Le développement qui suit est largement repris de l’article « Pourquoi développer les énergies renouvelables » de François Lhioreau.51
Avantage économique
Le recours aux ER contribue à préserver des ressources qui, on l'oublie trop souvent, servent aussi, ou pourraient servir, à des fins beaucoup plus nobles que la propulsion des véhicules ou la production d'électricité : production de matériaux, de médicaments, etc.
51 http://www.apere.org/doc/Pourquoi_ER.pdf
Une des caractéristiques de la production d'énergie à partir de sources renouvelables est son caractère décentralisé. Or, même dans une production de masse, un réseau de petites unités présente beaucoup plus d'avantages (réduction du risque financier, de l'endettement, du risque de corruption, flexibilité technique, à quantité égale, la production d'énergie par les filières renouvelables requiert 4 fois plus d'emplois que par les filières conventionnelles) que les mastodontes que nous connaissons, malgré les économies d'échelle qu'ils permettent.
En ce qui concerne les pays du Sud, la connaissance technologique peut plus facilement leur être transférée et l'entretien des installations est également plus aisé pour les techniciens locaux. Enfin, à plus ou moins court terme, ces pays pourront à leur tour produire et même exporter leurs propres systèmes de production d'énergie. Ils possèdent d'ailleurs de grands gisements d'énergie renouvelable, que ce soit l'énergie solaire thermique ou photovoltaïque (tous les pays tropicaux), la petite hydraulique (les pays du bassin du Congo, par exemple), la biomasse (les pays équatoriaux) ou l'éolien (les pays ayant des zones côtières).
La pression environnementale de l'utilisation des combustibles fossiles se traduit par des coûts importants et souvent dramatiques pour les collectivités. Immédiatement perceptibles comme la destruction du tissu économique et social des régions d'extraction (le Nigeria), ou les conséquences du naufrage du Prestige pour les pêcheurs et le secteur du tourisme espagnols ou beaucoup plus diffus : effets sur la santé présents ou à venir, sur l'état des bâtiments, etc.
Avantage environnemental
L'utilisation des énergies renouvelables présente plusieurs avantages par rapport à l'utilisation des énergies fossiles ou nucléaire :
Absence d'émissions de gaz à effet de serre.
Réduction, à certaines conditions, des émissions de poussières et autres substances toxiques liées à la combustion d'énergie.
Absence du risque de pollution aérienne (torchage des gaz associés), terrestre, aquatique et maritime liée à l'extraction et au transport de pétrole ou de gaz.
Absence d'autres risques d'accidents catastrophiques (centrales nucléaires, stockage de déchets nucléaires, ...).
Avantage politique
D'un point de vue stratégique, est-il sain que la satisfaction d'un besoin fondamental d'une société dépende totalement de l'extérieur ? C'est pourtant le cas pour la Belgique, dont la politique énergétique, et donc l'économie, dépend à plus de 95% des importations. Le recours aux énergies renouvelables, disponibles localement, contribue à réduire cette dépendance énergétique.
Etant à la fois diffuses et, de par leur caractère de flux, non transportables (à l'exception de la biomasse) les sources d'énergie renouvelables requièrent une exploitation décentralisée, ce qui favorise une politique énergétique plus démocratique.
A long terme, le recours aux énergies renouvelables contribue aussi à réduire les tensions internationales.
En réduisant la compétition autour de ressources stratégiques qui se raréfient.
En réduisant la dépendance énergétique.
Hydroélectricité
Introduction
L’énergie hydraulique est la production d’énergie par turbinage de l’eau emmagasinée dans les barrages. En 2005, l’hydroélectricité est la troisième source de production électrique mondiale avec 16%, derrière le charbon (40%), le gaz (19%) et le nucléaire (15%).52
En Suisse, l’hydroélectricité représente environ 60% de la production indigène en électricité.
En hiver, ce taux s’élève à 50%. La différence est de ce fait comblée par la production d’électricité à partir d’ouvrages hydroélectriques à accumulation.
Fonctionnement
L'hydroélectricité est la technique qui permet de produire de l'électricité à partir de courant d'eau résultant du cycle de l'eau. L'origine de ce cycle est les radiations solaires qui provoquent l'évaporation de l'eau entraînant ainsi les autres échanges.
Le principe de production de l’électricité à partir de la force de l’eau est le suivant. L'énergie cinétique est transformée en énergie électrique à l’aide de turbine. Celle-ci est composée d'un rotor qui tourne autour d'un stator ce qui produit de l'électricité. C'est l'énergie de l'eau qui entraine les palles de la turbine (solidaire du rotor).
52 AIE 2005
Si on désire produire plus d'électricité, il va falloir augmenter l’énergie cinétique, en créant une chute d’eau. Par le principe de la conservation d'énergie, l'énergie potentielle due à la hauteur de chute se transformera en énergie cinétique. Les centrales hydroélectriques peuvent donc être classées en fonction de leur hauteur de chute.
Haute chute : hauteur ≥ 200 m
Moyenne chute : 50 m ≤ hauteur ≤ 200 m
Basse chute : hauteur ≤ 50 m Types d’ouvrages
Il existe différents types d’aménagement hydroélectrique.53
Aménagements au fils de l’eau : il s’agit d’aménagements qui ne comportent pas de bassin d’accumulation et qui utilisent les apports tels qu’ils se présentent. Leurs principale caractéristique est la vitesse d’écoulement de l’eau en raison de l’absence de grand chute d’eau. En raison de la disposition locale de la centrale et du barrage en rivière, on peut différencier deux types d’aménagements au fil de l’eau:
o Aménagement canal ou de dérivation : L’eau refoulée par un barrage en rivière sera dérivée et turbinée dans un canal.
o Aménagement au fil de l’eau pur : Centrale et barrage en rivière constituent un seul bâtiment, l’aménagement s’étend sur toute la largeur de la rivière.
Aménagements à accumulation : ils n’exploitent qu’une partie des apports immédiatement. Le reste est accumulé dans un bassin en vue d’une utilisation future.
Les apports peuvent également être amenés par pompage. On mettra aussi dans cette catégorie les aménagements au fil de l’eau situés dans la zone préalpine ou en amont des lacs du plateau suisse et qui produisent une part d’énergie importante en profitant du mode d’exploitation des aménagements d’amont. Un tel aménagement sera classé sous « aménagement à accumulation » si la capacité énergétique que représente pour lui le volume d’eau stocké dans les aménagements d’amont est égale ou supérieure au
53 Office fédéral de l’environnement, section force hydraulique
25 % de sa production d’hiver moyenne escomptée. La principale caractéristique de ce type d’aménagement est la hauteur de chute. Plus celle-ci est importante, plus la quantité d’électricité produite sera conséquente. On précisera aussi que ce type d’aménagement nécessite d’importante mesure de sécurité. Ci-dessous un exemple d’aménagement à accumulation situé en Valais (CH) « la Grande Dixence »
Hauteur Volume de la retenue Surface de la retenue
284m 385mio m3 4.04km2
Aménagements de pompage/turbinage : ils n’utilisent que l’eau préalablement pompée dans le bassin d’accumulation. En règle générale, les pompes et les turbines ont en commun le bassin d’accumulation et le bassin inférieur. Ce type d’aménagement permet de stocker l'électricité sous forme d'énergie potentielle en remontant l'eau par une pompe qui est réversible. Il suffit de transformer l'énergie potentielle de l'eau en électricité à l’aide de turbine afin de retrouver à nouveau l’électricité. Cette technique peut être utilisée afin de stocker un surplus d'énergie. Dans ce but, les batteries chimiques peuvent aussi être utilisées, néanmoins elles ont une capacité de stockage limitées. Lors d’une telle opération, une partie de l'énergie est perdu (rendement de 80%). Une autre utilisation de cette technique est d’ordre financière. Cela consiste à stocker l’énergie lorsqu’elle est bon marché (heure creuse) et de la revendre lors des heures pleines. Une telle opération est rentable si la différence entre les prix est suffisante pour compenser les pertes d'énergies engendrées. Si tel est le cas, on pourra exporter l’électricité stockée. En Suisse, cette technique est très répandue ce qui fait de lui un acteur majeur lors des heures de pointe. Le chantier « Linthal » dans le canton de Glaris (CH) est chantier souterrain qui permettra, grâce au pompage-turbinage, de renforcer la capacité des centrales électriques existantes pendant les heures de pointe.
D'autres ouvrages existent à une échelle moins importante.
Les conduites forcées : l'eau est transportée dans une conduite de pression d'un réservoir à la turbine hydroélectrique.
Les ouvrages de mini-hydraulique : deux petits ouvrages se trouvant généralement sur les rivières (moulin).
Revente d’électricité
Comme expliqué ci-dessus, la Suisse vend son électricité aux heures de pointe. Or depuis quelque temps, la rentabilité de cette activité est remise en cause. En effet, la Suisse a pris la décision de sortir du nucléaire d’ici 2034. Ceci engendrera la fin de la production d'électricité bon marché, qui permettait jusqu’à maintenant une certaine marge dans les pertes. En admettant qu’on puisse produire de l'électricité aussi bon marché à partie d’énergie renouvelables (pas le cas actuellement), il faudrait aussi que celle puisse être produite en continu comme c’est le cas actuellement pour le nucléaire. Or ceci n'est pas le cas des énergies renouvelables (photovoltaïque par exemple). Afin de pouvoir continuer à vendre son électricité en heure de pointe, une solution envisageable serait de produire de l'électricité à partir de gaz en supposant un bon rendement.
Avantages et inconvénients Avantage :
Production d'énergie active durant les heures de fortes consommations d'électricité.
Pompage durant les heures creuses afin de reconstituer la réserve d'eau dans le bassin de retenu.
Démarrage et arrêt des centrales très rapides.
Aucune pollution n'est dégagée lors de la production d'électricité.
Production d’électricité décentralisée (pas de pertes liées aux transports).
Facilitée d'entretien et la faible usure du matériel Haut niveau de rendement des machines.
Energie renouvelable illimité.
Désavantage :
Modification du débit et du niveau de l’eau.
Risque pour les personnes en aval lié aux barrages.
Les sites potentiels se situent généralement en montagne entrainant des surcoûts importants de construction, le nombre de ces sites n'est pas infini et, même relativement faible.
Ce système implique de noyer des vallées entières de terre cultivable, où les hommes vivent bien souvent depuis des lustres.
Potentiel développement en Suisse
Un développement des petites centrales hydrauliques dans le respect de l’environnement et une optimisation des centrales existantes permettraient de produire au moins 2,5 TWh d’électricité supplémentaire, soit près d’une fois la centrale de Mühleberg.
Biomasse
Définition
La définition du terme biomasse dépend du contexte. En écologie il s’agit de la matière organique présente dans l'écosystème. En microbiologie industrielle, il s’agit des micro-organismes présents dans un bioréacteur ou centre de fermentation. Dans le contexte énergétique de ce cours, la biomasse représente l'énergie accumulée dans les cellules d'organismes vivants (plante, algues, micro-organismes) et qui peut être convertie pour les usages alimentaires ou énergétiques humains.
L’origine de la biomasse réside dans la réaction de photosynthèse qui est une réaction permettant aux végétaux de transformer du CO2 et de l'eau en énergie et oxygène. Cette réaction est catalysée par l'énergie solaire. L'énergie dégagée par le processus de photosynthèse est stockée dans les plantes sous la forme d’hydrates de carbone et de lipides.
Les hydrates de carbones :
o Monosaccharides (glucose ou fructose) : notamment utilisé pour le bioéthanol ou biodiesel
o Disaccharides : sucrose (sucre traditionnelle alimentaire) o Polysaccharides : amidon, cellulose
Lipides : graisses et huiles végétales (triglycérides) Types
On distingue les biomasses en fonction de leurs niveaux trophiques.
Biomasse primaire
Biomasse secondaire
Biomasse tertiaire
Biomasse résiduelle
Les producteurs primaires sont constitués d'organisme autotrophe, capable de produire des matières organiques à partir de matière inorganique telles que les plantes, les algues et les bactéries. Ces organismes sont la base de la chaine animale, ils constituent le premier niveau trophique (les producteurs primaires). Ces organismes serviront d'alimentation aux consommateurs primaires (herbivores), qui serviront de repas aux consommateurs secondaires (carnivores), qui serviront de repas aux consommateurs tertiaires (omnivores).
En fonction de leur usage future, les propriétés physiques et la composition des biomasses varient. Ces variations peuvent être d'origine naturelle ou résultant d'une conversion énergétique effectuée par l'homme. Certaine protéine sont riches en protéines (légume), d'autres en liquide ou d'autres stockent l'énergie sous forme de polymères (cellulose, amidon).
Il est aussi possible de classer les biomasses suivant leurs composantes principales. On distinguera donc :
Biomasse lignocellulosique (cellulose, hémicellulose, lignine)
Amylase (amidon)
Biomasse sucrée (monosaccharide, disaccharide) Une autre classification concerne la teneur en eau :
Biomasse sèche : w < 15%
Biomasse humide : 15% ≤ w ≤ 90%
Biomasse liquide : w > 90%
Bioénergie
La bioénergie résulte du processus de valorisation énergétique de la biomasse, lorsque celle-ci est utilisée comme combustible pour produire de la chaleur ou de l'électricité.54 Elle est convertie dans différentes formes afin de pouvoir être utilisé.
Solides
o Alcool (éthanol, méthanol, butanol)
o Liquides bio-hydrocarbures (bio-kérosène utilisé dans l’aviation) o Bio-huiles et produits dérivés
Gazeux o Biogaz
o Gaz synthétique (obtenu à partir de gazéification du bois) o Hydrogène
Les ressources en bioénergie sont importantes. En effet, la biosphère produit chaque année environ 68Gtep, c.à.d. huit fois la consommation mondiale d’énergie primaire d’une année.
Le graphique ci-dessous nous renseigne sur la provenance des bioénergies. On remarque qu’une grande part des bioénergies provienne des océans. Cependant, leur extraction et leur collecte peuvent nécessiter une grande dépense d'énergie, qui peut parfois être supérieur à l'énergie collecté.
54 http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=10389
Biocarburants
Les voitures fonctionnent aujourd’hui presque exclusivement aux énergies fossiles. Certes, le pétrole restera disponible encore longtemps, même si son extraction deviendra plus chère et plus difficile qu’aujourd’hui. L’AIE prévoit une augmentation de 50% des besoins mondiaux d’énergie d’ici 2030. La sécurité de l’approvisionnement, les objectifs climatiques et l’aspect de durabilité exigeront un approvisionnement énergétique plus consensuel dans tous les domaines de la vie notamment pour la mobilité, où l’essence et le carburant diesel ne se remplacent pas aussi facilement. Les biocarburants sont donc considérés comme une alternative aux carburants pétroliers même s'ils ne pourront probablement pas les remplacer complètement. On reviendra sur ce point au fur et à mesure du chapitre.
Il existe aujourd'hui deux grands types de biocarburants : l'éthanol et les esters méthyliques d'huile végétale (EMHV), voire animale, ou biodiesel. Le graphique ci-dessous représente l’évolution de la production de biocarburant dans le monde.55
55F.O. Licht, Christoph Berg, présentation au World Biofuels 2006, Séville mai 2006.
71%
11%
10%
5% 3%