oublions pas de préciser que, pour fabriquer (dans les distilleries) ces biocarburants, il faut de l’énergie (en l’occurrence du gaz, pour l’éthanol) ; et bien évidemment celle-ci dégage du CO2. Cela est évidemment paradoxal, puisque c’est précisément ce que l’on cherche à éviter. A noter aussi que la transformation du maïs demande une grande quantité d’herbicides et de fertilisants azotés, ce qui à terme entraîne une forte pollution des sols. Ainsi, la production d’agro-carburants a un impact sur la production alimentaire par l’affectation des récoltes. Ce conflit est d’autant plus net que le prix des céréales utilisées à la production des agro-carburants est indexé au prix du pétrole.

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Cette problématique reflète le fait que les agriculteurs font plus de profits à cultiver leurs champs pour en faire des bio-carburants que pour en faire des denrées alimentaires.

Toutes ces problématiques ont poussé à créer de nouveaux types de bio-carburants : à partir du bois, de la paille, des résidus forestiers ; tout cela donnant ce que l’on appelle de l’éthanol cellulosique.

Puis enfin, il y a des compagnies pétrolières, à l’image de la British Petroleum (BP) qui fait des recherches de bio-carburants produits à partir de micro-algues.


Eolien :

L’éolien est la septième énergie utilisée dans le monde. Elle représente 0,5% de l’électricité mondiale.

En 2008, l’Europe reste le premier producteur (surtout grâce à l’Allemagne et l’Espagne).

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Le rendement des éoliennes a doublé en 20 ans.

En 2050, le parc éolien sera multiplié de 10 à 50 fois. Cette énergie est de plus en plus utilisée.


Solaire :

Le solaire est la huitième énergie utilisée dans le monde. L’énergie solaire représente 0,1% de l’électricité mondiale.

Le parc de panneaux photovoltaïques était de142 millions de mètres carrés dans le monde en 2006.

En Europe, de 2006 à 2008, il est passé de 19 à 26 millions de mètres carrés. En Europe l’Allemagne est le pays ayant le plus misé sur cette nouvelle énergie, mais à l’échelle mondiale, la Chine est très loin devant tout le monde.

production mondiale photovoltaique solaire monde

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Géothermie :

La géothermie est la neuvième énergie utilisée dans le monde avec une consommation totale de 1%.

En 2007, la production mondiale reste marginale : 8,5 millions de mégawatts heure.

Les principaux pays producteurs sont les Etats Unis, le Mexique et l’Indonésie. Puis l’Italie, le Japon et la Nouvelle-Zélande. Et enfin, l’Islande, l’Australie et la Corée du Sud. Ces pays exploitent une ressource présente partout sur la planète.

production mondiale panneau photovoltaique solaire monde

Celle-ci est surtout présente aux USA, au Groenland, en Chine et au Japon, ou elle représente plus de 4000 MWh. Puis la Norvège, la France, la Russie, le Mexique, entre-autres, qui disposent de ressources de plus de 1000MWh. Et enfin, l’Australie, le Brésil, l’Espagne, l’Inde ou encore le Royaume-Uni, et d’autres qui exploitent une ressource n’excédent pas 100MWh.

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