QUE SAIS-JE ?

Les énergies renouvelables

JACQUES VERNIER

Ancien élève de l’École polytechnique

Président du Conseil supérieur de la prévention
des risques technologiques

Ancien Président de l’Agence de l’environnement
et de la maîtrise de l’énergie

Sixième édition mise à jour

21e mille

Remerciements

Mes remerciements vont aux ingénieurs de l’ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie), établissement public chargé en France de la promotion des énergies renouvelables, et d’EDF (pour le chapitre « Houille blanche »).

Du même auteur

La bataille de l’environnement, Robert Laffont, 1971.

L’environnement, PUF, coll. « Que sais-je ? », 10e éd., 2011.

978-2-13-061383-1

Dépôt légal – 1re édition : 1997

6e édition mise à jour : 2012, avril

© Presses Universitaires de France, 1997
6, avenue Reille, 75014 Paris

Introduction

Une grande partie de l’énergie utilisée aujourd’hui dans le monde (plus de 80 %) provient de gisements de combustibles fossiles (charbon 28 %, pétrole 34 %, gaz 22 %) ou d’uranium (2 %). Ces gisements, ces stocks, constitués au fil des âges et de l’évolution géologique, sont évidemment en quantité limitée : ils sont épuisables.

Par opposition, les énergies fournies par le soleil, le vent, les chutes d’eau, la croissance des végétaux, les marées, la chaleur de la terre sont renouvelables. Toutes ces énergies renouvelables n’ont d’ailleurs en définitive que deux sources : le soleil (puisque celui-ci est à l’origine du vent, du cycle de l’eau, des marées, de la croissance des végétaux) et la terre (qui dégage de la chaleur).

Par extension, on assimile souvent l’énergie tirée des déchets à une énergie renouvelable : on peut en effet considérer que l’activité humaine ou animale est perpétuelle, et donc source de déchets sans cesse renouvelés. Souvent, on englobe sous le nom de biomasse l’énergie d’origine végétale, encore appelée « houille verte » (bois et biocarburants), et les déchets humains, végétaux ou animaux¹.

L’utilisation de ces énergies renouvelables n’est évidemment pas nouvelle. Depuis des temps ancestraux, on a utilisé la chaleur du soleil, on a brûlé du bois ou des déchets, on a utilisé dans les régions volcaniques la chaleur de la terre, on a fait tourner les moulins à vent ou les moulins à eau, on a exploité la force des marées.

Certes, quelques « nouveautés » sont apparues plus récemment, par exemple les biocarburants d’origine végétale, ou la production d’électricité directement à partir du soleil, lorsque a été découvert l’effet dit « photovoltaïque ».

De toutes ces énergies renouvelables, deux seulement occupent aujourd’hui une place significative dans la fourniture d’énergie mondiale : la biomasse (« houille verte » et déchets) pour environ 11 % et l’énergie hydraulique (ou « houille blanche ») pour environ 2 %. Les autres énergies (soleil, vent, géothermie) sont jusqu’ici restées marginales.

Les énergies renouvelables ont-elles un avenir qui aille au-delà de leur part actuelle de septième du marché ?

À vrai dire, la principale raison de développement des énergies renouvelables au XXIe siècle ne viendra peut-être pas de l’épuisement rapide des autres énergies, comme on aurait pu le craindre récemment, notamment lors des chocs pétroliers des années 1970.

En effet, les réserves de pétrole se montent à quarante ans de la consommation actuelle, celles du gaz à environ soixante-cinq ans et celles du charbon à plus de deux cents ans. Celles d’uranium sont encore plus importantes, du moins si l’on maîtrise la technique des surgénérateurs qui permettent d’obtenir 50 fois plus d’énergie à partir d’une même quantité d’uranium.

Néanmoins, ce relatif optimisme sur les réserves doit être tempéré :

– les combustibles fossiles ne sont pas interchangeables entre eux pour tous les usages. Par exemple, les transports, qui représentent le quart de notre consommation d’énergie, reposent sur le « tout-pétrole ». Certes, on peut imaginer qu’on pourrait assez facilement tirer du charbon un nouveau carburant, le méthanol ; il n’empêche qu’un « sacré virage » devrait être opéré ;

– le pétrole et le gaz sont très inégalement répartis dans le monde. Le Moyen-Orient détient 65 % des réserves connues de pétrole. Les pays de l’ex-URSS et du Moyen-Orient détiennent 70 % des réserves connues de gaz. Il peut en résulter une insécurité d’approvisionnement et une tension sur les prix. Il est vrai qu’inversement le charbon est beaucoup mieux réparti dans le monde (même s’il y en a peu en Afrique, en Amérique du Sud et au Moyen-Orient).

En fait, ce n’est pas seulement le risque d’épuisement des combustibles fossiles, ni le souci de la sécurité de l’approvisionnement, mais d’autres raisons, plus « environnementales », qui pousseront à l’essor des énergies renouvelables au cours du XXIe siècle :

– la lutte toujours plus poussée contre la pollution atmosphérique favorisera les énergies peu ou pas polluantes pour l’air que sont par exemple le soleil, le vent, la géothermie ;

– les combustibles fossiles contribuent massivement au réchauffement progressif de la Terre (« effet de serre ») ² à cause du gaz carbonique que leur combustion rejette dans l’atmosphère. Là aussi, le soleil, le vent, la géothermie nous protégeront de ce réchauffement et de toutes ses conséquences climatiques. Même la combustion de la biomasse sera bénéfique, puisque le gaz carbonique rejeté par le brûlage des végétaux est recyclé par ceux-ci lors de leur croissance ;

– certes l’énergie nucléaire ne contribue pas à l’effet de serre, mais on sait par ailleurs les craintes qu’inspirent la sécurité des centrales, le sort des déchets nucléaires et les risques de prolifération des armes nucléaires ;

– le développement systématique de la « houille verte », notamment en ne détruisant pas les forêts existantes, mais en plantant spécialement des champs et des forêts à des fins énergétiques, de préférence sur des terres non arables, abandonnées ou en jachère, revitalisera des régions en voie de désertification.

Pour autant, toutes les énergies renouvelables ne doivent pas être béatement considérées comme ne présentant aucun risque environnemental : les risques de déforestation dus à un usage abusif du bois, les atteintes aux paysages causées par certaines éoliennes, les inconvénients de certains barrages hydroélectriques, l’esthétique parfois contestable de certaines installations solaires, les critiques adressées aux biocarburants de 1re génération (accusés de concurrencer les produits alimentaires) sont autant de freins possibles au développement de certaines énergies renouvelables.

Le principal reproche qui a souvent été fait aux énergies renouvelables serait – sauf pour la géothermie – d’être consommatrices, voire dévoreuses d’espace. Le déploiement de panneaux solaires, de batteries d’éoliennes, de cultures énergétiques nécessite certes de la place.

Néanmoins, les chiffres les plus fantaisistes ont circulé. Un article paru dans un grand quotidien estimait que 80 % du territoire de l’Inde serait bientôt recouvert de panneaux solaires si l’on voulait fournir toute l’électricité de ce pays à partir du soleil : en réalité, tous calculs faits, 1 à 2 % du territoire indien suffirait au milieu du XXIe siècle.

Un deuxième handicap est le caractère intermittent de certaines énergies renouvelables, notamment le soleil ou le vent, qui ne se transportent pas et ne se stockent pas.

Le caractère dispersé des sources d’énergie renouvelable peut être un avantage : c’est le cas pour le chauffage, qu’on utilise sur place, ou pour l’électricité dans toutes les régions du monde qui ne sont pas encore desservies par un réseau de distribution électrique. En revanche, dans les pays pourvus d’un réseau, le raccordement de multiples installations dispersées (éoliennes, panneaux solaires, etc.) peut créer une instabilité du réseau.

Le dernier handicap à surmonter par les énergies renouvelables sera, bien sûr, leur coût, même si les choses sont rapidement évolutives dans ce domaine, comme ce livre le montrera : certes, l’électricité d’origine solaire reste encore chère ; en revanche, l’énergie-bois, l’énergie des déchets, la chaleur solaire, le vent, l’énergie hydraulique, voire certains biocarburants atteignent d’ores et déjà les seuils de la compétitivité. Cette dernière est évidemment renforcée lors des hausses des prix du pétrole brut, comme on en a connu en ce début de XXIe siècle. En tout état de cause, beaucoup de pays ont utilisé de nombreux outils pour alléger les coûts : subventions, incitations fiscales, tarifs d’achat préférentiels de l’électricité d’origine renouvelable, obligation pour les producteurs d’électricité de respecter des quotas d’électricité « verte ». Il faut, en outre, souligner que certaines énergies, qui sont encore un peu plus chères que l’énergie fossile, notamment l’électricité solaire, sont dès maintenant compétitives pour alimenter les régions qui ne seront pas, avant longtemps, desservies par un réseau de distribution électrique (plus du quart de la population mondiale !).

En dépit de tous les aléas qui peuvent exister en matière de prévisions démographiques, économiques, technologiques ou écologiques, plusieurs scénarios estiment que la part des énergies renouvelables dans la production mondiale d’énergie pourrait atteindre 23 % en 2020 (au lieu des 13 % actuels). Des scénarios optimistes prévoient que cette part pourrait atteindre 50 % au milieu du XXIe siècle : mais qui peut vraiment prévoir à cette échéance ? …

Pour atteindre ces objectifs, il faut noter diverses initiatives récentes :

– une directive européenne d’avril 2009 impose aux 27 pays de l’Union européenne que 20 % de l’énergie produite soit d’origine renouvelable en 2020 (avec des chiffres différenciés pour chaque pays : 23 % pour la France). Cette directive impose également à tous les pays européens de mettre en place un « plan national d’action en faveur des énergies renouvelables » (la France a publié le sien en août 2010) ;

– une Agence internationale de l’énergie (IRENA) a été créée en janvier 2009 ; elle comptait, fin 2011, 73 pays ; son siège est à Abou Dhabi.

Unités d’énergie

Rappels : kilo (k) = 10³ (milliers)

Méga (M) = 10⁶ (millions)

Giga (G) = 10⁹ (milliards)

Tera (T) = 10¹².

• L’unité officielle de mesure de l’énergie est le Joule.

Mais on utilise fréquemment les unités suivantes :

– la Tonne d’équivalent pétrole (TEP) 1 TEP = 42 GJ (Gigajoules).

Consommation d’énergie française en 2009 : 156 MTEP.

Consommation d’énergie mondiale en 2009 : 8 353 MTEP.

– le kilowattheure (kWh) (utilisé en électricité) 1 kWh = 3,6 MJ (Mégajoules).

Consommation d’un réfrigérateur, ou d’un lave-linge : 500 kWh/an.

Consommation d’électricité (sans chauffage) d’une famille de quatre personnes : 3 000 à 4 000 kWh/an.

Production française d’électricité en 2009 : 542 TWh.

Consommation française d’électricité en 2009 : 441 TWh.

Production mondiale d’électricité en 2009 : 19 960 TWh.

• La puissance se mesure en Watts (1 Watt (W) = 1 Joule/seconde).

Puissance d’un lave-linge, lave-vaisselle, etc. : 2 kW.

Puissance d’une tranche de centrale nucléaire : 900 à 1 300 MW.

Bref rappel sur la production d’électricité

La plupart des grandes centrales électriques fonctionnent selon le même principe : de la chaleur est transformée en énergie mécanique, laquelle est ensuite transformée en énergie électrique. La chaleur peut provenir soit de la combustion d’un combustible « traditionnel » (charbon, fioul, gaz, bois), soit de la radioactivité d’un combustible nucléaire, soit du soleil.

La transformation de la chaleur en énergie mécanique se fait par introduction de vapeur ou de gaz à haute température et à haute pression dans une « machine » : soit un piston (qui est ainsi poussé), soit une turbine (qu’on fait ainsi tourner). Le mouvement linéaire du piston (converti en mouvement rotatif) ou le mouvement rotatif de la turbine font ensuite tourner un générateur électrique (un rotor entouré d’aimants a la propriété, en tournant, de « générer » du courant électrique : c’est le « miracle » de la conversion d’une énergie mécanique rotative en énergie électrique).

Le rendement final de cette double transformation de chaleur en énergie mécanique puis électrique est d’autant plus élevé que la chaleur fournie au départ est à une haute température.

Chapitre I

Le soleil

Le soleil, bien que distant de 150 millions de kilomètres de notre planète, est assurément notre plus grande source d’énergie. Les réactions nucléaires qui ont lieu dans le soleil entretiennent et renouvellent en permanence cette source d’énergie.

Bien sûr, l’énergie reçue est variable selon les moments. Les nuits, les passages nuageux sont autant de moments où l’énergie solaire est inexistante ou moindre. En moyenne, la puissance reçue annuellement à la surface du globe peut aller de 85 à 290 W/m². Elle varie donc de 1 à 3 entre les régions les moins ensoleillées et les plus ensoleillées. Cet écart est important mais pas considérable : aucune région du globe n’est dépourvue d’énergie solaire.

L’énergie solaire peut ou bien être convertie en chaleur (I et II), ou bien être convertie en électricité (III et IV).

I. – L’architecture solaire « passive »

(soleil → chaleur)

Le plus sûr moyen de bénéficier « passivement » de la chaleur (et de la lumière) du soleil est de construire et d’aménager les bâtiments de manière à profiter au maximum, et naturellement, des apports solaires : c’est l’architecture solaire passive.

1. Le principe du chauffage solaire passif. – Le principe consiste à installer de grandes baies vitrées au sud³, permettant au soleil de pénétrer généreusement. Inversement, les ouvertures doivent être réduites au nord⁴ : cela peut se faire, notamment, en installant au nord les locaux de « service ». Il convient cependant d’empêcher la surchauffe en été, par exemple en installant des auvents fixes qui, lorsque le soleil est haut, empêchent les rayons de pénétrer mais qui, en revanche, en hiver, laissent pénétrer les rayons bas du soleil.

Néanmoins, notamment sous les climats froids ou tempérés, il convient de trouver un équilibre entre l’ouverture au soleil et les risques de déperdition calorifique. Il faut laisser rentrer la chaleur à certains moments… sans la laisser partir à d’autres. Cela nécessite une isolation convenable des murs et un calfeutrage correct des ouvertures.

Cela étant, il ne suffit pas de laisser rentrer la chaleur, ni de l’empêcher de repartir. Il faut aussi :

– d’une part, pouvoir stocker la chaleur, afin de continuer à chauffer le bâtiment lorsque le soleil ne brille plus. Le stockage le plus simple se fait dans les murs ou dans les planchers qui sont frappés par le soleil et qui « réémettent » la chaleur au cours de la nuit ;

– d’autre part, pouvoir diriger la chaleur depuis les zones chauffées directement par le soleil vers les autres zones ou recoins du bâtiment. Cela peut se faire par un mouvement naturel de l’air. Si le soleil frappe plutôt les planchers et les parties basses des murs, l’air chaud des parties basses monte naturellement et vient réchauffer les parties plus hautes du local. Bref, l’air chaud monte et l’air froid redescend, homogénéisant ainsi la température de tout le bâtiment : c’est la thermocirculation.

Une bonne architecture solaire passive doit enfin veiller à ce qu’il n’y ait pas d’ombre portée intempestive en provenance de bâtiments ou d’arbres voisins. Néanmoins, les arbres à forte densité de feuillage et à faible densité de branchage peuvent être utiles, car ils ombragent l’été et laissent passer les rayons solaires l’hiver.

2. Les économies réalisées. – Les économies de chauffage (et d’éclairage) engendrées par une bonne architecture solaire peuvent être considérables :

– dans l’habitat collectif, de 30 % dans le Nord de l’Europe à 70 % dans le Sud ;

– dans les maisons individuelles, où les gains sont encore plus forts à cause de la plus grande motivation des occupants ;

– dans les résidences pour personnes âgées, dont la saison de chauffe dure plus longtemps et dont les températures intérieures sont plus élevées que la normale ;

– dans les autres bâtiments tertiaires. Les écoles se prêtent ainsi beaucoup à l’architecture solaire. En effet, elles ne sont occupées que le jour, lorsque les apports solaires sont directement exploitables pour le chauffage et l’éclairage naturels. Elles sont en revanche désertées l’été, diminuant ainsi les conséquences néfastes des surchauffes pour le confort des élèves et des professeurs. Les économies d’énergie se sont révélées être de 30 % dans une école belge, jusqu’à… 100 % dans une école espagnole !

3. La place de l’énergie solaire passive en Europe. – À la fin du XXe siècle, on estimait que dans l’Union européenne 13 % de l’énergie consommée par les bâtiments étaient fournis par l’utilisation directe et passive du soleil (soit une économie de près de 100 millions de tonnes d’équivalent pétrole par an). Tous les pays, du nord au sud de l’Europe, ont recours à l’architecture solaire passive. On constate néanmoins une avance de l’Allemagne, la réhabilitation « solaire » du Reichstag à Berlin étant hautement symbolique.

II. – Chauffage et eau chaude solaires

(soleil → chaleur)

La production d’eau chaude sanitaire ou le chauffage des locaux ne nécessitent pas d’atteindre de hautes températures : 50 à 60 °C suffisent pour l’eau chaude sanitaire ou pour l’eau des radiateurs, et cette température peut même être abaissée lorsque les radiateurs classiques font place à des planchers chauffants, dont la température n’a guère besoin de dépasser 25 °C.

1. Les capteurs solaires. – Il paraît assez simple d’obtenir cette chaleur à basse température (quelques dizaines de degrés) à partir du soleil. À ces basses températures, il suffit de capter le rayonnement solaire sur des surfaces planes. Dans ces capteurs plans circule soit de l’air, soit directement l’eau à réchauffer, soit un liquide « caloporteur » qui transférera sa chaleur à l’eau à travers un « échangeur ». Les plus utilisés sont ceux qui utilisent un liquide caloporteur. En effet :

– les capteurs à circulation d’air ne représentent qu’un très faible pourcentage du nombre de capteurs installés. Ils sont surtout utilisés dans des bâtiments assez vastes, où il n’y a pas besoin d’un fort chauffage, mais plutôt d’une ventilation (salles de sport, séchage de produits agricoles, notamment de fourrage) ;

– les capteurs où l’eau elle-même circule sont évidemment tentants : ils évitent un échangeur entre un liquide caloporteur et l’eau. Mais les capteurs à eau ne peuvent s’imaginer que dans les pays sans gelées. Et il est hors de question de mettre de l’antigel dans l’eau puisque l’eau du chauffe-eau doit être consommable.

Ces capteurs plans sont constitués d’une surface plane absorbante en métal, dans laquelle sont sertis des tubes où circule le fluide caloporteur. La surface métallique est en général noircie pour absorber au maximum le rayonnement et en réémettre le moins possible. La plaque absorbante et ses tubes sont en général inclus dans un caisson vitré, de manière à emprisonner la chaleur dans ce caisson (effet de serre). Enfin, il existe des caissons sous vide, le vide freinant la transmission des pertes de chaleur vers l’extérieur du caisson.

En 2010, les capteurs plans vitrés représentaient 96 % des capteurs installés en Europe, 9 % d’entre eux étant des capteurs sous vide. Les capteurs non vitrés étaient surtout réservés au chauffage des piscines de plein air.

2. Les utilisations possibles des capteurs solaires.

A) Les chauffe-eau solaires (CESI). – Le fluide caloporteur chauffé dans le capteur solaire monte vers un ballon situé plus haut (tout fluide chauffé devient plus léger et monte spontanément). Dans le ballon, le fluide cède sa chaleur à l’eau à travers un échangeur (un simple serpentin à l’intérieur du ballon). Lorsque le fluide caloporteur est l’eau elle-même, il n’y a pas d’échangeur.

Des chauffe-eau monobloc, où capteur et ballon forment un seul « bloc », se sont particulièrement développés dans les départements et territoires français d’outre-mer et dans des pays comme Israël, la Grèce, la Turquie, qui sont d’ailleurs des pays « champions » du chauffe-eau solaire : leur installation sur les toits-terrasses des pays du Sud est particulièrement simple, et leur prix est relativement bas (de l’ordre de 2 000 €, pose incluse pour un monobloc desservant quatre personnes avec un ballon de 200 à 300 l, contre 3 500 à 5 000 € pour un système « classique »).

Comme toute installation solaire, le chauffe-eau a besoin d’une énergie d’appoint quand le soleil n’est pas là. Très souvent, cet appoint est fourni par un chauffage électrique du ballon.

La surface de capteurs nécessaires pour un chauffe-eau solaire est de l’ordre de 3 à 5 m² pour une maison moyenne (quatre personnes), sous nos latitudes.

Notons enfin que, s’il a été beaucoup question de maisons individuelles et de chauffe-eau individuels, rien n’empêche la fourniture d’eau chaude d’origine solaire à des bâtiments collectifs (hôpitaux, casernes, maisons de retraite, etc.).

B) Le chauffage solaire. – Le chauffage solaire en Europe fut longtemps victime de trois handicaps. Il nécessitait :

– de grandes surfaces de capteurs (environ 4 m² de capteurs pour 10 m² de surface habitable) ;

– de gros volumes de stockage d’eau (plusieurs mètres cubes) ;

– et, pour les périodes sans soleil, des radiateurs d’appoint complètement dissociés du chauffage solaire.

Ces trois handicaps furent tour à tour surmontés ces dernières décennies. Les radiateurs classiques (à 50 °C) ont fait place à des « émetteurs » de chaleur à plus basse température (25 °C), notamment à des planchers chauffants. Par ailleurs, les surfaces de capteurs nécessaires ont diminué (réduites à 1 m² de capteurs pour 10 m² de surface habitable). Enfin, les grosses cuves de stockage intermédiaires ont laissé la place à un couplage direct entre les capteurs solaires et le plancher, d’où le nom de plancher solaire direct, idée française qui avait émergé en 1983. Le fluide des capteurs solaires (en général, de l’eau mélangée d’antigel) est désormais envoyé directement dans des tubes en plastique serpentant dans un épais plancher : le plancher chauffe, bien sûr, pendant les heures d’ensoleillement, mais continue d’émettre pendant les premières heures de la nuit la chaleur stockée dans l’épaisse dalle.

Cependant, ces planchers directs continuaient d’avoir deux inconvénients :

– ils avaient toujours besoin, en parallèle, d’un chauffage d’appoint utilisant des « émetteurs » distincts du plancher chauffant (radiateurs, convecteurs électriques, poêles à bois, etc.). Un progrès déterminant fut fait au début des années 1990 grâce au plancher solaire direct à appoint intégré, permettant de brancher le chauffage d’appoint sur le plancher chauffant, désormais émetteur unique de chaleur dans la maison. Mais cela ne fut possible qu’à condition d’avoir des systèmes de régulation performants permettant d’injecter alternativement, et aux meilleurs moments, soit l’eau chaude solaire, soit l’eau chaude du chauffage d’appoint. Cette régulation peut d’ailleurs être surveillée à distance par télégestion ;

– les dalles, souvent épaisses de 30 cm, pour bien stocker la chaleur, étaient lourdes et coûteuses. Des études récentes ont montré qu’une dalle de 12 à 15 cm pouvait désormais suffire : l’isolation des maisons étant maintenant meilleure, les déperditions...