Les énergies renouvelables (EnR en abrégé) sont des sources d'énergies dont le renouvellement naturel est assez rapide pour qu'elles puissent être considérées comme inépuisables à l'échelle du temps humain. Elles proviennent de phénomènes naturels cycliques ou constants induits par les astres (Soleil surtout pour la chaleur et la lumière), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (géothermie). Sa renouvelabilité dépend d'une part de la vitesse à laquelle la source est consommée, et d'autre part de la vitesse à laquelle elle se régénère.
L'expression « énergie renouvelable » est la forme courte et usuelle des expressions « sources d'énergie renouvelables » ou « énergies d'origine renouvelable » qui sont plus correctes d'un point de vue physique.
La part des énergies renouvelables dans la consommation finale mondiale d’énergie en 2014 était estimée à 19,2 %, dont 14 % de biomasse, et leur part dans la production d'électricité à la fin 2015 était estimée à 23,7 % : 16,6 % d'hydroélectricité, 3,7 % d'éolien, 2,0 % de biomasse, 1,2 % de photovoltaïque et 0,4 % de divers (géothermie, solaire thermodynamique, énergies marines).
Histoire De Éenrgies Renouvelables
Pendant la plus grande partie de son histoire, l'humanité n'a disposé que d'énergies renouvelables pour couvrir ses besoins énergétiques. Au Paléolithique, les seules énergies disponibles étaient la force musculaire humaine et l'énergie de la biomasse utilisable grâce au feu ; mais de nombreux progrès ont permis d'utiliser ces énergies avec une efficacité grandissante (inventions d'outils de plus en plus performants).
Le progrès le plus significatif a été l'invention de la traction animale, qui est survenue plus tard que la domestication des animaux. On estime que l'homme a commencé à atteler des bovins à des araires ou des véhicules à roues durant le IVe millénaire av. J.-C. Ces techniques inventées dans l'ancien croissant fertile ou en Ukraine, ont par la suite connu un développement mondial .
L'invention de la marine à voile a été un progrès important pour le développement des échanges commerciaux dans le Monde.
Celle des moulins à eau et à vent a également apporté une énergie supplémentaire considérable. Fernand Braudel qualifie de « première révolution mécanique » l'introduction progressive, du xie siècle au xiiie siècle, des moulins à eau et à vent : « ces « moteurs primaires » sont sans doute de modique puissance, de 2 à 5 HP pour une roue à eau, parfois 5, au plus 10 pour les ailes d'un moulin à vent. Mais, dans une économie mal fournie en énergie, ils représentent un surcroît de puissance considérable. Plus ancien, le moulin à eau a une importance bien supérieure à celle de l'éolienne. Il ne dépend pas des irrégularités du vent, mais de l'eau, en gros moins capricieuse. Il est plus largement diffusé, en raison de son ancienneté, de la multiplicité des fleuves et rivières, ... »
À la fin du xviiie siècle, à la veille de la révolution industrielle, la quasi-totalité des besoins d'énergie de l'humanité était encore assurée par des énergies renouvelables. Dans un essai d'évaluation de la répartition des consommations par source d'énergie, Fernand Braudel estime à plus de 50 % la part de la traction animale, environ 25 % celle du bois, 10 à 15 % celle des moulins à eau, 5 % celle de la force humaine et un peu plus de 1 % celle du vent pour la marine marchande ; il renonce à chiffrer la part des moulins à vent, faute de données, tout en précisant : « les éoliennes, moins nombreuses que les roues hydrauliques, ne peuvent représenter que le quart ou le tiers de la puissance des eaux disciplinées »3. On peut donc, évaluer la part totale de l'énergie éolienne (voile + moulins à vent) entre 3 et 5 %. Il mentionne pour mémoire la batellerie fluviale, la marine de guerre, le charbon de bois et le charbon de terre .
L'apparition de la machine à vapeur, puis du moteur Diesel, ont entraîné le déclin des moulins à eau et de l'énergie éolienne au xixe siècle ; les moulins à eau et à vent ont disparu, remplacés par les minoteries industrielles. L'énergie hydraulique a connu un nouvel âge d'or avec l'hydroélectricité, apparue en Suisse, Italie, France et États-Unis à la fin du xixe siècle. Au xixe siècle également, François de Larderel met au point en Italie les techniques d'utilisation de la géothermie.
Dans les années 1910, les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent en Californie. En 1911, la première centrale géothermique est construite à Larderello.
Au milieu du xxe siècle, l'énergie éolienne n'était plus utilisée que pour la navigation de plaisance et pour le pompage (agriculture, polders).
Puis, les éoliennes sont réapparues, bénéficiant de techniques plus performantes issues de l'aviation ; leur développement a pris de l'ampleur à partir des années 1990. Le solaire thermique et le solaire photovoltaïque décollent au début des années 2000 .
Les différents types d’énergies renouvelables
Énergie solaire :
Le soleil émet un rayonnement électromagnétique dans lequel se trouvent notamment les rayons cosmiques, gamma, X, la lumière visible, l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radios en fonction de la fréquence d’émission. Tous ces types de rayonnements électromagnétiques véhiculent de l’énergie Le niveau d’irradiance (le flux énergétique) mesuré à la surface de la Terre dépend de la longueur d’onde du rayonnement solaire.
Deux grandes familles d'utilisation de l'énergie solaire à cycle court se distinguent :
- l'énergie solaire thermique, utilisation de la chaleur transmise par rayonnement,
- l'énergie photovoltaïque, utilisation du rayonnement lui-même pour produire de l'électricité.
1- Énergie solaire thermique :
Dans les conditions terrestres, le rayonnement thermique se situe entre 0,1 et 100 micromètres. Il se caractérise par l’émission d’un rayonnement au détriment de l’énergie calorifique du corps émetteur. Ainsi, un corps émettant un rayonnement thermique diminue son énergie calorifique alors qu'un corps recevant un rayonnement thermique augmente son énergie calorifique. Le soleil émet principalement dans le rayonnement visible, entre 0,4 et 0,8 micromètre14 p. 89. Ainsi, en entrant en contact avec un corps, le rayonnement solaire augmente la température de ce corps. On parle d’énergie solaire thermique. Cette source d’énergie est connue depuis très longtemps et est utilisée par exemple, pour chauffer ou sécher des objets en les exposant au soleil.
L'énergie thermique peut être utilisée directement ou indirectement :
- directement pour chauffer des locaux ou de l'eau sanitaire (serres, architecture bioclimatique, panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires),
- indirectement pour la production de vapeur d'un fluide caloporteur pour entraîner des turbines et ainsi, obtenir une énergie électrique (énergie solaire thermodynamique (ou héliothermodynamique)).
L'énergie solaire thermique peut également être utilisée pour la cuisine. Apparue dans les années 1970, la cuisine solaire consiste à préparer des plats à l'aide d'un cuiseur ou d'un four solaire. Les petits fours solaires permettent des températures de cuisson de l'ordre des 150 °C, les paraboles solaires permettent de faire les mêmes plats qu'une cuisinière classique à gaz ou électrique.
À grande échelle, la Fondation Desertec construit dans le Sahara des centrales solaires thermiques à concentration. D'après ses ingénieurs, « les déserts de la planète reçoivent toutes les 6 heures du soleil l’équivalent de ce que consomme l’humanité chaque année » et quelques centaines de km² d'étendue désertique pourrait satisfaire l'ensemble des besoins énergétiques de la planète .
2- Énergie photovoltaïque :
L’énergie photovoltaïque se base sur l’effet photoélectrique pour créer un courant électrique continu à partir d’un rayonnement électromagnétique. Cette source de lumière peut être naturelle (soleil) ou artificielle (une ampoule). L'énergie photovoltaïque est captée par des cellules photovoltaïques, un composant électronique qui produit de l'électricité lorsqu'il est exposé à la lumière. Plusieurs cellules peuvent être reliées pour former un module solaire photovoltaïque ou un panneau photovoltaïque. Une installation photovoltaïque connectée à un réseau d'électricité se compose généralement de plusieurs panneaux photovoltaïques, leur nombre pouvant varier d'une dizaine à plusieurs milliers.
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaïques :
- les modules solaires monocristallins possèdent le meilleur rendement au m² et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production d'une centrale photovoltaïque.
- les modules solaires polycristallins représentent une technologie proposant des rendements plus faibles que la technologie monocristalline.
- les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposant un rendement largement inférieur aux modules solaires cristallins. Cette solution nécessite donc une plus grande surface pour la même puissance installée.
En France, l'énergie photovoltaïque est produite par de nombreux opérateurs (particuliers, propriétaires de bâtiments industriels ou agricoles, etc.) qui vendent l'électricité produite par leur installation aux fournisseurs d'électricité qui sont soumis à une obligation d'achat , à des conditions tarifaires régies par la loi. Les tarifs d'achat sont fixés par le ministre chargé de l'énergie après consultation de la CRE, de façon à stimuler l’investissement par ces opérateurs tout en limitant les "effets d’aubaines" ; le surcoût découlant de ces tarifs d'achat est mis à la charge des consommateurs d'électricité via la CSPE.
Énergie éolienne :
L’activité solaire est la principale cause des phénomènes météorologiques. Ces derniers sont notamment caractérisés par des déplacements de masses d’air à l’intérieur de l’atmosphère. C’est l’énergie mécanique de ces déplacements de masse d’air qui est à la base de l’énergie éolienne. L’énergie éolienne consiste ainsi, à utiliser cette énergie mécanique.
Des voiliers ont été utilisés dès l’Antiquité, comme en témoigne la Barque solaire de Khéops. Jusqu’au milieu du xixe siècle, l’essentiel des déplacements nautiques à moyenne et longue distance se sont faits grâce à la force du vent. Un dérivé terrestre n’ayant un usage que sportif a été rendu possible par les techniques modernes : le char à voile.
L’énergie éolienne a aussi été vite exploitée à l’aide de moulins à vent équipés de pales en forme de voile, comme ceux que l’on peut voir aux Pays-Bas, ou encore, ceux mentionnés dans Don Quichotte. Ces moulins utilisent l’énergie mécanique pour actionner différents équipements. Les moulins des Pays-Bas actionnent directement des pompes dont le but est d’assécher ou de maintenir secs les polders du pays. Les meuniers utilisent des moulinspour faire tourner une meule à grains.
Aujourd’hui, ce sont les éoliennes qui prennent la place des moulins à vent. Les éoliennes transforment l’énergie mécanique en énergie électrique, soit pour l’injecter dans un réseau de distribution, soit pour être utilisée sur place (site isolé de réseau de distribution). Pour résoudre le problème d'espace, elles sont de plus en plus souvent placées en mer : voir éolienne offshore.
L'éolien se développe également à l'échelle individuelle. Le petit éolien est généralement utilisé pour produire de l'électricité, qui sera consommée directement sur place. De nombreux problèmes sont apparus pour des éoliennes installées en zones bâties sans étude préalable sérieuse sur les vitesses de vent et les turbulences . L'Association Française des Professionnels du Petit Éolien (AFPPE) déconseille les installations sur les sites improductifs trop turbulents, en pignon ou en toiture.
Des concepts d'éolienne aéroportée sont à l'étude pour aller chercher les vents d'altitude, plus puissants, plus réguliers : Magenn , Kite Gen, et Skywindpower conçus pour s'élever à 300, 1 200 ou 5 000 m avec l'espoir de produire jusqu'à 100 fois plus d'électricité qu'une éolienne actuelle.
Énergie hydraulique :
À l’instar de l’énergie éolienne, les énergies hydrauliques (à l'exception de l'énergie marémotrice) ont leur origine principale dans les phénomènes météorologiques et donc à l'énergie solaire. Le soleil provoque l'évaporation de l’eau, principalement dans les océans et en libère une partie sur les continents à des altitudes variables. On parle du cycle de l'eau pour décrire ces mouvements. L’eau (en fait, la vapeur d'eau) acquière, en altitude, une énergie potentielle de pesanteur ; lorsque l'eau tombe, cette énergie peut être captée et transformée dans des barrages hydroélectriques, lors du retour de l’eau vers les océans. Avant l’avènement de l’électricité, les moulins à eau permettaient de capter cette énergie mécanique pour entrainer des machines ou des outils (machines à tisser, moulins à moudre le blé, etc.).
Depuis l’invention de l’électricité cette énergie mécanique est transformée en énergie électrique ; l'hydroélectricité est après la biomasse, la deuxième énergie renouvelable : selon l'Agence internationale de l'énergie, elle fournit 2,4 % de l'énergie primaire produite dans le monde en 2014 (contre 1,8 % en 1973), sur un total de 14,1 % d'énergies renouvelables (12,4 % en 1973).
D'autres énergies hydrauliques existent et proviennent généralement de sources marines :
- Énergie des vagues : elle est produite par le mouvement des vagues et peut être captée par des dispositifs tels le Pélamis, sorte de ver en métal articulé, le Searev ou encore le PH4S toujours au stade de prototype et qui utilise 4 sources d'énergie permettant une autonomie complète en mer . Leur puissance correspond à celle d'une petite éolienne.
- Énergie marémotrice : elle est produite par le mouvement de l’eau créé par les marées (variations du niveau de la mer, courants de marée),
- Énergie hydrolienne : elle est issue de l'utilisation des courants sous marins,
- Énergie thermique des mers : elle est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans,
- Énergie osmotique : elle a pour origine la diffusion ionique qui a lieu lors de l’arrivée et du mélange d’eau douce dans l’eau salée de la mer . L’idée remonte aux années 1970, elle consiste à tirer parti du phénomène d'osmose qui se produit lors du mélange d'eau de mer et d'eau douce (grâce à leur salinité différente). La première centrale osmotique a été ouverte en 2009 à Hurum en Norvège par la société Statkraft à l'embouchure du Fjord d'Oslo au bord de la Mer du Nord. Il s'agit encore d'un prototype de 3 kW destiné à tester la fiabilité du processus et à en améliorer le rendement, mais l'objectif est d'atteindre 25 MW en 2015 . Depuis, une centrale a été construite au Japon, et une autre est en construction aux États-Unis. D'après Statkraft, le potentiel technique mondial de l'énergie osmotique serait de 1 600 TWh par an, soit 50 % de la production électrique de l’Union Européenne .
Énergie géothermique :
Un des témoignages les plus anciens date de 2 000 ans av. J.-C., avec dans les îles Lipari (au nord de la Sicile) l'exploitation d'eau naturellement chaude pour les thermes.
Le principe consiste à extraire l’énergie géothermique contenue dans le sol pour l’utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité. Dans les couches profondes, la chaleur de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches du noyau et de la croûte terrestre : c’est l’énergie nucléaire produite par la désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium .
Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie profonde ne dépend pas des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent).
En 2012, les trois premiers producteurs sont les États-Unis (27,9 %), les Philippines (14,6 %) et l'Indonésie (11,2 %) et quatre autres pays ont une production importante : la Nouvelle-Zélande, le Mexique, l'Italie et l'Islande. L'Indonésie possède le plus grand potentiel (27 gigawatts, soit 40 % des réserves mondiales) .
Pour autant le géothermique comporte lui aussi des risques au niveau humain. Les techniques évoluent et permettent de chercher la chaleur à de plus grandes profondeurs. Il a été montré que la modification des pressions dans les sous-sols avait un impact sur l'activité sismique. La fréquence des tremblements de terre mais aussi leur puissance peut être augmentée à cause de l'exploitation de cette énergie .
La géothermie très basse énergie exploite la chaleur de la couche superficielle du sol, qui provient, non pas des profondeurs de la croûte terrestre, mais du soleil et du ruissellement de l'eau de pluie ; elle est utilisée pour :
- la climatisation passive avec par exemple, le système du puits provençal, le puits canadien, etc. ;
- le chauffage et la climatisation avec la pompe à chaleur géothermique, qui se développe en particulier en Allemagne, en Suède et en France ; ces pompes à chaleur sont considérées comme exploitant une énergie partiellement renouvelable car une grande partie de l’énergie qu’elles fournissent provient de l'énergie solaire emmagasinée chaque été dans la terre par le soleil, et comme des systèmes efficaces de production de chaleur car elles assurent une production d’énergie thermique très supérieure à l’énergie électrique consommée.
En France, la programmation pluriannuelle des investissements de production de chaleur a fixé des objectifs très ambitieux pour la géothermie : une multiplication par 6 de la production de chaleur à partir de géothermie entre 2006 et 2020 .
Aspects économiques :
Coûts:
Dans le monde les coûts de production d'électricité (coûts moyens actualisés) à partir d'énergie renouvelable ont peu varié de 2009 à 2015, contrairement à d'autre (solaire photovoltaïque surtout) :
- Ceux de l'éolien à terre ont baissé de 14 % (83 $/MWh contre 96 $/MWh), mais après deux années de baisse ils remontent légèrement ;
- Ceux de l'éolien en mer ont fortement augmenté jusqu'à plus de 220 $/MWh en 2012 avant de redescendre à 174 $/MWh en 2015 ;
- Le solaire thermodynamique avec stockage est resté stable à environ 275 $/MWh ;
- le solaire photovoltaïque (silicium cristallin) a chuté de 61 % entre 315 $/MWh au 3e trimestre 2009 et 122 $/MWh fin 2015, et certains projets de centrales dans des zones très ensoleillées ont atteint des prix très bas : 58,5 $/MWh à Dubai, 64 $/MWh au Rajasthan et 68 $/MWh dans l'Andhra Pradesh .
En France comme ailleurs la maturité de certaines filières ENR les rend de plus en plus compétitives. Les coûts varient toutefois selon de nombreux facteurs (progrès technologiques, perception du risque par les investisseurs, lieu d'implantation, coûts de matériaux stratégiques..). L'ADEME a publié début 2017 une évaluation des coûts par filières de chaleur et électricité renouvelables .
Financement par le marché :
La maturité du marché des énergies renouvelables est attestée par l'essor des obligations vertes (green bonds en anglais) : alors que les émissions cumulées de ces titres atteignaient 17,4 milliards de dollars fin 2013, plus de 26 Mds $ ont été émis sur les 9 premiers mois de 2014 ; les émissions de 2014 devraient totaliser 40 Mds $ et celle de 2015 près de 100 Mds $. En novembre 2013, EDF a émis 1,4 Mds € dont 550 M€ ont été investis dans neuf parcs éoliens et une installation de biométhanisation situés aux États-Unis, au Canada et en France ; GDF Suez a levé 2,5 Mds € en mai 2014 .
En octobre 2014, le plus grand gestionnaire d'actifs européen : Amundi et l'électricien EDF ont annoncé un partenariat pour proposer des produits d’épargne investis dans les énergies renouvelables par la création d’une société de gestion commune, qui espère lever 1,5 milliard d’euros auprès d’investisseurs institutionnels et de particuliers dans ses deux premières années d’exercice .
L’initiative RE 100, lancée en septembre 2014 lors de la Climate Week de New York, regroupe début décembre 2015 45 grandes entreprises qui se sont engagées à consommer 100 % d’électricité verte en 2020, ou parfois un peu plus tard. Parmi elles, des industriels (Johnson & Johnson, Nestlé, Nike, Philips, Unilever), des banques (Goldman Sachs, Commerzbank, UBS), des distributeurs (Ikea, Marks & Spencer, H&M) et une entreprise française : La Poste. Apple a reçu les félicitations de Greenpeace dans son dernier rapport sur les politiques environnementales des géants du Web, car il atteint un taux de 100 % dans ses « data centers ». Google investit également dans des projets d’énergie éolienne ou solaire et se définit d’ores et déjà comme le plus gros acheteur « corporate » d’énergie verte dans le monde. Son campus de Mountain View est alimenté à 100 % par des éoliennes. En 2014, 37 % de l’électricité que le groupe a consommée était d’origine renouvelable, et il s’est publiquement engagé à tripler ses achats d’électricité verte d’ici à 2025. EDF Énergies Nouvelles a conclu un contrat avec Google qui s’est engagé à acheter, pendant quinze ans, l’électricité qui sera produite par le parc éolien Great Western, situé dans le nord-ouest de l’Oklahoma (200 MW) ; EDF EN a aussi conclu des accords similaires avec Microsoft et Procter & Gamble .
Prospective économique :
Une étude publiée en janvier 2014 par l'Institut Fraunhofer affirme que le programme du tournant énergétique (Energiewende - version allemande de la transition énergétique) sera rentabilisé à partir de 2030 ou 2035 par les économies d'énergies fossiles qu'il permettra, et ce en prenant en compte les investissements annexes qu'il nécessitera : moyens de stockage (power-to-gas, power-to-heat, batteries), stations de recharge pour la mobilité électrique, pompes à chaleur, réseaux, etc. même en supposant que les prix des énergies fossiles n'augmenteront pas ; les auteurs insistent sur la priorité à donner aux secteurs du transport et du chauffage, bien plus qu'à la production d'électricité ; le scénario semble cependant bâti de façon très sommaire, sans simulation fine des interactions entre les différents composantes.
Le rapport ETP 2014 de l'Agence internationale de l'énergie publié en mai 2014 étudie trois scénarios possibles d'évolution des systèmes énergétiques jusqu'en 2050 ; le scénario le plus volontariste, intitulé « 2DS » (pour « 2 degrees scenario »), visant à limiter l'augmentation moyenne de la température à 2 °C conformément aux recommandations du GIEC, aboutit à ce résultat en limitant la progression de la demande d'énergie à 25 % (au lieu de 70 % dans le scénario 6DS de poursuite des tendances actuelles menant à un réchauffement de 6 °C) et en réduisant les émissions de gaz à effet de serre de 50 % (au lieu d'une augmentation de 60 %) ; dans ce scénario 2DS, les énergies renouvelables contribuent pour 30 % à cette réduction des émissions, les gains d'efficacité énergétique contribuant pour 38 %, le captage et séquestration du carbone pour 14 %, le nucléaire et les changements de combustibles se partageant les 18 % restants ; les 44 000 milliards de dollars d'investissements supplémentaires nécessaires pour cette dé-carbonation du système énergétique sont largement compensés par les 115 000 Mds $ d'économies de combustibles qu'elle apporte ; même avec un taux d'actualisation de 10 %, le gain net serait encore de 5 000 Mds $.
Selon l’Agence internationale de l'énergie (AIE), la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité mondiale atteindra 26 % en 2020 contre 22 % en 2013. Entre 2015 et 2020, 700 gigawatts de nouvelles capacités vertes seront installées, dont 40 % en Chine, avec notamment son parc solaire de Gao Tai qui devrait s’étendre sur 319 km2, soit trois fois la superficie de Paris. L’Inde compte porter sa capacité électrique solaire de 5 à 100 gigawatts d’ici à 2022. Dans de nombreux pays les énergies renouvelables, et notamment l’éolien terrestre et le solaire photovoltaïque, ont vu leurs coûts de production fortement baisser et deviennent compétitives par rapport à d’autres types d’énergies, notamment en Afrique du Sud, au Brésil, en Inde, au Moyen-Orient ou dans certains états des États-Unis. L’AIE prévoit que 230 milliards de dollars seront mobilisés chaque année d’ici 2020 pour développer les renouvelables, après 270 milliards de dollars investis en 2014. La baisse des coûts de ces énergies devrait se poursuivre. Dans les pays émergents, les risques sont aujourd’hui les barrières réglementaires, les contraintes de réseaux et les conditions microéconomiques , tandis que dans les pays développés le développement rapide des renouvelables oblige à fermer des centrales électriques thermiques, mettant la pression sur les énergéticiens .
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