Les énergies renouvelables

Avantages et défauts des énergies renouvelables

Pour rappel, une énergie est dite renouvelable lorsqu’elle provient de sources que la nature renouvelle en permanence, par opposition à une énergie non renouvelable dont les stocks s’épuisent.

En France, les énergies renouvelables représentent moins d’1/5 de la production électrique totale.

Nous décrirons les différents types d’énergies renouvelable utilisées en France afin d’en déterminer les avantages et les contraintes.

L’éolien

Une éolienne est composée de 4 éléments :
– Le mât
– L’hélice
– La nacelle qui contient l’alternateur producteur d’électricité
– Les lignes électriques qui évacuent et transportent l’énergie électrique (lorsqu’elles sont raccordées au réseau)

(Voir fonctionnement de l’éolienne, maquette)  

L’éolien fait partie des énergies « propres », sans émission de gaz ni pollution.

Son fonctionnement repose en effet sur la récupération de l’énergie cinétique du vent par des hélices ; celles-ci entraînent un générateur permettant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique.

Les éoliennes peuvent être installées soit sur terre soit sur mer (éolien offshore), profitants ainsi des vents marins d’une plus grande constance.

L’éolien représentait, en 2017, 4.5% de l’énergie électrique produite en France (source EDF).

La France, bien que n’étant que le 4^ème producteur européen d’énergie éolienne (source EDF) dispose du 1^er gisement d’éolien terrestre en Europe et du 2^ème gisement d’éolien terrestre et offshore après les îles Britanniques.

En 2050, l’énergie éolienne (terrestre et en mer) pourrait devenir la première source d’électricité en France, devant l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie hydraulique, de quoi nous permettre d’atteindre plus de 80 % d’électricité renouvelable (source ADEME)

Malgré des avantages évidents, l’utilisation des éoliennes n’est pas dénuée de contraintes.

On peut remarquer que les éoliennes ont un impact sur la mortalité chez les populations des oiseaux qui se prennent dans les pales mais également des chauves souris. L’une des hypothèses de leur mortalité serait le risque de barotraumatisme explique Hubert Lagrange, directeur de recherche chez Biotope, à l’initiative de Chirotech. “Ces petits mammifères de quelques grammes sont très sensibles aux variations de pressions : ils évitent l’éolienne mais leurs poumons explosent à cause de la zone de dépression créée par la pale”. Toutefois, on ne dénombre que quelques animaux par éolienne et par an. De plus, plusieurs dispositifs ont été développés pour la protection des espèces, notamment l’intégration des études d’impact sur l’avifaune dans les dossiers éoliens.

L’installation doit se faire hors des couloirs de migration ou des zones sensibles pour les oiseaux nicheurs, comme les zones de nidification. Il existe par ailleurs des systèmes de bridage des éoliennes en période de forte activité des chauves-souris (comme le système Chirotech par exemple).

Tous les parcs éoliens font l’objet d’un suivi régulier de la mortalité de ces espèces. Des travaux sont actuellement menés par l’ADEME en partenariat avec l’Union Internationale pour la Conservation de la Nature, la Ligue de Protection des Oiseaux et le Muséum National d’Histoire Naturelle pour réduire encore le taux de mortalité des oiseaux et des chauves-souris. (Source ADEME, l’éolien en 10 questions)

Si, pour fonctionner, une éolienne n’émet pas de gaz à effet de serre, elle utilise des matières premières et de l’énergie dans sa phase de construction et de mise en place physique, ce que les chercheurs appellent « l’énergie grise » (dépense énergétique totale pour l’élaboration d’un matériau, tout au long de son cycle de vie, de son extraction à son recyclage en passant par sa transformation, une énergie évaluée en kWh/tonne).

Le principal problème consiste dans l’utilisation des “terres rares”, un ensemble de métaux causant de graves dommages environnementaux par leur extraction. Mais les producteurs éoliens commencent à se tourner vers des alternatives à ces métaux.

De plus, l’éolien a un impact sur les paysages. En effet, les éoliennes ont une taille considérable et la présence d’une éolienne ou d’un parc d’éoliennes dans le paysage ne laisse jamais indifférent. C’est souvent l’argument premier des mouvements anti-éoliens qui se forment et qui déclenchent des débats lors de l’annonce de l’implantation d’un parc éolien. Pour s’affranchir de toute subjectivité, il faut considérer l’éolienne comme une nouvelle déclinaison du motif bâti, de très grande taille donc visible de loin. Cette échelle monumentale contraste avec l’échelle humaine des éléments courants du paysage.

L’impact visuel d’un parc éolien sur le paysage est lié à :

·         la taille des éoliennes
·         leur nombre
·         les conditions météorologiques
·         la distance entre l’observateur et les éoliennes
·         les obstacles visuels

Un projet éolien doit définir le meilleur parti d’aménagement en fonction des caractéristiques du lieu étudié pour contribuer à son acceptation.

Les éoliennes sont à l’origine de nuisances sonores, surtout dans les basses fréquences entre 20 Hz et 100 Hz. Ce bruit est dû à des vibrations mécaniques entre les composants de l’éolienne et au souffle du vent dans les pales. Bien qu’à 500 mètres de distance (distance minimale entre une éolienne et une habitation), il est généralement inférieur à 35 décibels, cela a un impact sur les populations : dès qu’un parc éolien est installé, les populations alentour désertent la zone pour aller s’installer ailleurs. Cela dit, depuis peu de temps, un nouveau système est installé au bout des pales pour réduire le bruit des éoliennes : il s’agit d’un élément en forme de peigne appelé « système de serration ». Il atténue les turbulences du vent à l’arrière des éoliennes, ce qui réduit le bruit aérodynamique.

Le solaire

l’utilisation du solaire a deux options : les panneaux photovoltaïques et les centrales solaires, qui appliquent 2 principes totalement différents:

• Panneaux photovoltaïques :

Certains matériaux semi-conducteurs comme le silicium possèdent la propriété de générer de l’électricité quand ils reçoivent la lumière du soleil : c’est l’effet photovoltaïque, découvert par Becquerel en 1839.

Il est mis en application dans les cellules photovoltaïques.

Les photons de la lumière solaire transfèrent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur. Ceux-ci se mettent en mouvement et créent un courant électrique.

Chaque cellule ne génère qu’une petite quantité d’électricité. Les panneaux photovoltaïques sont constitués d’un assemblage de cellules.

Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques :
–          les cellules à technologies cristalline (mono ou poly cristallines)
–          Les cellules en « couche mince » (silicium amorphe, CIGS, ….)
–          Les cellules à technologie organique

Le rendement d’une cellule photovoltaïque varie de 3 à 22 %

Les panneaux photovoltaïques sont composés pour l’essentiel de silicium, de verre et d’aluminium facilement recyclables.

Le silicium est le  2^ème élément le plus abondant de la croûte terrestre.

Le photovoltaïque ne génère que peu de nuisance sonore :
–          aucune pour les cellules photovoltaïques
–          très peu pour les onduleurs (dispositifs permettant de transformer le courant continu fourni par les cellules photovoltaïques en courant alternatif utilisable par les appareils électriques domestiques).

Le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque ne génère aucune nuisance pour l’environnement.  

Les panneaux photovoltaïque mettent en moyenne entre 1 et 3 ans pour produire autant d’énergie que celle nécessaire à leur production et ont une durée de vie d’au moins 25 ans.

Le photovoltaïque fournit 1.7% de l’électricité en France (source EDF. 2017)

La fabrication des panneaux peut être source de pollution :

• Au niveau de l’extraction des matériaux nécessaire à la fabrication notamment pour ceux utilisant des éléments toxiques comme l’indium ou le cadmium.
• Au niveau de leur fabrication. Si elle rejette polluants, vapeurs de solvants, poussières fines et gaz à effet de serre possède des moyens de traiter lesdits rejets: les polluants sont absorbés dans de l’eau ajustée en Ph lors du passage des vapeurs dans des tours de lavages. S’ensuit un traitement de l’eau classique. Les valeurs de solvants sont condensées et brûlées. Les gaz à effets de serres sont craqués à haute température (>1100°C) afin de les décomposer en éléments pouvant être traités dans une tour de lavage. Enfin, des filtres limites les rejets de poussières fines.
• Au niveau de leur recyclage, notamment pour les panneaux solaires en couche mince (utilisation d’éléments tels que l’indium, gallium, …)

• Le solaire thermique :

Si l’on peut directement transformer l’énergie lumineuse en énergie éléctrique, on peut également récupérer cette énergie sous forme de chaleur.

Cette chaleur récupérée peut être utilisée de 2 façons :

• directement pour le chauffage (exemple :  chauffe-eau solaire)
• pour produire de l’électricité dans une centrale thermique : la source de chaleur étant fournie par le soleil (exemple : centrale thermique solaire)

• Chauffe-eau solaire :

Dans le panneau solaire thermique, l’eau ou un liquide caloporteur chauffe sous l’action du soleil. Ce liquide part ensuite vers le chauffe-eau. Il traverse le chauffe-eau dans un serpentin et diffuse la chaleur qu’il a emmagasinée. Puis il remonte vers le panneau.

Ce système très simple et peu coûteux permet d’être installé dans n’importe quelle région ensoleillée.

Il ne peut en revanche être utilisé que de façon locale car, si l’on peut facilement transporter de l’électricité sur de  longue distance, cela se révèle nettement plus compliqué pour de l’eau chaude.

• Centrale thermique solaire

Au maroc, ou en californie, par exemple, le solaire a une très grande importance énergétique. En effet, leur énergie est produite essentiellement grâce à des centrales solaires, qui reprennent le principe des centrales nucléaires. Les centrales solaires sont placées essentiellement dans le désert.

Elles fonctionnent à l’aide d’un jeu de miroirs qui font converger la lumière en un certain point. La chaleur accumulée est très élevée, et est utilisée pour faire chauffer des sels à une température très élevée. Les sels conservant la chaleur, ils peuvent continuer à chauffer l’eau la nuit. Ainsi, l’eau est chauffée jour et nuit. Le principe de turbine reprends celui de la centrale nucléaire.

Hydraulique

L’utilisation de l’énergie hydraulique se fait par l’intermédiaire de barrages. Ceux-ci retiennent une grande quantité d’eau en amont, et forment alors un lac de retenue. Puis, des vannes sont ouvertes afin que l’eau s’écoule dans de long tuyaux métalliques, les conduites forcées. La force de l’eau fait alors tourner une turbine qui actionne à son tour un alternateur transformant l’énergie mécanique en énergie électrique, à l’image des éoliennes.

Un grand inconvénient des installations d’énergie hydraulique est leur impact sur l’environnement immédiat. Les poissons ne peuvent plus se déplacer au-delà du barrage, ce qui a des répercussions sérieuses sur le cycle de vie de certaines espèces comme le saumon. Cependant, de plus en plus de centrales hydrauliques ont recours à des “passes à poissons”, qui leurs permettent de franchir les obstacles créées par l’Homme.

Les fleuves sur lesquels des barrages sont construits changent également de caractère : le courant qui, jusque là, fluctuait fortement selon les saisons, est généralement plus uniforme. Ce qui influence la fertilité des terres en aval du barrage. Et une partie des terres en amont du barrage est immergée, ce qui réduit ainsi les surfaces cultivées ou habitées. Mais le développement des centrales hydraulique est de plus en plus encadré, notamment avec la loi de Programmation et d’orientation sur la politique énergétique (POPE) de juillet 2005. Les installations hydroélectriques doivent donc respecter des critères précis. Enfin, l’utilisation de l’énergie hydraulique ne requiert par l’émission de CO₂ .

Géothermie:

L’énergie géothermique consiste en l’utilisation de la chaleur interne du globe pour produire de l’électricité.

En effet, la température des roches augmente en moyenne de 1 °C tous les 30 m de profondeur. En certains points du globe, en particulier dans les régions volcaniques, qui correspondent à des intrusions de magma dans la croûte terrestre, cela peut aller jusqu’à 100 °C par 100 m.

Une centrale géothermique est composée de 3 parties :

• – La pompe
• – L’usine qui produit l’électricité
• – Les lignes électriques qui la transportent

Il y a deux méthodes pour produire de l’électricité grâce à la chaleur du sous-sol : par la géothermie naturelle à haute énergie (exploitation de l’eau chaude présente dans le sous-sol à haute température) et par le système géothermique stimulé (injection d’eau dans des roches chaudes fracturées).

La géothermie naturelle à haute énergie fait appel à des centrales qui captent l’eau souterraine à travers des puits géothermiques creusés dans le sol. Dans les zones volcaniques, où les sous-sols renferment davantage de chaleur, les eaux utilisables par ces centrales se trouvent parfois à moins de 1 000 mètres de profondeur. Ces puits géothermiques sont généralement construits à proximité d’aquifères. Un aquifère est une formation géologique (ou une roche) réservoir contenant une nappe d’eau souterraine susceptible d’être exploitée (eau potable, irrigation,géothermie…) (source définition: Planète Energie).

(source image: M ta Terre; https://www.mtaterre.fr/dossiers/comment-ca-marche-la-geothermie/la-geothermie-pour-produire-de-lelectricite)

La géothermie stimulée quant à elle fonctionne ainsi: un puit est creusé, dans lequel on injecte de grandes quantités d’eau. Elle s’infiltre en profondeur et se réchauffe au contact de la roche. Puis elle est captée grâce à des pompes par deux autres puits. Une fois en surface, cette eau chaude cède sa chaleur (via un échangeur) à un fluide qui se transforme en vapeur. Il monte en pression, ce qui lui permet d’entraîner la turbine qui produit de l’électricité. Pendant ce temps, l’eau du puits qui a cédé une bonne partie de sa chaleur redescend et réitère le processus.

(source image: Geothermie Prespective; http://www.geothermie-perspectives.fr/article/centrale-egs-soultz-forets-alsace)

La géothermie est une énergie renouvelable et propre: pas de déchets à stocker, très peu d’émissions de CO₂ (une centrale géothermique n’émet en moyenne que 55 g de
CO₂ par kWh produit, soit plus ou moins 10 fois moins que dans une centrale thermique au gaz naturel, SER, 2012). Elle ne dégage que peu de gaz à effet de serre et ne laisse aucun déchet après utilisation. Elle n’a pas besoin d’être évacuée, et pas besoin d’être stockée. La géothermie à très basse énergie est disponible dans tous les sous-sols de la planète. Cela en fait une énergie plus écologique qui couvre une grosse part des dépenses énergétiques. Avec la géothermie, le prix du kilowattheure est compétitif. Pour les particuliers, la géothermie permet de réduire d’un tiers la facture énergétique.

Installation d’un système de géothermie

Autre avantage considérable : contrairement à d’autres énergies renouvelables, la géothermie ne dépend pas des conditions atmosphériques.La géothermie n’est cependant pas sans inconvénient, à commencer par le coût : une installation coûte en moyenne entre 13 et 15.000 euros, pose comprise ; le coût des forages parfois profonds touche le consommateur, ce qui peut être allégé par le crédit d’impôt. Certains gisements d’énergie géothermique ne sont pas facilement accessibles. De plus, il faut être prudent vis à vis du terrain : forer n’est pas forcément sans conséquences et peut amener des affaissements de terrain. La géothermie peut parfois dégager de faibles vapeurs de soufre si elle est utilisée sous la forme d’eau ou de chaleur.

Des sources d’énergies “inépuisables”

Les éoliennes utilisent l’énergie du vent, qui, rappelons le, provient de l’énergie solaire. Celle-ci ne se répartit pas uniformément sur la surface terrestre ce qui conduit à la naissance d’anticyclones (zones de haute pression atmosphérique) et de dépressions (zones de faible pression), zones à l’origine du vent.

De leur coté, les panneaux photovoltaïques utilisent les photons envoyés par le soleil afin de mettre en mouvement des électrons, ce qui crée un courant électrique.

Les centrales hydrauliques emploient l’énergie du cycle de l’eau : sous l’action du soleil, l’eau des océans et de la terre s’évapore. Elle se condense en nuages qui se déplacent avec le vent. La baisse de température au-dessus des continents provoque des précipitations qui alimentent l’eau des lacs, des rivières et des fleuves et qui retournent dans les océans.

Les centrales géothermiques puisent l’énergie terrestre: la chaleur interne de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches par désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium.

Les utilités des énergies renouvelables

Aujourd’hui, l’énergie électrique en France est principalement utilisée dans deux grands secteurs : le bâtiment et l’automobile.

Sur le point de vue écologique : En effet, sur la totalité de la production, un français consomme en moyenne 44% de sa consommation totale pour son habitation, et 32% pour son déplacement.  Un français parcourt en moyenne 20 000 km chaque année avec son automobile. Sachant que 100 km parcourus équivaut à 7 litres d’essence, alors la consommation annuelle est de 140 000 litres d’essences. Employer une voiture électrique consommant 0,16 kWh réduirait considérablement l’empreinte carbone, car les panneaux solaires ont largement la capacité de rentabiliser ce besoin en énergie.

Pour le bâtiment, l’emploi des énergies renouvelables a pour but de créer des Zero Energy buildings Ces bâtiments sont équipés afin de produire la quantité d’énergie nécessaire aux besoin énergétiques des occupant de l’infrastructure. Isolés, les pertes sont minimes. La quantité d’énergie à produire est donc beaucoup moins forte. la production peut alors égaliser la consommation, et voir même la dépasser. Problème : ces immeubles constituent seulement 1% du bâtiment francais. On ne peut évidemment pas raser la totalité de tous les bâtiments de France pour en construire d’autre. En revanche, on peut les rénover. Les immeubles du centre historique de Paris sont très mal conçus. En effet, les habitations sont très mal isolées, et un   ???

économiquement :le coût de l’électricité est plus élevé ,mais la consommation est fortement réduite : exemple :
on sait que 1 litre d’essence correspond à environ 12 kWh. 
Or, une voiture électrique a une dépense en moyenne 12 kWh au 100 km.
Soit W le nombre de kWh dépensé par une voiture électrique lors d’un voyage de 800 km.
W = (12*800)/100 = 96 kWh

 Une voiture dépense donc 96 kWh sur ce voyage.

Soit Pe le prix que paie le conducteur en électricité pour recharger sa voiture dans les bornes mises en places dans les aires de service. Soit Pw le prix du kilowattheure et B la batterie moyenne de la voiture.
On sait que B = 43 kWh
On sait que Pw = 0,146€
Pe = B x Pw
donc Pe = 43 x 0,146
donc Pe = 6,08 euros
Le conducteur doit recharger la voiture 2 fois donc  Pt = 2Pe = 6.08 = 12.16 euros          Donc pour tout le voyage, le conducteur paye 12,16 euros.

Or on sait que le conducteur doit payer environ 1,5 euros le litre d’essence.la consommation moyenne d’une voiture est de 7 litres au 100 km. Soit Pe le prix de l’essence durant le trajet. soit C la consommation au 100 km et soit D la distance à parcourir et P le prix de l’essence on a D = 800.

Pe = (C x D) x P
Pe = (7.8) x P
Pe = 56 x 1,5
Pe = 84€

Donc pour un trajet de 800 km, le propriétaire de la voiture à essence dépense 84 euros en moyenne alors que le propriétaire de la voiture électrique dépense seulement 12,06 euros. On remarque donc qu’il est 7 fois moins cher de rouler avec une voiture électrique mais que cependant il faut laisser recharger sa voiture plus souvent. De plus, les stations de recharge électrique sont très peu répandus en France et plus généralement dans le monde entier comparé aux stations essence.