Ecole Nationale Polytechnique
Laboratoire de Valorisation des Energies fossiles 12 ème journée de l’énergie: 15 avril 2008
Thème: les changements climatiques comment y faire face ? Sujet : les énergies du futur proche et lointain.
Auteurs : Tanina Kabeche, Racha Ladjenef Pr. Chems Eddine Chitour
Laboratoire Valorisation des Energies Fossiles Ecole Polytechnique 10 avenue Hassen Badi Belfort
Résumé :
De nombreuses études scientifiques ont été entreprises concernant les réserves mondiale en énergie fossile, les chiffres avancés ne font pas l’unanimité, néanmoins tous les scientifiques s’accordent sur un point essentiel : les réserves s’épuisent alors que la population mondiale augmente entraînant une demande croissante en énergie.
Il est donc certain qu’un jour l’offre de pétrole ne pourra plus suivre une demande en perpétuelle augmentation.
Cela ne prendra évidement pas la forme d’une disparition brutale du pétrole mais interviendra à long terme.
Ainsi développer les énergies renouvelables est l’une des solutions envisagées pour résoudre ce problème crucial.
Actuellement ces énergies renouvelables désignent :
L’énergie solaire, l’énergie verte (biocarburants), l’énergie éolienne, l’énergie hydraulique et l’énergie géothermique.
Toutes ces énergies renouvelables sont considérées comme « propres » car beaucoup moins polluantes que les énergies fossiles.
En plus du rôle économique, leur développement permettra de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre principaux responsables de
La pollution et des changements climatiques.
Les scientifiques ne se contentent pas de développer ces énergies, ils travaillent également sur « les voies du futur », à savoir l’énergie des océans, l’énergie solaire extra atmosphérique, la pile à combustible et les différents procédés d’obtention de l’hydrogène tel que la fusion nucléaire. Nous allons nous intéresser à chacune des énergies citées.
Summary:
Many scientific studies were undertaken concerning the reserves world in fossil energy, the advanced figures do not achieve the unanimity, nevertheless all the scientists agrees on an essential point: the reserves become exhausted whereas the world population increases involving an increasing demand for energy.
It is thus certain that one day the supply of oil will not be able to follow one any more in perpetual increase.
That will not take cavity not the form of a brutal disappearance of oil but will intervene in the long run.
Thus to develop renewable energies is one of the solutions planned to solve this crucial problem.
Currently these renewable energies indicate:
Solar energy, green energy (biocarburants), wind power, hydraulic power and geothermal energy. All these renewable energies are regarded as "clean" bus much less polluting than fossil energies.
In addition to the economic role, their development will make it possible to reduce considerably to the gas emissions for purpose of greenhouse principal persons in charge for the pollution and of the climatic changes.
The scientists are not satisfied to develop these energies, they also work on "the ways of the future", namely energy of the oceans, atmospheric extra solar energy, the fuel cell and the different ones proceed of obtaining hydrogen such as nuclear fusion.
We will be interested in each quoted energy.
Plan de travail:
І .Introduction II.L’énergie solaire II.1.Introduction
II.2.L’énergie solaire photovoltaïque II.3. L’énergie solaire thermique
II.4.l’énergie solaire thermodynamique II.5.centrales solaires
II .6.Le chauffe-eau solaire II .7.La climatisation solaire
II .8.L’énergie solaire extra-atmosphérique II .9.Les Avantages et les inconvénients III .L’énergie éolienne
III .1.Introduction
III .2.La production d’électricité par éoliennes III.3.L’éolienne en mer : L’Offshore
III.4. Economie de l’énergie éolienne
III.5.Aspect environnemental de l'énergie éolienne III.6. Conclusion
IV .L’énergie des océans IV.1.L’énergie des vagues
IV.2.L’énergie des courants marins IV.3.L’énergie marémotrice
IV.4.Energie thermique des mers IV .5.L’avenir des énergies des océans V .L’énergie géothermique
V.1.Introduction
V.2.Formes d’énergie géométrique V.3.L’électricité géothermique V.4.Les avantages de la géothermie V.5.Conclusion
VI .Les biocarburants
VI .1. Familles de biocarburants VI .2. Inconvénients
VI .3.1.Les biocarburants du futur proche
VI .3.2.Les Avantages des biocarburants de seconde génération VI .3.3.Mesures incitatives
VI .3.4.Conclusion VII .L’hydrogène
VII .1. Production de l’hydrogène
VII .2. Production d’énergie à partir de Fusion nucléaire VII .3. L’utilisation de l’hydrogène
VII .4. Les avantages de l’hydrogène VII .5. Conclusion
VIII .Conclusion
І .Introduction :
On peut établir de façon probable que l’essentiel du réchauffement de ces cinquante dernières années est dû à l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre.
Les émissions de gaz à effet de serre à longue durée de vie (CO2, N2O, PFCs, SF6) ont un effet durable sur la composition de l’atmosphère et du climat.
Les hausses de la température moyenne à l’échelle mondiale ainsi que l’élévation du niveau de la mer inhérent à la dilatation thermique des océans devraient se poursuivre encore pendant des centaines d’années et ce même si d’importants efforts sont consentis pour stabiliser la concentration de ces gaz.
Cette différence de température entre 2°C et 4 ou 5°C est colossale et aura des impacts majeurs sur la biodiversité, les écosystèmes, l’agriculture et la santé. Actuellement tous les pays connaissent une pollution plus ou moins importante causant la modification de la composition de l’air (présence de molécules inexistante dans le passé).
Cet état des lieux a notamment aggravé les symptômes des maladies respiratoires, les médecins compte une hausse de 5 à 15% de la fréquence des asthmes.
La pollution des eaux par les hydrocarbures constitue la principale cause de contamination de l’hydrosphère. Elle résulte du déversement de déchets toxiques provenant de la distillation du pétrole et de divers phénomènes liés à l’extraction du pétrole, à son transport maritime et à l’utilisation des produits finis. Plus d’un milliard de tonnes de pétrole est actuellement transporté par voie maritime et une masse de 0.1% à 0.3% est rejetée en mer de façon plus ou moins légale et résulte de la pratique de dégazage en mer.
Nous voyons également la population mondiale augmenter ainsi que sa consommation en énergie fossile. Doit on attendre la raréfaction des hydrocarbures pour faire baisser les émissions de gaz à effet de serre, et de ce fait cumuler les problèmes et les conséquences ?
Le développement durable est un contre courant des méthodes actuelles et pourrait apporter une solution à ces problèmes. Nous étudierons au cours de cet expose ce qu’on désigne d’énergie durable actuellement et dans un futur proche.
II.L’énergie solaire : II.1.Introduction :
L'énergie solaire reçue par la terre vaut, en chiffres ronds, environ 10.000 fois la quantité totale d'énergie consommée par l'ensemble de l'humanité. En d'autres termes, capter 0,01% de cette énergie nous permettrait de nous passer de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium : c'est pourquoi l'homme développe l'idée d'exploiter cette énergie de manière significative depuis un certain temps déjà.
II.2.L’énergie solaire photovoltaïque :
Les photopiles (ou cellules photovoltaïques) sont constituées de matériaux semi- conducteurs (principalement le silicium) qui transforment directement la lumière du rayonnement solaire en énergie électrique. Les photons viennent heurter les électrons sur le silicium et lui communiquent leur énergie. Le silicium est traité (dopé) de manière à jouer le rôle de clapet anti-retour (diode) d'électricité et ainsi à diriger tous les électrons dans le même sens. Une tension apparaît donc en présence de lumière aux bornes de la photopile. Si l'on ferme le circuit à l'aide d'une lampe ou d'un moteur par exemple, le courant peut circuler.La tension est peu variable alors que le courant est quasi proportionnel à la lumière reçue.
II.2.1. Silicium cristallin :(qu'il soit mono ou poly) est une technologie éprouvée et robuste (espérance de vie : 30 ans), dont le rendement est de l'ordre de 13 %.
II.2.1.1. Silicium polycristallin :
Ces cellules, grâce à leur potentiel de gain de productivité, se sont aujourd'hui imposées.
L'avantage de ces cellules par rapport au silicium monocristallin est qu'elles produisent peu de déchets de coupe et qu'elles nécessitent 2 à 3 fois moins d'énergie pour leur fabrication.
II.2.1.2. Silicium monocristallin :
Son procédé de fabrication est long et exigeant en énergie; plus onéreux, il est cependant plus efficace que le silicium polycristallin.
II.2.2. Silicium amorphe :
Les coûts de fabrication sont sensiblement meilleur marchés que ceux du silicium cristallin.
Les cellules amorphes sont utilisées partout où une alternative économique est recherchée ou quand très peu d'électricité est nécessaire (par exemple, alimentation des montres, calculatrices, luminaires de secours). Elles sont également souvent utilisées là où un fort échauffement des modules est à prévoir.
La plupart des capteurs photovoltaïques utilisent les propriétés du silicium.
D’une manière générale il est possible d’augmenter le rendement des cellules photovoltaïques soit en purifiant le semi conducteur au maximum ou en empilant plusieurs semi conducteurs qui vont chacun utiliser une longueur d’onde lumineuse un peu différente et être donc plus efficace.
Un capteur photovoltaïque est un panneau dans lequel sont intégrées des cellules photovoltaïques (photopiles). En fonction de l’agencement des cellules dans le panneau, on obtient la puissance désirée et la tension de sortie (12, 24, 48 V…) en courant continu. La grande majorité des panneaux délivrent une puissance de 50 à 200 Wc (Watts crête représente la puissance fournie dans les conditions standards de référence : éclairement solaire de 1000 W/m² et température de 25° C). La puissance d’une photopile varie avec l’ensoleillement. L Les cellules sont fragiles : pour cette raison, elles sont encapsulées au sein de panneaux solaires, afin de les protéger des chocs et de l’humidité.
II.2.3.Les Utilisations : L’électricité photovoltaïque a plusieurs utilisations :
- l’alimentation électrique de sites et d’habitations isolés, situés loin d’un réseau électrique (zones rurales dans les pays en développement, relais de communication, téléphones sur les autoroutes, balises en mer, satellites…) pour 25 à 30 % du marché ;
- des systèmes raccordés au réseau électrique (toits et murs photovoltaïques de maisons, centrales photovoltaïques) pour 70 à 75 % du marché.
- d’autres applications individuelles, comme les montres et les calculettes alimentées par des cellules de faible puissance, pour 2 à 5 % du marché.
II .2.4.Les Avantages :
Propre, abondante et inépuisable, le soleil envoie en permanence sur la terre 10.000 fois plus d’énergie que l’Humanité n’en consomme.
Un panneau de 1m2 permet de fournir une puissance de 100watts et peut produire : 80 à 150 KWh .les cellules photovoltaïques sont reliées entre elles et constituent les panneaux solaires (modules) qui convertissent en électricité environ 15% de l’énergie solaire reçue .
Les panneaux sont connectés à un récepteur et produisent de l’électricité selon le niveau d’ensoleillement, leurs performances électriques sont garanties pendant 25 ans. On estime que 2.5 milliard de personne n’ont pas accès à l’électricité, moins onéreux que l’extension de réseaux électriques les systèmes photovoltaïques peuvent être une solution adaptée à ce problème et une voie possible de développement des zones isolées.
L’une des grandes forces du photovoltaïque est de reposer sur des technologies disposant encore de fortes marges de progrès et d’innovations, et pour lesquelles d’importants efforts de recherche sont entrepris.
II .2.5.Les inconvénients :
Si le photovoltaïque se place nettement mieux que l'électricité produite au charbon ou au gaz, il reste nettement plus émetteur que les deux modes de production d'électricité "sans CO2" que sont l'hydraulique et le nucléaire. Les émissions de gaz à effet de serre de l'énergie solaire photovoltaïque étant cependant inférieures à ce qu'elles sont pour les combustibles fossiles, il est par contre parfaitement recevable de l'utiliser en priorité pour "sortir du pétrole".
Le stockage de l’énergie solaire se fait avec une batterie au plomb, ce qui est la manière actuelle de faire, le calcul est un peu différent : le rendement du stockage est de 70%
en gros, mais il faut aussi déduire l'énergie de fabrication de la batterie, tout comme il faut tenir compte de l'énergie de fabrication du panneau. Sachant que le panneau a une durée de vie de 25 ans environ, on peut retenir comme ordre de grandeur que la moitié du temps de fonctionnement sert à rembourser l'investissement énergétique de départ. Si le stockage se fait sur pile, nous pouvons forfaitairement prendre les mêmes déductions pour la fabrication de la pile elle-même, du réservoir d'hydrogène, de l'électrolyseur, etc.
Les actuels panneaux réclament environ 12 Kg de silicium par kilowatt de puissance installée pour un prix de gros avoisinant 3500 euros par kilowatt crête (unité qui définit la puissance électrique disponible aux bornes du générateur dans des conditions d’ensoleillement optimales) ce qui rend le développement de cette énergie difficile.
II.3. L’énergie solaire thermique :
Le flux solaire peut être directement converti en chaleur par l'intermédiaire de capteurs solaires thermiques.
Cette technique est applicable au chauffage des habitations, des piscines, à la production d'eau chaude sanitaire (ECS), ou encore au séchage des récoltes (fourrage, céréales, fruits).
II .3.1.Les Capteurs solaires thermiques :
La chaleur est récupérée grâce à un fluide (eau + antigel ou air) caloporteur, qui s'échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un vitrage. Celui-ci laisse pénétrer la lumière solaire et minimise les pertes par rayonnement infrarouge de l'absorbeur en utilisant l'effet de serre. En outre, ce vitrage permet de limiter les échanges de chaleur avec l'atmosphère comme le montre cette figure ci-dessous.
Le capteur solaire sera d'autant plus performant que le revêtement de l'absorbeur aura un coefficient d'absorption élevé et un coefficient d'émission faible. Les performances du capteur sont encore améliorées en isolant la face arrière du module. Des fabricants proposent des capteurs pouvant remplir la fonction de toit couvrant, pour une meilleure intégration architecturale.
Source AJENA
Figure 1 : schématisation d’un capteur thermique Les différents types de panneaux :
II.3.2.1.Les capteurs non vitrés : ce sont de longs tubes noirs (la couleur qui piège le mieux la chaleur) en plastique ou en métal, dans lesquels circule de l’eau. Ils ne sont pas isolés, ce qui fait que l’élévation de température obtenue est faible : +20° C par rapport à la température de l’air. Ces capteurs sont bien adaptés pour le chauffage des piscines.
II.3.2.2. Les capteurs plans : ils comprennent un caisson isolant au-dessus duquel est fixée une vitre en verre ou en plastique. A l’intérieur, une feuille métallique noire absorbe la chaleur du soleil, qui est emprisonnée dans le caisson. Cette chaleur est transmise à de l’air, de l’eau, ou un autre fluide caloporteur qui ne gèle pas en hiver. L’élévation de température par rapport à la température de l’air ambiant peut atteindre + 70° C. C’est l’idéal pour produire de l’eau chaude pour la maison ou pour le chauffage de tous les types de bâtiments.
II.3.2.3. Les capteurs sous vide :
Ils se présentent sous la forme d’un panneau où sont alignés une série de tubes de verre transparent. Dans ces tubes, on a fait le vide, qui est un des meilleurs isolants thermiques existants. Dans chaque tube, un absorbeur capte la chaleur solaire et un système d’échangeur de chaleur la transmet à un fluide caloporteur. Comme pour les autres capteurs, le fluide caloporteur circule vers les points d’utilisation. Avec ce système, les déperditions de chaleur sont très faibles. La température peut s’élever jusqu’à 100-140° C, Ces capteurs sont adaptés aux applications industrielles qui nécessitent de hautes températures.
II.4.l’énergie solaire thermodynamique :
On désigne par « solaire thermodynamique » l’ensemble des techniques qui visent à transformer l’énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée puis celle-ci en énergie mécanique et électrique à travers un cycle thermodynamique.
Le rayonnement solaire est une source de chauffage d’un fluide dont le but est d’entraîner une turbine à vapeur ou à combustion qui transmet l’impulsion nécessaire à la production d’électricité. De plus cette chaleur pourra être stockée.
Cette technologie utilise l’ensemble du spectre : de l’ultra violet à l’infra rouge.
Elle fournit un courant alternatif (contrairement à l’énergie photovoltaïque) ce qui lui permet de se connecter directement sur le réseau électrique. Elle fait appel à des technologies éprouvées.
II.5.centrales solaires :
La production d’électricité solaire suit le même principe que les autres transformations de chaleur en électricité (centrales thermiques, centrales nucléaires…). On transforme la chaleur en énergie mécanique, sous la forme d’un gaz porté à haute température et haute pression qui fait tourner une turbine. Puis cette énergie mécanique est transformée en électricité : la turbine entraîne un alternateur. Pour que le système ait un bon rendement, il est indispensable d’obtenir des hautes températures pour chauffer le gaz.
Les capteurs solaires, même sous vide, ne permettent pas d’atteindre les très hautes températures nécessaires. Le principe d’une centrale solaire va donc être de concentrer les rayons solaires vers un point, comme on le fait avec une loupe pour enflammer un bout de papier !
Il existe 3 types de centrales solaires, en fonction de la méthode de focalisation des rayons solaires :
II.5.1.Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques : ce sont des alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques, 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.
II.5.2.Les centrales à tour : un ensemble de miroirs orientables 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.
II.5.3.Les centrales à collecteurs paraboliques : la même forme que nos antennes paraboliques, mais en plus grand. Les paraboles ont un diamètre de 10 à 20m 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. La mini-centrale produit de l’électricité grâce à un moteur Stirling, qui fonctionne non pas avec du carburant mais grâce à un apport de chaleur extérieur.
Les pistons du moteur se déplacent sous l’effet de l’expansion d’un gaz en un point où arrive la chaleur et de sa contraction en un point plus froid.
Les 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.
II .6.Le chauffe-eau solaire : Le chauffe-eau solaire est composé de trois principaux éléments :
- des capteurs thermiques vitrés qui reçoivent le rayonnement solaire, - un ballon de stockage de l'eau sanitaire,
- un ensemble de régulation.
L'eau glycolée, chauffée par le capteur solaire, transfère sa chaleur à l'eau sanitaire du ballon de chauffe grâce à un échangeur. L'eau du ballon de chauffe est transférée à un ballon d'appoint, où un système annexe (chaudière, résistance électrique) permet de porter l'eau à la température désirée.
II .7.La climatisation solaire :
La climatisation solaire est une climatisation qui utilise l'énergie thermique du soleil et qui ne contient aucune partie mobile. Le soleil chauffe un tuyau de poêle d'un diamètre de 150mm environ. L'air chaud va ainsi monter et créer une aspiration d'air au bas du tuyau.
En faisant tourner l'air rapidement dans le tube, on crée un effet vortex qui permet de récupérer du froid de l'air qui y circule : dans un tourbillon, la force centrifuge crée
une dépression au centre et y refroidit ainsi l'air. Il suffit donc de faire passer un tube plus fin au centre du tuyau de poêle pour refroidir l'air qu'il contient et le faire passer dans la pièce.
II .8.L’énergie solaire extra-atmosphérique :
L’idée de ce type de projet est d’installer dans l’espace de gigantesques stations orbitales comprenant d’énormes surfaces de capteurs solaires. L’énergie récupérée par unité de surface de capteurs serait très supérieure à celle observée sur terre, car l’atmosphère ne ferait pas en partie écran au rayonnement du soleil. Comment transférer l’énergie électrique récupérée par les capteurs spatiaux ? Sous la forme de micro-ondes, en direction de récepteurs sur terre. Pourvu que les émetteurs spatiaux visent bien !
la NASA a effectué des recherches sur le sujet entre 1995 et 2000. Et, en 2001, le Japon a annoncé qu’il allait construire une centrale de ce type : elle devrait être terminée en 2040.
Cette centrale solaire orbitale fonctionnerait ave 2 panneaux solaires géants de 1 x 3km et pèserait 20 000 tonnes.
II .9.Les Avantages et les inconvénients : II .9.1.Les Avantages :
Le solaire reste une source d’énergie encore peu développée et relativement chère.
Mais son avenir semble assuré en raison de l’augmentation des prix des énergies fossiles à laquelle il faut s’attendre dans les années à venir. L’énergie solaire est propre, ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne produit pas de déchets toxiques. Elle ne pourra pas remplacer à elle seule les énergies fossiles, du fait des surfaces gigantesques disponibles dont on aurait besoin pour cela, mais elle permet néanmoins de réaliser d’importantes économies d’énergie.
Les technologies du solaire domestique sont efficaces et éprouvées. Et des progrès techniques considérables vont encore être accomplis : les chercheurs d’universités de plusieurs pays rivalisent d’ingéniosité pour créer une « maison solaire », dépendante uniquement du soleil pour sa consommation d’énergie.
II .9.2.les inconvénients :
Les investissements dans le solaire restent assez coûteux. Pour intéresser les
investisseurs privés et les particuliers qui voudraient s’équiper, le solaire doit pour l’instant être subventionné directement ou indirectement par les gouvernements dans les pays développés.
III .L’énergie éolienne :
Image : Ferme éolienne
III .1.Introduction :
Une hélice entraînée en rotation par la force du vent (éole = dieu du vent de la Grèce antique) permet la production d'énergie mécanique ou électrique en tout lieu suffisamment venté.
Les applications de l'énergie éolienne sont variées mais la plus importante consiste à fournir de l'électricité à l’échelle d’une région, d’un pays. Ce sont des parcs d'aérogénérateurs ou "fermes"
éoliennes. Ils mettent en œuvre des machines de moyenne et grande puissance (200 à 2000kW).
Production d’énergie mécanique par le vent :
Petites sœurs des moulins à vent, les éoliennes mécaniques servent le plus souvent au
pompage de l'eau. L'hélice entraîne un piston, qui remonte l'eau du sous-sol. Cette technique est bien adaptée pour satisfaire les besoins en eau (agriculture, alimentation, hygiène) de villages isolés, notamment dans les pays en voie de développement
III .2.La production d’électricité par éoliennes : Composition d’une éolienne :
La figure ci-dessous présente les éléments principaux qui composent la machine. L'énergie du vent captée sur les pales entraîne le rotor, couplé à la génératrice, qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Celle-ci est ensuite distribuée aux normes sur le réseau, via un transformateur.
Figure 1. Schéma d’une éolienne
Une éolienne est composée de trois parties : le mât, la nacelle et le rotor.
Figure 2 : structure d’une éolienne.
Principe de fonctionnement d'une éolienne:
Sous l’effet du vent, le rotor tourne. Dans la nacelle, l’arbre principal entraîne un alternateur qui produit l’électricité. La vitesse de rotation du rotor (de 12 à 15 tours/minute) doit être augmentée par un multiplicateur de vitesse jusqu’à environ 1 500 tours/minute, vitesse
nécessaire au bon fonctionnement de l’alternateur. Des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 Hz en Europe), tout en permettant au rotor de l’éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent. La tension de l’électricité produite par l’alternateur, de l’ordre de 600 à 1 000 volts, est ensuite élevée à travers un transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l’intérieur du mât, jusqu’à un niveau de 20 000 ou 30 000 volts. Ce niveau de tension permet de véhiculer l’électricité produite par chacune des éoliennes d’une centrale éolienne jusqu’au point de raccordement au réseau électrique public.
La tension de l’électricité produite par la centrale peut alors être de nouveau transformée, en fonction du niveau de tension de raccordement de la centrale au réseau public.
III.3.L’éolienne en mer : L’Offshore
Au large des côtes, le vent est plus fort et plus stable, et la visibilité des éoliennes s'en trouve bien sûr réduite. Favorisés par la faible profondeur des eaux côtières de la Mer du Nord et de la mer Baltique, de multiples projets d'installations d'éoliennes très puissantes, reposant sur les fonds marins à quelques encablures au large, sont donc lancés par nos voisins d'Europe du Nord.
III .4. Economie de l’énergie éolienne :
Des milliers d’éoliennes fonctionnent à l’heure actuelle dans diverses régions du monde, avec une capacité totale de plus de 93 800 MW à fin 2007, et l’Europe y prend part à 65 % (fin 2006). Ne sont pas comptabilisées dans ce total quelques compagnies privées reliées ou non au réseau.
Les pays qui s'intéressent au développement de l'éolien sont encore en phase de premier investissement (mise en service de champs d'éoliennes qui n'existaient pas auparavant). De fait, les capacités installées croissent en permanence mais à des rythmes différents selon les pays, et classer les États par puissance installée donne un résultat mouvant d'une année à l'autre. Néanmoins, il ressort des chiffres actuels que les plus gros pays investisseurs sont les pays occidentaux (Amérique et Europe), mais l'Asie, avec l'Inde et la Chine, commence à tenir un rang important.
Figure 3 : Capacité totale installée (MW) et prévisions 1997-2010, source:
http://www.wwindea.org/ WWEA e.V.
L’Allemagne est le principal producteur d’électricité éolienne avec 22 247 MW de puissance installée à la fin de l’année 2007. En 2007, la France était le 6e producteur d’énergie éolienne en Europe avec 2455 MW (WWEA 2006). Le Maroc produit 140 MW par an (2007) cette
production va s’accroitre dans les années à venir. Le Maroc est le premier producteur d’énergie éolienne en Afrique.
Depuis 2008, les USA ont le deuxième parc mondial d'éoliennes, suivis par l’Espagne qui a une puissance installée de 15 145 MW.
Les chiffres ci-dessus doivent être pondérés en tenant compte du facteur de charge, c’est-à- dire de la durée de fonctionnement et de production de l’équipement dans une année. Pour l’éolien, le facteur de charge est d’au plus de 20 %. La plupart des éoliennes terrestres fonctionnent avec un facteur de charge de 25 % par année, exceptionnellement 35 %. Par exemple pour l’Allemagne il n’est que de 16 % en 2005, contre un facteur de charge de plus de 80 % pour une centrale nucléaire. On peut observer de plus que le facteur de charge diminue avec l’augmentation du parc d’éoliennes, conséquence directe de l’exploitation de sites de moins en moins ventés.
De nouvelles fermes éoliennes en mer (éolien offshore) sont envisagées partout dans le monde. Le Danemark est l’un des acteurs les plus importants, avec son laboratoire Risø, très renommé ; le pays produit environ 20 % de son électricité avec des éoliennes. Les éoliennes produisent 1 % de la production de l’électricité dans le monde. La taille la plus rentable et la plus pratique pour les éoliennes actuellement commercialisées semble être autour de 600 kW à 2& MW, groupées dans de grandes fermes éoliennes. Les nouvelles technologies en cours de développement cherchent à produire des systèmes beaucoup plus souples en termes de
"puissance rentable".
Principales sociétés productrices d'énergie éolienne : Les principaux producteurs d'énergie éolienne dans le monde sont (par ordre décroissant de puissance installée en mégawatt, fin 2007
• Iberdrola (Espagne) (plus de 5.000 mégawatts installés)
• FPL Energy (Etats-Unis) (4.000 MW)
• Acciona (Espagne) (plus de 2.000 MW)
• Babcock Brown (Australie) (vers 1.500 MW)
• Endesa (Espagne) (plus de 1.000 MW)
• EDP (Portugal) (plus de 1.000 MW)
Rang (2006) Pays MW 2006 MW 2007
01 Allemagne 20 622 22 247
02 Espagne 11 615 15 145
03 États-Unis 11 603 16 819
04 Inde 6 270 7 850
05 Danemark 3 136 3 125
06 Chine 2 405 5 899
07 Italie 2 123 2 726
08 Royaume-Unis 1 963 2 389
09 Portugal 1 650 2 130
10 France 1 567 2 455
11 Pays-Bas 1 560 1 747
12 Canada 1 451 1 846
13 Japon 1 394 1 538
Tableau 2 : Puissance éolienne totale (fin de 2006 et fin 2007).
III .5.Aspect environnemental de l'énergie éolienne : Les principales propriétés des éoliennes sont les suivantes
Réduction de l'émission de gaz a effet de serre et d'autre polluant et substitution des ressources épuisable par une autre non -épuisable.
- Elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs.
-Lorsque de grands parcs d’éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2 p. 100 du sol environ est requis pour les éoliennes. La surface restante est disponible pour l’exploitation agricole, l’élevage et d’autres utilisations.
- Les propriétaires fonciers reçoivent souvent un paiement pour l’utilisation de leur terrain, ce qui augmente leur revenu ainsi que la valeur du terrain.
-La propriété des aérogénérateurs par des particuliers et la communauté permet aux gens de participer directement à la conservation de notre environnement.
-Chaque mégawatt-heure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 produites chaque année par la production d’électricité avec le charbon ou le diesel.
-Concernant les émissions sonores, des efforts considérables sont été déployés dans le but de réduire celui-ci à un niveau plus bas. Les fabricants ont ainsi réduit cette nuisance potentielle en améliorant l'aérodynamisme des pales, en trouvant des moyens pour réduire le bruit des engrenages dans la nacelle et plus récemment, en supprimant complètement le multiplicateur de vitesse.
- Quant à l'impact des éoliennes sur les oiseaux, plusieurs études scientifiques ont démontré que la plupart des oiseaux identifient et évitent l'hélice qui tourne. Il est néanmoins essentiel de s'assurer que le lieu d'un projet d'implantation d'éoliennes ne se situe pas dans un couloir de migration d'oiseaux, ni à proximité d'un site de reproduction.
III.6. Conclusion :
L’énergie éolienne constitue un moyen propre et renouvelable de produire de l’électricité. Son avenir comme moyen de compléter la production d’électricité (en particulier nucléaire) apparaît logiquement tout tracée. Mais les avantages et les inconvénients de l’énergie éolienne font l’objet d’âpres discussions. Comme pour l’instant l’électricité éolienne est plus chère à produire que par les moyens classiques (nucléaire, thermique), elle nécessite des subventions. L’avenir immédiat de l’éolien pourrait être freiné si ses adversaires parvenaient à convaincre les pouvoirs publics de certains pays. Mais ces retards apparaissent comme des combats d’arrière-garde : il est certain qu’à l’avenir, de plus en plus de ces grandes hélices vont fleurir dans les régions où le vent souffle souvent.
IV .L’énergie des océans :
Les mers et océans recouvrent les deux tiers de la surface globale et recèlent des quantités d’énergie bien supérieures aux besoins énergétiques de l’Humanité.
Les océans regorgent d’énergie. Tout d’abord, l’énergie cinétique des masses d’eau en mouvement. Et aussi l’énergie thermique accumulée par la surface des océans chauffée par le soleil. Les quantités d’énergie concernées sont énormes, mais la difficulté est de les récupérer.
IV.1.L’énergie des vagues :
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, et elle varie suivant les saisons. Elle est importante en Europe du Nord- Ouest, en particulier le long des côtes britanniques.
Les techniques : Il existe 3 types de dispositifs pour récupérer l’énergie des vagues :
- Des 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 ;
- Des 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 ;
- Des 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 comme le montre le schéma ci-dessous :
Figure 4 : Récupération de l’énergie des vagues IV.2.L’énergie des courants marins :
Dans les océans, d’énormes masses d’eau se déplacent, mais à des vitesses faibles (10 à 20 km/h). Ce sont les courants marins, dont une partie est provoquée par les marées. Cette énergie peut être captée par des éoliennes sous-marines, les hydroliennes. Les hydroliennes actuellement étudiées ou testées sont de grandes hélices, ou des batteries de turbines sous- marines, fixées sur le fond de la mer par 20 à 40 m de fond, ou flottant entre deux eaux.
Les principaux problèmes des hydroliennes :
- un coût très élevé dû, entre autres, à des opérations de maintenance lourde ; - la corrosion des matériaux par l’eau de mer ;
- l’opposition des pêcheurs au chalut, auxquels elles barrent l’accès aux zones où elles sont installées (champ d’hydroliennes = sanctuaires à poissons !)
Une hydrolienne de 20 m de diamètre est en test par 75 m de fond depuis janvier 2004, dans le Kvalsund, au nord de la Norvège. Des projets sont en cours d’étude aux Etats-Unis (exploitation du Gulf Sream), en Italie (détroit de Messine) et en Grande-Bretagne.
L’éolien possède donc sa contrepartie sous-marine, qui s'appelle l'hydrolien, et consiste à exploiter des hélices sous-marines situées dans le lit des courants de marée, lesquels sont particulièrement forts - en Europe - dans les zones peu profondes de la Manche et des mers environnant la Grande Bretagne.
Figure 5 : Carte de la ressource hydrolienne en Europe (Vitesse maximale du courant en cm/s). Source : Groupe de Travail Énergies Alternatives d'ECRIN.
On note que l'essentiel de la "ressource" est localisée pour l'essentiel autour de la Grande Bretagne, mais aussi pour une large partie dans la Manche, une des zones les plus fréquentées au monde par les bateaux de commerce. Rappelons que la "'puissance" du courant est proportionnel au cube de la vitesse.
Qui dit courants de marée dit que nous ne sommes pas loin des côtes, ce qui a comme avantage que l'on travaille avec des profondeurs d'eau qui ne sont pas considérables (et donc des supports pour les ouvrages qui ne font pas des kilomètres de hauteur), mais l'inconvénient de prendre sur des zones déjà utilisées pour d'autres activités qui peuvent être gênées tel que : la pêche et les trafics maritimes. Mécaniquement, une hydrolienne ressemble à une éolienne : c'est une hélice qui entraîne un alternateur, avec des puissances unitaires qui se ressemblent (quelques centaines de kW à quelques MW par unité). La limite en taille vient essentiellement du fait que l'hélice doit être immergée en totalité à marée basse, alors que l'ensemble fonctionne près des côtes, avec une hauteur d'eau qui est nécessairement non considérable.
Il y a cependant une différence majeure avec l'éolien au niveau de l'exploitation : à la différence du vent, la "prévisibilité" des courants de marée est excellente, puisque les marées sont connues des années à l'avance, et hormis les périodes d'étale l'eau est toujours en mouvement, ce qui limite les périodes sans production à pas grand chose. Cette deuxième caractéristique a aussi pour conséquence que le "facteur de charge" est de l'ordre de 50% (une hydrolienne produit "comme si" elle fonctionnait le moitié du temps à pleine puissance) au lieu des 15% à 20% de l’éolien.
Comme la marée est une onde, en implantant des hydroliennes espacées d'un quart de période (soit environ 3 heures de marée) on obtient une production garantie en permanence.
Exemple de production hydrolienne sur la figure ci-dessous avec 3 installations placées dans les zones de plus fort courant en Bretagne Nord (Fromveur, près d'Ouessant, Sein, et Raz Blanchard, entre le Cotentin et Alderney - ou Aurigny).
Figure 6 : production bretonne des 3 sites majeurs. Source : Hydrohelix energies, 2004.
IV.3.L’énergie marémotrice :
Pour être rentable, une usine marémotrice ne peut être installée n’importe où. Les amplitudes de marées doivent être importantes : en moyenne 10 à 15 m pour les meilleurs sites. Et il faut pouvoir construire un barrage dans de bonnes conditions. En effet, une usine marémotrice fonctionne sur le même principe qu’une centrale hydroélectrique : une chute d’eau qui entraîne une turbine, la turbine entraînant un générateur d’électricité. Comment fonctionne ce barrage ? À marée montante, il laisse passer la mer qui envahit le bassin de retenue. Dès que la marée se prépare à redescendre, le barrage est fermé. L’eau ainsi retenue servira à alimenter les turbines à marée basse. Comme la plupart des autres énergies
renouvelables, l’électricité marémotrice est intermittente. Toutefois, avec une différence de taille : elle est parfaitement prévisible, et même des années à l’avance. Le potentiel de l’énergie des marées dans le monde est difficile à calculer. Il pourrait se situer entre 500 et 1 000 TWh/an (production mondiale d’hydro-électricité : 2 700 TWh en 2002).
IV.4.Energie thermique des mers :
Une autre manière de tirer de l'énergie de l'océan est de tirer parti de la différence de température entre l’eau de surface et l’eau profonde de l'océan,qui dépasse 20°C dans la zone
tropicale.
Figure 7 : Cartographie des différences de température entre la surface et l'eau à 1000 m de profondeur .Source : Groupe de Travail Énergies Alternatives d'ECRIN, 2007.
En clair, exploiter cette différence de température signifie créer une machine thermique, dont le rendement est fortement limité avec la différence de température disponible (pour 20 °C de différence avec de l'eau à 25°C en surface et à 5°C en profondeur, le rendement mécanique maximal en sortie est de 6,7% de la chaleur exploitée). Il faut donc créer de vastes circulations d'eau pour des puissances pas énormes (avec une conduite de 1,5 m de diamètre allant à 1000 m de profondeur on peut envisager 1 MW, soit 1/1000è de centrale électrique "classique", et avec un diamètre de 5 m on peut envisager quelques centaines de MW).
En outre, une partie de l'énergie produite irait dans l'autoconsommation du dispositif, puisque l'eau froide est plus dense que l'eau chaude, et donc qu'il faut pomper l'eau froide des profondeurs ; elle ne monte pas toute seule !
IV .5.L’avenir des énergies des océans :
En 2002, l'énergie des océans a fourni 0,009 % de la production totale d'électricité des pays industrialisés (0,02 % de la production d'électricité en Europe). La France est le principal producteur avec l'usine marémotrice de la Rance (63 %), suivie du Canada (37 %). Le recours à l'énergie des océans s'est développé depuis 1990 à un rythme faible (0,7 % par an en moyenne).
Cependant, outre l'énergie marémotrice, les océans recèlent diverses sources d'énergie susceptibles d'être transformées en électricité (courants, houle, puissance des vagues, différence de température entre la surface et la profondeur, etc.).
V .L’énergie géothermique : V.1.Introduction :
Quand on creuse profondément sous terre, par exemple une mine ou un forage, on s’aperçoit que la température augmente peu à peu, en moyenne de 3° C par 100 mètres.
C’est ce qu’on appelle le gradient géothermique. L’eau contenue dans les roches réservoir du sous-sol est donc de l’eau chaude. Et elle est d’autant plus chaude que le réservoir est plus profond. Le principe de la géothermie est d’utiliser ces réservoirs d’eau chaude pour récupérer une partie de la chaleur. Elle peut être utilisée directement pour le chauffage et, quand l’eau est suffisamment chaude, pour la production d’électricité
L’eau chaude géothermique était déjà utilisée dans l’Antiquité, en Chine, au Japon et à Rome, pour les lavages, les bains et ses vertus thérapeutiques. Les Romains l’utilisaient même pour chauffer les parois et les planchers de leurs maisons. La géothermie est une énergie renouvelable, à condition que l’eau chaude souterraine soit exploitée avec modération, car elle ne se réchauffe que lentement.
V.2.Formes d’énergie géométrique : Suivant la température de l’eau. On distingue trois formes d’énergies :
- La géothermie basse énergie : température de l’eau comprise entre 30 et 100° C. La profondeur des réservoirs atteint 1 000 à 2 500 m. Elle permet de couvrir une large gamme d'usages : chauffage urbain, chauffage de serres, utilisation de chaleur dans les process industriels, thermalisme...
Figure 8 : schématisation du principe de la géothermie basse énergie.
-La géothermie très basse énergie : (les pompes à chaleur).
La géothermie très basse énergie (12 °C-50 °C) a des caractéristiques identiques à la précédente. Elles en diffèrent toutefois par la profondeur beaucoup plus faible de la source géothermique (de 0 à 1 000 m). Le forage est donc plus rapide et moins coûteux.
Cette énergie, si elle a surtout été utilisée pour chauffer des serres en agriculture ou de petits groupes d’habitations, est maintenant entrée dans le domaine du chauffage individuel des maisons neuves. Nous assistons actuellement, dans l'habitat individuel, au retour des pompes à chaleur (PAC) qui utilisent la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un plancher chauffant.
Ce principe connu depuis une vingtaine d'années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permettent de rivaliser avec les moyens de chauffage "traditionnels". Cependant des dérives commerciales conduisent ses promoteurs à le présenter comme une alternative
environnementale crédible aux énergies fossiles et au nucléaire... Alors qu'une part non négligeable de l'énergie fournie par une PAC est d'origine électrique.
Le principe :
Des capteurs enterrés sont constitués d'un réseau de tubes dans lequel circule un fluide caloporteur : fluide frigorigène de type HCFC dérivé du fréon, ou de l'eau glycolée.
Pour restituer cette chaleur dans le plancher chauffant de la maison plusieurs solutions existent. Une PAC peut être réversible et permettre au plancher de devenir rafraîchissant en période estivale. Pour 1 kWh électrique consommé, une pompe à chaleur produit en moyenne 2 à 4 kWh de chaleur. Une PAC est donc une forme adoucie de chauffage électrique.
La géothermie moyenne énergie : température de l’eau comprise entre 100 et 180° C. On l’utilise pour produire de l’électricité. On la rencontre dans les zones volcaniques, dans des réservoirs à moins de 1 000 m de profondeur. Et aussi dans les bassins sédimentaires, mais dans des réservoirs à plus grande profondeur que ceux de la géothermie basse énergie (2 500 à 4 000 m).
-La géothermie haute énergie : température de l’eau comprise entre 180 et 350° C. L’eau est utilisée sous forme de vapeur pour produire de l’électricité. On la trouve dans les zones volcaniques et à la frontière des plaques tectoniques en collision ou en formation (tous les archipels volcaniques bordant le Pacifique – la « Ceinture de feu » –, l’Islande…).
Figure 9 : schématisation du principe de la géothermie haute énergie.
V.3.L’électricité géothermique :
Dans le cas de la géothermie moyenne énergie, l’eau utilisée est sous la forme liquide et maintenue sous pression pour lui éviter de bouillir.
Si la température de l’eau est inférieure à 140° C, on utilise en général un échangeur de chaleur : l’eau réchauffe le liquide d’un circuit secondaire (par exemple un alcane léger) et le porte à ébullition. C’est le gaz ainsi produit dans le circuit secondaire qui fera tourner une turbine et produira l’électricité, avant d’être de nouveau liquéfié. Si l’eau a une température plus élevée, on abaisse sa pression dans une enceinte prévue à cet effet . Elle passe sous forme de vapeur, qu’on utilise pour actionner une turbine, comme dans le cas de la géothermie haute énergie.
Dans le cas de la géothermie haute énergie, l’eau est utilisée sous forme de vapeur à haute température. La vapeur est envoyée dans une turbine qui, en tournant, permet de produire de l’électricité. En général, la vapeur d’eau est humide, c'est-à-dire qu’elle contient une fraction d’eau sous forme liquide. Cette eau liquide doit être séparée avant l’envoi de la vapeur dans la turbine. Dans les cas plus rares de vapeur sèche, on peut l’envoyer directement dans la
turbine, sans traitement particulier autre qu’une purification à la sortie du puits.
V.4.Les avantages de la géothermie :
- La géothermie est écologique : Une exploitation géothermique produit peu de rejets. La quantité moyenne de CO2 émise dans l'atmosphère par les centrales géo-thermo-électriques dans le monde (estimation faite sur 73% du parc mondial) est de 55 g/kWh, alors qu'une centrale au gaz naturel en produit 10 fois plus. Ce niveau peut être ramené à des valeurs nulles par la réinjection des fluides géothermaux dans les réservoirs dont ils sont issus - une technique largement répandue aujourd'hui. C'est donc une énergie propre qui ne participe pas à la dégradation du climat comme le font les énergies fossiles.
- La géothermie est renouvelable : Contrairement aux réserves fossiles, la géothermie ne se vide pas de son réservoir au fur et à mesure que l'on s'en sert. Le vecteur, de l'eau piégée outransitant dans le sous-sol, se renouvelle soit naturellement par le ruissellement des eaux de surface, soit par l'option technologique de l'injection artificielle. Quant à la chaleur, elle est contenue dans la roche qui représente 90% ou plus du gisement.
- La géothermie est partout : A la différence des énergies fossiles les plus utilisées aujourd'hui, ces réserves ne sont pas situées dans quelques sites particuliers, éventuellement désertiques ou au fond des mers. La chaleur du sous-sol est présente sur tous les continents, offerte à tous les hommes. Evidemment, selon la structure des formations géologiques ou la composition des roches, cette énergie sera plus ou moins facile à extraire, mais les technologies existent aujourd'hui pour permettre un développement planétaire de la géothermie.
V.5.Conclusion :
Le potentiel géothermique de la planète reste largement sous-exploité, en particulier dans de nombreux pays en développement : l’exemple des Philippines est l’arbre qui cache la forêt ! Mais dans ces pays, comme souvent pour les autres énergies renouvelables, le frein au développement de la géothermie est le manque de capitaux. Un puits géothermique coûte cher ; son étude préliminaire, son exploitation et sa surveillance demandent du personnel compétent et bien formé. Les pays en développement restent pour la plupart dépendants d’une aide extérieure…
VI .Les biocarburants :
Image : champ de colza
VI .1.Familles de biocarburants :
Les biocarburants sont obtenus à partir de plantes possédant une haute valeur énergétique.
Il existe deux familles de biocarburants :
VI .2.1.Ceux qui se substituent au gazole (moteurs diesel) : Ils sont issus de plantes oléagineuses (riches en huile), principalement le colza et le tournesol. Ces biocarburants sont produits sous deux formes :
- de l’huile végétale pure, avec l’inconvénient d’une viscosité élevée et d’une difficulté à s’auto-enflammer dans le moteur, ce qui est gênant pour un diesel.
- de l’EMHV (ester méthylique d’huile végétale), appelé aussi diester, qui est le produit de la réaction entre l’huile végétale et le méthanol. Le diester peut être mélangé au gazole en proportions variables. Il peut même être utilisé pur dans un moteur Diesel adapté (ainsi en Allemagne, en Autriche et en Suède).
VI.2.2.Ceux qui se substituent à l’essence : Ils sont issus de plantes riches en sucre
(betterave, canne à sucre) ou en amidon (blé, maïs, pomme de terre). Ces plantes génèrent des alcools par fermentation. Il existe deux types de ces biocarburants :
- l’alcool éthanol lui-même, qu’on peut utiliser mélangé à l’essence ou même pur (mais dans ce cas il faut un moteur spécial modifié) ;
- une combinaison entre l’éthanol et l’isobutène, un produit pétrolier des raffineries.
Ce carburant est l’ETBE (éthyl tertio butyl éther). Il existe aussi le MTBE (méthyl tertio butyl éther), mais celui-ci est fabriqué à partir de méthanol d’origine pétrolière.
L’ETBE et le MTBE peuvent être mélangés à l’essence en proportions variables.
Pour cultiver ces plantes énergétiques, les récolter, les transporter et les transformer, on dépense de l’énergie (engrais, machines agricoles, camions, unités de traitement et de transformation).
Il faut donc s’assurer qu’on récupère au bout du compte plus d’énergie qu’on en a consommé ! C’est ce qu’on appelle le bilan énergétique. Il est variable suivant les différentes plantes.
Dans le tableau qui suit, le ratio de production nette représente le rapport entre énergie fournie par le biocarburant et énergie dépensée pour le produire.
Culture Types de biocarburants Ratio de production nette
Colza Diester 2,1 à 3
Colza Huile 3 à 4,7
Betterave Ethanol 1,4 à 1,8
Blé Ethanol 1,15 en moyenne
On voit que le bilan énergétique n’est pas fameux pour l’éthanol de betterave et surtout de blé, il est bien meilleur pour le colza.
VI .3. Inconvénients :
Les biocarburants de première génération génèrent plus de problèmes que de solutions :
-La production à grande échelle de biocarburants pour l’exportation exige de grandes plantations d’arbres, de canne à sucre, de maïs, de palmier à huile, de soja et d’autres produits en régime de monoculture ce qui : menace la biodiversité, cause l’exode rural et la déforestation dans le monde accélérant l’avancée du désert.
-L’argument que le biodiesel est « neutre » en matière de carbone est discutable, puis qu’il ne tient pas compte, par exemple, de la manière dont les plantations de palmier à huile sont exploitées. Les estimations réalistes montrent que la fabrication de biocarburants à partir de ces cultures énergétiques nécessite davantage d’énergie d’origine fossile que celle qu’elles produisent, et que la réduction des émissions de gaz à effet de serre n’est pas significative au bout du compte.
VI .4.1.Les biocarburants du futur :
L’éthanol et le biodiesel sont de plus en plus critiqués : ils provoquent la hausse des prix alimentaires et sont une menace à la biodiversité. L'UE s'est donc engagée à utiliser les biocarburants de « seconde génération » comme alternative propre pour les transports, mais beaucoup de défis restent encore à relever avant qu'ils n’arrivent jusqu'à nos voitures.
Actuellement les biocarburants de seconde génération ne sont pas viables d’un point de vue commercial pour des raisons économiques. D’après un rapport de l’ONU sur les biocarburants, les carburants de seconde génération sont produits à partir de biomasse ligno- cellulosique grâce à des processus techniques avancés.
Les sources ligno-cellulosiques désignent les matériaux ligneux ou à base de carbone, mais qui ne sont pas utilisés dans la production alimentaire, comme les feuilles, les écorces d’arbres, la paille et les copeaux de bois.
Néanmoins, sur le long terme, de nombreuses personnes envisagent de produire des biocarburants de seconde génération à partir de matériaux indépendants des terres arables, comme les algues poussant dans les milieux aquatiques.
La nouvelle législation établira également la liste des « critères de durabilité » obligatoires, notamment l’utilisation des terres et les exigences concernant la biodiversité, ainsi qu’une obligation pour les biocarburants de ne pas émettre plus de gaz à effet de serre (GES) lors du processus de production qu’ils ne permettent d’en économiser au cours de leur utilisation.
VI .4.2.Les Avantages des biocarburants de seconde génération :
L’équilibre en terme de gaz à effet de serre est meilleur. L’éthanol cellulosique pourrait produire 75 % de CO2 de moins que le pétrole conventionnel, tandis que l’éthanol à base de blé, de maïs ou de betterave ne réduit les taux de CO2 que de 60 %. Pour le diesel, les technologies de conversion de la biomasse en liquide (BTL) pourraient faire chuter les émissions de CO2 de 90 %, comparé à la réduction de 75 % permise par le biodiesel actuellement disponible ;
Ils sont capables d’utiliser une plus grande quantité de matière première de biomasse et n’interfèrent pas avec la production alimentaire ;
Ils pourraient être produits à des prix concurrentiels, en particulier si l’on utilise la biomasse à faible coût.
Ce sont des carburants de meilleure qualité que les biocarburants de première génération.
VI .4.3.Mesures incitatives :
Des conditions à long terme sont nécessaires pour commercialiser les carburants de seconde génération malgré tous ces obstacles. Alors que le US Department of Energy (Département de l’énergie des Etats-Unis) a annoncé, début 2007, un investissement de 1,2 milliard de dollars en partenariat avec l’industrie et visant à rendre l’éthanol cellulosique plus concurrentiel que le pétrole d’ici 2012 – les gouvernements européens doivent encore s’engager à investir dans de telles ressources pour accomplir de nouvelles découvertes scientifiques dans le secteur de la seconde génération.
De plus, la Commission Européenne prépare actuellement une proposition concernant un système de mesures incitatives liées à la performance environnementale, qui pourrait notamment encourager la production et l’utilisation des biocarburants de seconde génération.
VI .5.Conclusion :
Avec l’augmentation des automobilistes dans le monde, l’essentiel des récoltes iront dans les raffineries pour satisfaire la demande en biocarburant. On estime aux USA qu’un plein d’essence de 50L nécessite 230 Kg de céréales alors qu’en Afrique pour nourrir une personne on dispose de 250 Kg de céréales par an.
Imaginez les besoins en carburant qu’engendrerait un 4×4, alors roulez en 4×4 ou nourrir la planète que choisirez vous ?
Au niveau mondial nous disposons actuellement de 1.400 millions d'hectares de terres arables (source FAO).En mettant toutes ces terres en cultures nous obtiendrions 1400 millions de tonnes d'équivalent pétrole, alors que le monde en consomme aujourd'hui...3500 millions de tonnes. Bref, en ne mangeant plus, nous pourrions faire rouler 40% de nos voitures au biocarburant !
VII .L’hydrogène :
L'hydrogène est le gaz le plus léger et le plus simple de tous les éléments gazeux. Il est le troisième élément le plus présent sur terre. Par contre, ce gaz n'existe pas à l'état naturel. Il est combiné avec d'autres atomes : on le trouve notamment dans l'eau, le pétrole ou le gaz naturel.
Il est primordial de savoir que l'hydrogène n'est pas une source, mais bien un vecteur d'énergie qu'il faut stocker pour que l'on puisse l'utiliser ultérieurement.
Il est utilisé aujourd’hui essentiellement dans la chimie, le raffinage ou l’industrie.
La production de ce gaz nécessite aussi soit de la chaleur, soit de l'électricité. Mais à l’heure des préoccupations environnementales, l’hydrogène pourrait bien, à terme, jouer un rôle prépondérant dans le paysage énergétique futur.
VII .1. Production de l’hydrogène :
VII .1.1. Production d’hydrogène à partir des énergies fossiles :
Aujourd’hui, 95% de l’hydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage, en fait, cette technique est habituellement utilisée pour augmenter l’indice d’octane provenant des essences lourdes comme le pétrole .Lors du reformage, on expose le carburant à une température élevée pour obtenir de l’hydrogène. Mais la production d’hydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du gaz carbonique(CO2) dans l’atmosphère, principal responsable de l’effet de serre , dans ce cas, un procédé de captage et de traitements des rejets (gaz à effet de serre) doit être développé .
L’Hydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Mais son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Comme ce mode de production est polluant et comme les ressources en énergies fossiles sont appelées à décroître, diversifier les modes de production s’avère indispensable.
Figure11 : Usine de vaporeformage
VII .1.2. Production d’Hydrogène par décomposition de l’eau :
Une voie possible consiste à dissocier les atomes d’oxygène et d’hydrogène combinés dans les molécules d’eau (selon la réaction H2O H2+1/2 O).cette solution est la plus intéressante en terme d’émission de gaz à effet de serre…..à condition d’opérer cette dissociation à partir de sources d’énergie elles-mêmes non émettrices de CO2. Deux procédés sont actuellement à l’étude :
L’électrolyse et la dissociation de la molécule d’eau par cycles thermochimiques.
L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en oxygène et hydrogène sous l’action d’un courant électrique. A condition que l’électricité nécessaire ne soit pas d’origine fossile. Les chercheurs utilisent une source d’électricité (soit à partir de l'hydroélectricité, l'énergie éolienne ou solaire) pour dissocier les atomes d'hydrogène (H2) et celui d'oxygène.
En les séparant, ils arrivent à produire de l'énergie qui peut être stockée. En plus d'être environ 15 % plus efficace que le reformage, cette technique permet de récupérer près de 80 % de l'énergie initiale nécessaire pour produire l'hydrogène à partir de l'électrolyse. De loin plus rentable du point de vue environnemental puisqu'elle ne produit comme résidu que de l'eau.
Actuellement, la production de l’hydrogène par électrolyse coute de 3 à 4 fois plus cher que la production par reformage du gaz naturel.
L’autre procédé de décomposition de la molécule d’eau par cycles thermochimiques permet d’opérer la dissociation de la molécule à des températures de l’ordre de 800° à 1000 °C.
De telles températures pourraient être obtenues par le par le biais des réacteurs nucléaires à haute température de nouvelle génération, actuellement à l’étude, ou de centrales solaires.
Figure12 : principales origines de l’hydrogène produit aujourd’hui dans le monde.
Il existe aussi deux autres moyens plus marginaux de produire de l'hydrogène : VII .1.3. Production directe à partir de la biomasse :
La biomasse est une source de production d’hydrogène potentiellement très importante. Elle est constituée de tous les végétaux (bois, paille etc.) qui se renouvellent à la surface de la terre. L’hydrogène est obtenu par gazéification, la quelle permet l’obtention d’un gaz de synthèse constitué du monoxyde de carbone et de l’hydrogène (CO+H2) qui sont récupérés et stockés pour être utilisés à bon escient. Cette solution est intéressante car la quantité de CO2 émise au cours de la conversion de la biomasse en hydrogène est à peu prêt équivalente à celle qu’absorbent les plantes au cours de leur croissance ; l’écobilan est donc nul.
-Des chercheurs ont découvert que certains microbes, algues et bactéries photosynthétiques produisent de l'hydrogène en transformant l'énergie solaire en hydrogène par un procédé chimique. Mais ce procédé n’en est aujourd’hui, qu’au stade du laboratoire.
VII .2. Production d’énergie à partir de Fusion nucléaire :
Une autre possibilité de production d’hydrogène réside dans le nucléaire. Depuis quelques années, des chercheurs étudient des réacteurs nucléaires dits de 4e génération. Non seulement plus sûrs, ils permettront une moindre consommation de combustible nucléaire, une production plus faible de déchets mais également en plus de la fourniture d’électricité, la production d’hydrogène. Les rendements devraient être de l'ordre de 50 %. Aujourd’hui, une dizaine de pays travaillent sur cette innovation technologique : la France, les USA, le Japon, le Royaume-Uni, la Suisse, l’Afrique du Sud, l'Argentine, le Brésil, le Canada et la Corée du Sud. En outre, au total, six nouvelles technologies de réacteur sont à l’étude : un réacteur refroidi avec de l'eau supercritique, un réacteur à neutrons rapides à refroidissement avec au choix sodium liquide ou alliage de plomb liquide, un réacteur à gaz à très haute température et un réacteur à sels fondus. Le CEA a choisi de retenir en particulier le réacteur à gaz à haute température (1100°C), noté VHTR. Le haut niveau de température permet la décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène. S’agissant du Japon et des USA, ils se tournent plutôt vers le réacteur à refroidissement au sodium liquide. Néanmoins, cette technologie ne serait commercialement disponible que vers 2030-2040. Quant au projet ITER de fusion nucléaire également productrice d’hydrogène, ses retombées ne sont attendues que pour la fin du siècle.
VII .3. L’utilisation de l’hydrogène :
Actuellement, la consommation mondiale d’hydrogène est de 50Mt .représentant moins de 2% de la consommation mondiale d’énergie. Il est utilisé comme matière de base notamment pour la production d’Ammoniaque et de méthanol et pour le raffinage des produits pétroliers.
ITER
Figure 13 : principaux marches de l’hydrogène.
Problème de stockage : Les systèmes carbonés :
Les systèmes carbonés contrairement aux métaux sont peu denses, non toxiques et disponibles en grandes quantités pour un prix raisonnable. Mais le graphite par exemple ne peut contenir que très peu d'hydrogène à température ambiante. La polémique est de savoir si cela vaut la peine d'utiliser ces nanotubes carbonés, dont la production en grandes quantités est encore coûteuse, pour stocker l'hydrogène.
Des scientifiques de l'université technique de Dresde et du National Research Council Canada ont montré grâce à une simulation sur ordinateur que l'incorporation de "Molécules Espace"
appropriées dans la structure du graphite, permet de stocker des molécules d'hydrogène dans des quantités plus importantes à température ambiante, que celles des structures déjà testées par le Departement of Energy des USA. Avec ce résultat s'ouvrent de nouvelles perspectives pour l'utilisation de l'hydrogène comme source d'énergie par exemple pour les automobiles.
Les algues vertes :
Des scientifiques de l'université de Bonn ont isolé le gène à l'origine de la production d'hydrogène chez l'algue verte. Ils sont parvenus à modifier génétiquement une espèce afin qu'elle double et parfois triple sa production d'hydrogène. L'hydrogène est un excellent moyen de stocker de l'énergie. D'ailleurs, les algues perdent de l'énergie lorsqu'elles le synthétisent, et n'en produisent que si elles y sont forcées. En coopération avec la firme californienne Melis Energy, l'université de Bonn a mis au point un régime sans soufre (entrant dans la composition de nombreuses protéines) afin de changer le comportement des algues. Leur métabolisme passe en mode "stockage d'énergie" : n'étant plus en mesure de synthétiser un grand nombre de protéines, elles stockent les surplus d'énergie résultant de la photosynthèse sous forme d'hydrogène. Les applications technologiques de l'algue verte sont désormais proches.
