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Introduction générale
Les énergies renouvelables sont une composante importante du développement durable. En effet, couplées à une utilisation rationnelle de l’énergie, elles réduisent le recours aux systèmes énergétiques classiques basés sur des ressources d’origine fossile ou fissile, et donc par conséquent les pressions environnementales et socio-économiques de l’utilisation de ces dernières.
L’objectif premier des énergies renouvelables est d’offrir un service énergétique à notre société à un prix acceptable. Mais par ailleurs, le coût de ce service a un impact sur l’économie locale, l’environnement et la société en général. En comparaison avec les solutions conventionnelles, la valorisation des énergies renouvelables crée plus d’emplois, renforce l’économie locale, réduit l’impact environnemental et atténue la convoitise sur les stocks d’énergie et donc est source de paix.
D’un point de vue environnemental, les énergies renouvelables contribuent à la réduction des émissions des gaz à effet de serre, réduisent la pollution de l’air, de l’eau, du sol et de la biosphère, limitent le risque d’accident (marées noires, explosions…), et préservent les stocks de ressources naturelles.
Cependant, elles peuvent avoir des impacts environnementaux locaux spécifiques à chaque application et au lieu d’implantation (occupation du sol, paysage, bruit, modification de l’écosystème). Dans la plupart des cas cependant, une évaluation environnementale locale permet de mettre en œuvre des solutions appropriées.
D’un point de vue économique, les énergies renouvelables garantissent un prix stable de l’énergie, nettement moins sensible aux fluctuations du marché des combustibles fossiles, et diminuent notre dépendance énergétique. Dans les conditions actuelles, le prix de revient des énergies renouvelables peut être plus élevé que celui des énergies fossiles. Ce surcoût, aussi minime soit-il, peut constituer une perte de compétitivité sur le marché international. Mais pour les pouvoirs publics, il est important de garder à l’esprit que le développement des énergies renouvelables est favorable au développement économique local dans la mesure où la totalité des dépenses concernent du matériel ou des services (et donc de l’emploi). Au contraire des systèmes classiques utilisant des combustibles fossiles, où jusqu’au ¾ du prix de revient résultent de l’achat de combustibles importés (gaz naturel, produits pétroliers ou charbon).
D’un point de vue social, les énergies renouvelables s’accompagnent généralement de la création d’emplois durables et peu sensibles aux délocalisations. Leur caractère décentralisé permet par ailleurs aux sociétés locales de s’approprier la production d’énergie nécessaire à leurs besoins, tout en offrant un potentiel de réorientation de l'activité économique. Dans le domaine du bois-énergie, par exemple, on a montré que les filières bois peuvent générer de 10 à 28 fois plus d’emplois directs qu’une filière fuel, en fonction de leur degré de mécanisation.
A grande échelle, l’indépendance énergétique réduit les tensions internationales et permet la solidarité entre les peuples.
Généralement, quand on parle des énergies renouvelables, on met l’aperçu essentiellement sur huit filières, à savoir, l’énergie éolienne, le photovoltaïque, le solaire thermique, les petites hydrauliques, le biogaz, la biomasse solide, les biocarburants et la géothermie. Alors qu’il y a d’autres formes d’énergies renouvelables qui viennent de compléter la tâche, et elles sont considérées comme filières émergeantes.
Dans ce rapport, on va s’intéresser à ces filières assez anciennes, qui connaissent un renouveau en raison de la ‘baisse’ des coûts, de la raréfaction des énergies fossiles, de l’amélioration des technologies et des politiques en faveur de l’environnement.
Ces filières dites émergeantes dont on a choisi le nom de postclassiques, concernent l’énergie marine nommée encore la Thalasso-énergie et l’Hélio-thermodynamie ; et on va essayer à la fin de mettre un coup d’œil sur d’autres tendances d’exploitation de nouvelles ressources ou d’améliorer la technologie des anciennes sources d’énergie (particulièrement le soleil) afin d’avoir une énergie renouvelable contribuante dans le développement durable.
La Thalasso-énergie
Dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles et de prise en compte des questions environnementales, les énergies marines, encore appelées thalasso-énergies, ont assurément de l’avenir dans le paysage énergétique mondial. Elles doivent en effet se conjuguer au pluriel car la filière recouvre l’exploitation énergétique de tous les flux d’énergie spécifiquement fournis par les mers et les océans : la houle, les courants de marées, les courants océaniques, la pression osmotique (le différentiel de salinité de courants marins peut créer un flux qui sera utilisé pour produire de l’électricité), et le gradient thermique.
Aujourd’hui, ce sont les courants de marées et la houle (les vagues) qui concentrent la majorité des efforts, aussi bien en recherche et développement (R&D) qu’en mise en œuvre expérimentale.
Les convertisseurs capables de transformer ces flux en électricité sont d’une diversité étonnante: on en dénombre plus d’une trentaine. Les solutions les plus efficaces devraient s’imposer au fur et à mesure de la maturation de la filière.
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L’énergie hydrolienne :
La force de la mer est une ressource non négligeable pour engendrer de l’énergie. En effet, les courants marins représentent une énergie fabuleuse qui contrairement aux vents sont constants et prévisibles. C'est un avantage déterminant par rapport aux autres énergies renouvelables intermittentes.
Il existe deux grands types de courants : les courants marins situés plus ou moins au large des côtes, et les courants de marée (ou de marnage) que l'on rencontre dans l'embouchure des fleuves et près des côtes.
Pour capter cette énergie, il faut placer des hélices ou des turbines dans l'axe de ces autoroutes de la mer, c'est ce qu'on appelle les hydroliennes (On rencontre aussi les appellations hydrohélienne et aussi éolienne sub-aquatique).
Les sites favorables sont des sites côtiers permettant l'encrage des hélices. On dispose de deux possibilités pour fixer les hydroliennes. Soit on monte les hélices sur des supports verticaux posé sur le fond (ce qui ressemble aux éoliennes), soit on attache par des câbles un ensemble générateur/turbine qui flotte à mi-profondeur pour capter au mieux l'énergie du courant et ne pas gêner la navigation de surface.
Il existe deux domaines d'application de l'hydrolienne pour produire de la thalasso-énergie :
Hauturières : pour l'exploitation des courants de haute mer (au moins 40m de profondeur, le débit est de 1,5 à 2 m/s), dont les puissances sont supérieures à plusieurs dizaines de Méga Watts;
Côtières : utilisant les courants de marée (au moins 25m de profondeur, et le débit de 12 à 18 km/h), les puissances sont comprises entre un et plusieurs Méga Watt.
Dans des conditions aussi extrêmes, il est difficile, voir impossible, d’installer et d’entretenir des convertisseurs d’énergie à l’aide de plongeurs ou de sous marins. Ainsi les hydroliennes sont munies de mécanismes pour remonter les turbines à l’air libre en cas de panne ou pour les travaux d’entretient. La maintenance s’effectue donc en surface, supprimant la nécessité de travaux sous-marins coûteux et dangereux.
Le principal problème est causé par la corrosion de l'eau de mer. Il se dispose cependant de revêtements anti rouille très performants et ce vieux rêve technologique pourrait bien devenir la réalité dans peu de temps !
Les impacts potentiels de ces capteurs sont encore mal connus, et préoccupent notamment les pêcheurs qui travaillent dans les zones d'intérêt ; selon certaines hypothèses, les turbines créeraient des zones de turbulence, empêchant les dépôts de sédiment et donc le développement de la flore, et créant ainsi à long terme une zone morte. Les courants seraient accélérés et les petits animaux auraient du mal à se déplacer sans fournir d'effort considérable. Les hydroliennes pourraient aussi précipiter dans leurs pales quelques animaux marins qui n'auraient pas su résister à l'aspiration créée par l'hydrolienne.
Selon d'autres hypothèses, le captage de l'énergie des courants ralentie la vitesse du fluide dans l'axe de la turbine ce qui provoque des courants de contournement que les poissons suivent (Ce phénomène de venturi est naturel quand l'eau passe le long d'une roche : les poissons évitent les obstacles en suivant les lignes de plus fortes vitesses). D'autre part, la rotation des pales est limitée par la vitesse de cavitation en bout de pale, elle doit est inférieure à 10 m/s. Ainsi les pales des grandes hydroliennes ne tourneront qu'au rythme de 15 tours par minute et leurs effets se limiteraient aux turbulences à la sortie de l'hydrolienne. Les sédiments ne se déposant pas autour de l'hydrolienne éviteront l'envasement et faciliteraient l'entretien. De plus, une vitesse de rotation suffisamment faible ne perturberait pas les poissons.
Il faut aussi considérer que les sites préférentiels pour l'installation d'hydroliennes sont des sites de courants forts à très forts, où les conditions sont peu favorables au développement de la faune et de la flore. Les cartes marines montrent que ces zones sont exclusivement composées de roches ou de gravières de gros calibre.
L'impact environnemental de l'énergie hydrolienne est actuellement étudié dans de nombreux projets de recherche et développement en Europe dans la Manche, la mer du Nord et la mer Baltique.
D’après les experts du secteur, le coût de l’électricité des hydroliennes serait équivalent à celui des éoliennes (un euro le watt) et sensiblement inférieur à celui du nucléaire (à peu près 1,4 euro le watt, d’après les rares estimations disponibles). La productivité de la technologie hydrohélienne est supérieure à celle des éoliennes. La qualité de la production permet une exploitation plus aisée. L'impact visuel est sans commune mesure avec l'éolien, et l'acceptation sociale devrait en être largement facilitée.
L’énergie des vagues et de la houle :
Les vagues à la surface des mers sont créées par le vent. La quantité d’énergie générée est faible (1 W/m²/an, soit 200 fois moins que d’énergie solaire directe). Mais comme les vagues se déplacent de manière très économe, on peut espérer récupérer presque toute l’énergie créée sur de vastes surfaces marines, en installant des capteurs le long des côtes. La puissance théoriquement récupérable est estimée à 50 kW par mètre de côte. Le problème est que l’énergie tend à se dissiper lorsqu’on se rapproche de la côte : pour 50 kW/m à 20 km de la côte, on peut tomber à seulement 20 kW/m à 1 km de celle-ci. Il faut donc trouver un compromis entre la distance de la côte (les coûts augmentent quand on s’en éloigne) et l’énergie récupérable (qui diminue quand on s’en rapproche). L’énergie des vagues n’est pas la même partout (entre 40° et 60° de latitude, la puissance des vagues est maximum), et elle varie suivant les saisons.
De très nombreux dispositifs ont été expérimentés avec deux grandes catégories : les dispositifs côtiers et les dispositifs de pleine mer (off-shore). Les premiers utilisent le déferlement des vagues, les seconds utilisent les variations du niveau de la mer lors du passage de la houle.
Les premiers sont faciles à construire et à entretenir mais leur rendement est nettement moins bon que les dispositifs off-shore qui exploitent des vagues plus puissantes et plus régulières.
A titre d’illustration, on donne là-dessous trois types de dispositifs pour récupérer l’énergie des vagues :
- Les bouées en mouvement, qui montent, descendent et tanguent au gré des vagues. Ancrées sur le fond, leur mouvement actionne un piston, aspire de l’eau de mer dans une turbine ou comprime de l’air ou de l’huile qui va faire tourner un moteur ;
- Les colonnes oscillantes : en fin de course, les vagues entrent dans un caisson où elles compriment l’air emprisonné. Cet air comprimé fait tourner une turbine ;
- Les débordements de chenal : les vagues s’engouffrent dans un chenal qui se rétrécit de plus en plus. Elles enflent et débordent par-dessus la digue d’un réservoir qui se remplit peu à peu. L’eau du réservoir revient à la mer en passant par une turbine qu’elle fait tourner.
Entre 1970 et 1990 environ, des pays comme le Japon, la Norvège, l’Angleterre ont construit les premiers prototypes. Depuis, l’Inde, la Suède, l’Espagne, l’Irlande, le Danemark, la Grèce se sont joint à eux et, après quelques déboires, la recherche est repartie depuis les années 90.
Des plans bien avancés existent pour créer une capacité de 10MW dans les 5 ans à venir. Des perspectives plus avancées sont hasardeuses mais plusieurs compagnies ont déjà des projets d’installation de plusieurs MW/an. Des évaluations de marché potentiel ont été faites qui montrent que la contribution de l’énergie des vagues pourrait dépasser 2000TWh/an ce qui est du même ordre de grandeur que l’énergie du grand hydraulique à travers le monde.
L’Hélio-thermodynamie
Longtemps bloquée dans son développement, la filière hélio-thermodynamique est aujourd’hui en plein renouveau grâce à des coûts en baisse, des technologies plus efficaces et des politiques sensibles aux questions environnementales.
Techniquement, l’hélio-thermodynamie consiste à focaliser la lumière du soleil de manière à chauffer un fluide à une température suffisante pour produire de l’électricité.
L’exploitation de l’énergie solaire sous cette forme requiert des conditions d’ensoleillement qui sont propres à certaines régions du monde seulement. Les meilleures zones sont le Sahara, les déserts australien ou californien, mais également les zones méditerranéennes comme l’Espagne, l’Italie, la Palestine occupée ou le Maghreb.
Il est considéré que des centrales ne sont concevables que dans les régions du globe où le rayonnement direct du soleil dépasse 1900 kWh/m²/an, et là où la transparence atmosphérique est bonne (donc dans les régions arides et montagneuses).
Les trois principaux types de centrales solaires se distinguent surtout par la manière dont on focalise les rayons solaires :
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Les collecteurs cylindro-paraboliques :
ce sont des alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques (forme de « U »), qui tournent autour d’un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube horizontal, où circule le fluide caloporteur qui servira à transporter la chaleur vers la centrale elle-même. La température du fluide peut monter jusqu’à 500° C. Ce type de centrale est le plus fréquent.
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Les centrales à tour :
Un ensemble de miroirs orientables (héliostats) situés au sol concentrent tous le rayonnement solaire avec précision sur un même point : une chaudière située en haut d’une tour. La température obtenue ainsi est de 600° C.
Les collecteurs paraboliques : Ils ont la même forme que nos antennes paraboliques, mais en plus grand! Les paraboles ont un diamètre de 10 à 20 m et sont orientables. Le rayonnement solaire est concentré sur la focale de la parabole, où se trouve une mini-centrale électrique. La température obtenue atteint 800°C.
Ces centrales solaires ne fonctionnent que le jour. Pour leur assurer un fonctionnement continu, on peut stocker du fluide caloporteur chaud dont on se servira la nuit, ou brûler des carburants traditionnels (gaz, charbon…) une fois le soleil couché. En outre elles ne peuvent pas être installées n’importe où ; pour qu’elles soient rentables, il faut :
- beaucoup de soleil pendant la plus grande partie de l’année ;
- une bonne transparence de l’air (donc dans une zone non polluée) ;
- beaucoup d’espace libre pour installer les miroirs et paraboles (2 ha/MW de puissance) ;
- une zone plate si possible (pour faire des économies de pompage du fluide caloporteur) ;
- un réseau électrique pas trop éloigné, pour y apporter l’électricité produite.
Les États-Unis, pays berceau de la filière, concentrent aujourd’hui quasiment toute la puissance hélio-thermodynamique installée dans le monde avec 355 MW. Quatre États américains sont particulièrement engagés dans le développement de nouveaux projets : le Nevada avec 64 MW, la Californie où deux contrats ont été signés pour développer 800 MW entre 2008 et 2011, l’Arizona et le Nouveau-Mexique.
Mais la renaissance de la filière est aussi désormais portée par l’Espagne, qui s’est fixé un objectif de 500 MW pour 2010.
Du côté de l’Allemagne, plusieurs industriels et bureaux d’études travaillent sur des techniques destinées à être développées dans des pays du Sud et participe au développement du collecteur parabolique Eurodish, dont sept exemplaires de 10 kW fonctionnent en Europe et en Inde. Une dizaine de projets de centrales héliothermodynamiques sont à l’étude ailleurs dans le monde (Iran, Afrique du Sud, Égypte, Palestine occupée, Maroc…). En France, la filière continue de mobiliser des acteurs même si tous les sites développés au début des années 80 sont aujourd’hui reconvertis en centres de recherche.
Des idées postclassiques !
Tour solaire:
La tour s'élancera au centre d'une structure en verre ou en plastique d'une superficie de 350 hectares, agissant comme un collecteur solaire. L'air chauffé au niveau de ce collecteur sera transféré à l'intérieur de la tour où il actionnera des turbines connectées à des générateurs produisant de l'électricité. Selon les estimations, la puissance générée par une telle installation de 750m atteindra 40 MW et couvrira la demande en électricité de 120 000 personnes. Elle fournira l'équivalent en énergie de 140000 barils de pétrole et évitera l'émission dans l'atmosphère de 78 000 tonnes de dioxyde de carbone.
Le champ-collecteur pourra également être utilisé en tant que serre. Une surface de 250 hectares sera destinée à la culture de fruits et de légumes.
Des systèmes de télécommunication et de surveillance contre les incendies seront montés au sommet de la tour. Un mirador et un accès au public sont également prévus et convertiront cet édifice en un lieu touristique.
Le budget initial de ce projet s'élève à 240 millions d'euros. La construction de la tour durera trois ans.
Cette technologie solaire a déjà fait ses preuves en Espagne en 1982, où une tour de 195 mètres avait été édifiée à Manzanares (Madrid). Elle possédait un champ collecteur d'un diamètre égal à 240 mètres et était capable de fournir une puissance de 50 kW. Par ailleurs une tour similaire est également en phase de construction en Australie
