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L’énergie solaire thermique

L’énergie solaire thermique, c’est quoi ?

L’énergie solaire thermique est produite dans des centrales qui captent le rayonnement solaire grâce à des miroirs et qui la transforment en chaleur ; cette dernière est utilisée pour produire de la vapeur d’eau, elle-même utilisée pour générer de l’électricité. On trouve ces installations dans des régions à très fort ensoleillement ; aujourd’hui, les Etats-Unis et l’Espagne produisent à eux deux 80% de la puissance mondiale. Cette technologie reste pour le moment marginale dans la production mondiale d’électricité (11,9 GWh en 2016 pour une production mondiale de plus de 20 000 TWh) mais dans certains contextes géographiques et météorologiques, elles est prometteuse.

Succinctement, voici les étapes de la technique de production d’énergie solaire thermique :

  1. Le rayonnement solaire est capté par un ensemble de miroirs adéquatement orientés afin de concentrer le rayonnement et de produire une forte chaleur en un point précis (400 à 1000 degrés Celsius) ;
  2. Le chaleur ainsi concentrée transforme l’eu en vapeur dans une chaudière ;
  3. La vapeur générée dans la chaudière est utilisée pour entraîner une turbine couplée à un alternateur ;
  4. L’alternateur produit à son tour un courant alternatif injecté dans le réseau électrique.

Les 3 types de centrales solaires thermiques

Les centrales à collecteurs cylindriques

Dans ces installations, de longs miroirs concaves sont installés sur un axe et tournent autour de celui-ci pour suivre le soleil. Ces miroirs concaves concentrent le rayonnement solaire sur un tube dans lequel circule un fluide qui accumule la chaleur ; ce fluide est ensuite envoyé vers la centrale pour produire de la vapeur d’eau par transfert.

Les centrales à tour

Dans ces installations, c’est un grand champ de miroirs organisés de façon concentrique qui est utilisé pour concentrer le rayonnement solaire vers une chaudière placée en hauteur sur une tour. La chaudière génère de la vapeur qui a son tour alimente une turbine puis un alternateur.

Les centrales à collecteurs paraboliques

Les centrales à collecteurs paraboliques sont constituées de paraboles géantes orientables dont la face concave intérieure est couverte de miroirs. Ces miroirs focalisent le rayonnement solaire sur un récepteur installé au centre de la parabole.

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L’énergie éolienne

L’énergie éolienne, c’est quoi ?

L’énergie éolienne, énergie renouvelable par excellence, revient à exploiter l’énergie du vent, qui est une énergie cinétique – générée par le mouvement d’une masse d’air. Cette énergie est captée par des hélices appelées éoliennes qui peuvent être installées sur terre ou en mer (offshore). Plusieurs facteurs influent sur la puissance électrique produite par une éolienne : la forme et la taille des pales de son hélice, la vitesse du vent ainsi que la température de l’air. L’éolien compte aujourd’hui pour environ 5,3% de la production mondiale d’électricité, soit 651 GigaWatts (GW) ; ses trois plus grands producteurs sont la Chine, les États-Unis et l’Allemagne.

Comment marche une éolienne ?

Comme nous venons de le dire, l’énergie produite par une éolienne dépend de trois facteurs :

  • La forme et la taille des pales de l’hélice de l’éolienne
  • La vitesse du vent auquel l’éolienne est exposée
  • La température de l’air, qui influe sur sa densité

L’énergie récupérable par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par ses pales et au cube de la vitesse du vent auquel elle est exposée. Il est possible de calculer la puissance maximale récupérable grâce à la loi de Betz qui est indexée sur la pression atmosphérique : P = 0,37 x S x V3. 

  • 0,37 est la constance de l’air à pression atmosphérique standard (1013 hPa)
  • S est la surface balayée par les pales du rotor de l’éolienne
  • V est la vitesse du vent au niveau de l’éolienne

Ainsi, une éolienne voit sa production d’énergie multipliée par huit lorsque la vitesse du vent double ! La température de l’air joue pour sa part un rôle non négligeable ; pour rappel, un air plus froid est plus dense et un air plus dense exerce plus de pression sur les pales d’une éolienne : à vitesse de vent égale, un air plus froid de 10°C augmente de 3% la production d’énergie d’une éolienne.

En mer, les vents sont généralement beaucoup moins changeants et plus forts, d’où l’intérêt des parcs éoliens offshore. Les éoliennes marines sont d’ailleurs beaucoup plus grandes et donc plus puissantes que celles installées sur terre. 

Quel rôle pour l’éolien dans la transition énergétique ?

L’énergie éolienne est une énergie « propre » arrivée à maturité ; elle se place en seconde position derrière l’hydroélectricité en termes de coût et connaît un fort développement au niveau mondial. Malgré son caractère aléatoire et l’impact négatif qu’elle peut avoir sur les paysages (résistance de riverains), elle est au centre de la stratégie de développement énergétique de bon nombre de pays, dont certains cherchent leur indépendance en la matière.

Les atouts de l’éolien

  • C’est une énergie parfaitement renouvelable et décarbonée en phase d’exploitation (l’impact de la fabrication et de l’installation du matériel n’est pas pris en compte)
  • les infrastructures (éoliennes) prennent peu de place et sont relativement faciles à installer et démanteler
  • le potentiel de l’offshore, encore sous-exploité, est très grand
  • selon leur taille, les installations éoliennes peuvent répondre à des besoins très spécifiques et peuvent fournir de l’électricité à des fins industrielles ou domestiques dans des zones coupées du réseau électrique classique

Les limites de l’éolien

  • L’énergie éolienne est facteur de la vitesse du vent et de la température de l’air, c’est donc une énergie intermittente – les installations éoliennes ont une production d’énergie variable selon la météo ;
  • comme l’énergie éolienne est tributaire du vent, elle ne peut pas être implantée partout ; certaines conditions météorologiques sont requises ;
  • les éoliennes ont un impact visuel et sonore sur le paysage, ainsi qu’un potentiel impact environnemental (collision d’oiseaux) ;
  • le zonage des parcs éoliens peut générer des conflits avec d’autres usages, notamment la pêche pour ce qui est des installations offshore.

Qui sont les champions de l’éolien ?

Aujourd’hui, deux pays se distinguent par leur capacité de production d’énergie éolienne : la Chine et les Etats-Unis. La Chine disposait en 2019 d’un parc dont la capacité était de 230 Giga Watts (GW) tandis que celui des USA en avait une de 105 GW. Le leader européen de l’énergie éolienne est l’Allemagne, avec une puissance installée de 54 GW. Rapportée à la superficie du pays et à sa population, c’est la capacité éolienne du Danemark qui arrive en première place.

Longtemps championne de l’éolien au niveau mondial, l’Europe se trouve aujourd’hui devancée par la Chine qui investit massivement dans cette filière et affiche désormais un parc supérieur en capacité de 20% à celui de l’Europe dans sa globalité.

En 2019, les entreprises les plus importantes du secteur éolien étaient les suivantes :

  • Vestas (Danemark) : 16% de la capacité mondiale
  • Siemens Gamesa (Espagne) : 15%
  • Goldwind (Chine) : 14%
  • GE Energy (Etats-Unis) : 12%
  • Envision (Chine) : 10%

L’éolien en France

Dans leur ensemble, les installations éoliennes françaises représentaient en 2019 6,3% de la production électrique du pays, arrivant ainsi en seconde position derrière l’hydroélectricité dans le classement des énergies renouvelables du pays. La filière connaît un réel boom avec un croissance annuelle proche des 10% ces deux dernières années ; ainsi, ce sont 1361 MW installés supplémentaires qui ont été ajoutés au parc éolien français en 2019, pour atteindre une puissance cumulée proche des 17 GW.

Le boom du secteur de l’énergie éolienne se reflète sur le marché de l’emploi : la filière revendique aujourd’hui la position de « premier employeur ENR » de France et l’ensemble de la chaîne de valeur emploie près de 20 000 personnes dans un millier de sociétés.

L’éolien en Europe et dans le monde 

Aujourd’hui, l’Europe à 28 produit environ 420 TWh d’électricité éolienne, ce qui correspond à 15% de sa consommation électrique. Au niveau mondial, ce sont 1390 TWh qui sont produits parle parc éolien, couvrant 5,3% des besoins en électricité de la planète. Cette part augmente considérablement d’année en année : en 2019, ce sont plus de 60 GW de nouvelles capacités éoliennes qui ont été installées dans le monde.

L’avenir de l’éolien est principalement maritime : la filière a de considérables perspectives de développement offshore, contrairement à sa variante terrestre qui empiète sur des zones agricoles, industrielles ou résidentielles existantes. Les vents sont plus forts et plus constants en mer, encore un bon point pour l’offshore.

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L’énergie nucléaire

Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ?

L’énergie nucléaire est produite grâce à la vapeur d’eau, ainsi une centrale nucléaire peut être comparée à une machine à vapeur : le coeur du réacteur chauffe de l’eau qui, transformée en vapeur, entraîne une turbine couplée à une dynamo géante (un alternateur) qui génère à son tour de l’électricité. Ici, ce sont les matières fissiles (comme l’uranium ou le plutonium) qui chauffent l’eau, il n’y a donc pas de combustion ; la fission nucléaire, qui produit des neutrons et créé de nouveaux atomes, est une réaction en chaîne qui dégage de très grandes quantités de chaleur.

L’exemple des centrales à eau pressurisée (PWR)

Les centrales nucléaires à eau pressurisée sont composées de trois circuits totalement indépendants les uns des autres :

  1. Le circuit primaire : une réaction en chaîne contrôlée dans la cuve du réacteur chauffe l’eau du circuit primaire ; celle-ci ne bout pas malgré une température d’environ 300 degrés Celsius, car elle est pressurisée à 155 bars. Le circuit primaire est le circuit d’extraction de la chaleur : l’eau chaude produite transmet sa chaleur à l’eau circulant dans un autre circuit fermé, le circuit secondaire.
  2. Le circuit secondaire : l’eau de ce circuit est transformée en vapeur au contact avec les tubes dans lesquels circule l’eau du circuit primaire. La vapeur produite entraîne une turbine géante qui est couplée à un alternateur et ce dernier génère de l’électricité.
  3. Le circuit tertiaire : ce circuit de refroidissement est indispensable au fonctionnement de la centrale, en effet il permet de recondenser la vapeur et d’évacuer l’énergie résiduelle. L’eau froide utilisée est prélevée à une source extérieure : la mer ou un fleuve. Après son passage dans le condenseur, cette eau légèrement échauffée est soit rejetée à sa source (une pratique fortement encadrée par un ensemble de règles environnementales), soit envoyée vers une tour de refroidissement.

Comment une centrale nucléaire PWR est-elle sécurisée ?

Une centrale nucléaire à eau pressurisée dispose de 5 barrières de confinement permettant d’isoler totalement les matières fissiles et les produits de leur fission hautement radioactifs.

  • Les barrières 1 et 2 : la matière fissile utilisée dans les centrales (uranium) est encapsulé dans des pastilles en céramique (barrière 1), elles-même empilées à l’intérieur d’une gaine métallique en zircaloy (barrière 2), formant un ensemble parfaitement étanche : la barre de combustible.
  • La barrière 3 : la cuve. Les barres de combustible sont immergées dans la cuve du réacteur, dont les parois d’acier ont une épaisseur de 25 centimètres.
  • Les barrières 4 et 5 : le réacteur et sa cuve sont installés dans une enceinte résistante à la pression. Cet ensemble est couvert par chape en béton armé (barrière 5) dont le rôle est de protéger l’installation d’accidents externes, comme un tremblement de terre ou l’impact d’un avion. Si la barrière 5 est compromise, la barrière 4 empêche tout rejet de matière radioactive.
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L’hydrogène

L’hydrogène est un vecteur énergétique fabriqué à partir d’une autre ressource, comme l’électricité. Il est aujourd’hui à 95% issu du gaz naturel pour des raisons économiques, même s’il en existe quelques sources naturelles.

L’effort de décarbonisation des sources de production d’électricité, dans le cadre de la transition énergétique, a mené à diverses études de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Au-delà de ses applications « traditionnelles » dans la chimie et le raffinage, c’est aussi désormais dans les secteurs du stockage d’électricité et du transport que l’hydrogène pourrait jouer un rôle important à l’avenir.

D’où vient l’hydrogène ?

Le dihydrogène H2, que l’on appelle communément « hydrogène », est essentiellement produit à partir d’eau (H2O) ou d’hydrocarbures comme le charbon, le pétrole ou le gaz. L’un des hydrocarbures les plus simples, le méthane, aussi appelé gaz naturel et dont la formule est CH4, en est une source très commune.

Il existe également des sources naturelles d’hydrogène, certaines ont été découvertes au fond de l’océan dans les années 70, d’autres plus récemment à terre. Cependant, l’exploitation de ces sources naturelles ne pourra se faire de façon rentable qu’avec d’importants progrès techniques, surtout pour ce qui est des sources marines. Les émanations terrestres, beaucoup plus faciles d’accès, ont été découvertes dans deux types de formations géologiques :

  • les massifs de péritonite, des roches qui affleurent dans des contextes tectoniques particuliers
  • des zones intra-plaques situées au centre des continents, dans leurs parties les plus anciennes géologiquement, comme les cratons précambriens.

Comment l’hydrogène est-il produit ?

Il existe différentes façons d’extraire le dihydrogène H2 de sa ressource primaire :

  • La solution la plus répandue est le reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau : une réaction entre du méthane (CH4) et de l’eau (H2O) produit de l’hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2). Ce dernier doit cependant être recapturé et stocké afin de garantir un hydrogène décarboné. Le biométhane, issu de la fermentation de déchets organiques, est une alternative au gaz naturel et constitue une source de CH4 renouvelable. Aujourd’hui, 95% de l’hydrogène est produit par reformage du gaz naturel, mais sans captation du CO2 résultant, d’où une forte émission de gaz à effet de serre ;
  • La solution de gazéification, très émettrice de CO2, permet de produire de l’hydrogène à partir de la combustion de charbon ou de biomasse ;
  • La solution d’électrolyse de l’eau, qui nécessite de l’électricité et qui est 2 à 3 fois plus coûteuse que le reformage du gaz naturel, est utilisée dans des contextes particuliers requérant un très haut niveau de pureté. Cette technique, plus « propre » que les autres, devrait se répandre chez les industriels ; ceux-ci étudient des façons de la rendre moins onéreuse.

Comment l’hydrogène est-il utilisé ?

Aujourd’hui, l’hydrogène est essentiellement utilisé pour :

  • la production d’ammoniaque et de méthanol ;
  • le raffinage des produits pétroliers, des carburants et des biocarburants.

L’hydrogène représente actuellement, en masse, seulement 0,4% de la consommation mondiale d’énergie. En 2018, sa consommation mondiale était de 74 millions de tonnes (Mt), dont seulement 1Mt en France.

Quel rôle pour l’hydrogène dans la transition énergétique ?

L’hydrogène peut jouer un rôle conséquent dans la transition énergétique, et ce à deux niveaux :

  • La décarbonisation du secteur des transports, grâce aux piles à combustible (PAC) dont l’autonomie et le temps de recharge sont bien plus avantageux que ceux des batteries classiques. Les PAC, qui transforment l’hydrogène en électricité et en vapeur d’eau, peuvent équiper des véhicules électriques.
  • La palliation du caractère intermittent de certaines énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien. L’excédent de production d’électricité de ces dernières peut servir à produire de l’hydrogène par électrolyse ; ce dernier est ensuite stocké pour être reconverti en électricité plus tard.

Pour que l’hydrogène puisse pleinement jouer ce rôle dans la transition énergétique, il doit pouvoir être produit de façon décarbonée ; on parle alors d’hydrogène vert. L’électrolyse permet de produire de l’hydrogène vert à condition que l’électricité provienne d’une source renouvelable ou du nucléaire ; dans le cas d’une production par reformage de gaz naturel, il faut que le CO2 émis soit capté et stocké de façon pérenne dans le sous-sol.

Ainsi, il apparaît qu’une production « propre » d’hydrogène est tributaire d’une production à grande échelle d’électricité décarbonée. L’hydrogène vert n’est donc pas encore une réalité ; une évolution technico-économique du secteur de l’énergie est un pré-requis indispensable.

Comment valoriser l’hydrogène décarboné ?

Quatre pistes se dessinent quant à la valorisation de l’hydrogène décarboné :

  • Power to Industry : la vente directe d’hydrogène vert aux industries dont les processus en sont friands (raffinage, chimie), afin de décarboner ceux-ci ;
  • Power to Gas : l’injection directe d’hydrogène dans les réseaux gaziers pour combustion, ou la production de méthane de synthèse par méthanation à partir de monoxyde (CO) ou dioxyde de carbone (CO2) ;
  • Power to Power : l’utilisation de piles à combustible (PAC) pour produire de l’électricité
  • Power to Mobility : l’hydrogène est transformé en un autre carburant via un procédé appelé « Fischer Tropsch » – il devient ainsi utilisable dans les moteurs thermiques actuels, sans modification de ces derniers.

Hydrogène vert : les conditions de son déploiement à grande échelle

L’horizon d’un déploiement à grande échelle de l’hydrogène vert est fixé à 2030 au plus tôt, en effet il faudra pour cela surmonter un nombre conséquent de défis :

  • La réduction drastique du coût de production d’hydrogène par électrolyse et ce sur l’ensemble de la chaîne. Pour cela il faudra compter sur le progrès technique ainsi que sur les économies d’échelle.
  • Une fiscalité carbone adaptée : un prix du CO2 élevé permettrait de réduire l’écart de coût avec le reformage du gaz naturel. Ce levier s’accompagne cependant de considérations socio-économiques complexes vis-à-vis des populations les plus démunies.
  • La poursuite de la baisse du coût des énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien afin de rendre compétitive l’électricité décarbonée nécessaire pour l’électrolyse.
  • L’amélioration des techniques de captage de CO2 et un accès facilité à ce dernier – il est nécessaire dans certaines voies de transformation comme la méthanation ou la technique Fischer Tropsch.
  • Le déploiement d’un nouveau cadre dans le secteur électrique : la mise en place d’une infrastructure adaptée aux énergies renouvelables et à leur stockage demandera des investissements conséquents dont la mise en oeuvre se fera sur le long terme.
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