29 notions-clefs : les énergies renouvelables

Comment bénéficier de ces sources d’énergie ?
Auteurs : Régis Olivès(plus d'infos)
Résumé :
Explorons maintenant les moyens à mettre en oeuvre pour exploiter les énergies renouvelables. Pour cela, partons de notre vie quotidienne pour aller jusqu’à la centrale de production d’électricité. Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 16 Avril 2014

Le chauffage de l’eau par l’énergie solaire

Un chauffe-eau solaire consiste à coupler des capteurs solaires thermiques à un ballon de stockage d’eau. Un capteur solaire est constitué d’une surface sombre absorbant une très grande partie du rayonnement solaire et dans laquelle circule l’eau à chauffer. En isolant la face arrière et en plaçant une vitre en face avant, les pertes de chaleur sont réduites et l’efficacité améliorée. Pour dimensionner une installation (surface de capteurs, volume du ballon), il est nécessaire de connaître l’ensoleillement reçu. Pour un mois donné, la quantité d’énergie reçue est, en première approximation, quasi constante. Ainsi, il est possible d’évaluer, mois par mois, la production d’énergie d’un ensemble de capteurs solaires et l’économie réalisée.
Typiquement, une installation de 5 m² de capteurs solaires permet de satisfaire 40 à 70 % des besoins en eau chaude sanitaire d’une famille en France métropolitaine. Elle nécessite un appoint qui peut être une chaudière au bois, au fioul, au gaz ou électrique. Compte tenu des aides actuelles, la rentabilité financière est obtenue en 6 à 10 ans selon l’emplacement, l’ensoleillement, la consommation…
Si l’objectif est de réduire la consommation d’énergie fossile pour le chauffage de la maison, la surface de capteurs nécessaire sera plus élevée, de l’ordre de 20 m². La réduction de la consommation sera alors de 30 à 40 % selon les cas. Ainsi, en plus de chauffer l’eau, il est possible de chauffer en partie l’habitat.

La production d’électricité par panneaux photovoltaïques

L’énergie solaire photovoltaïque consiste à transformer directement la lumière provenant du soleil en électricité. L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839 et expliqué par Einstein (ce qui lui a d’ailleurs valu le prix Nobel). Le rayonnement solaire provoque le départ d’électrons et donc la génération d’un courant électrique. Les matériaux susceptibles de convertir relativement efficacement l’énergie contenue dans la lumière en déplacement d’électrons sont de type semi-conducteur. Les semi-conducteurs ont la particularité de ne conduire l’électricité qu’à partir du moment où l’énergie incidente (l’énergie solaire) est suffisante. Ces matériaux sont généralement à base de silicium. On en fait des cellules d’une taille de quelques centimètres. L’assemblage de ces cellules conduit aux panneaux photovoltaïques.
Ces derniers permettent d’alimenter des pompes hydrauliques, des sources lumineuses (panneaux d’affichage, éclairage…), des batteries afin de stocker l’énergie électrique et tout autre appareil électrique de puissance similaire. Pour un fort ensoleillement (de l’ordre de 1000 watts par m²), un panneau d’1 m² fournira au mieux de 100 à 150 watts (compte tenu des rendements actuels compris entre 10 et 15 %). Malheureusement, l’ensoleillement n’arrive pas souvent à ce niveau de puissance. Néanmoins, comme les cellules captent aussi bien le rayonnement issu directement du Soleil que le rayonnement diffus, c’est-à-dire provenant des réflexions sur les surfaces environnantes, elles délivrent un courant souvent suffisant pour recharger des batteries tout au long de l’année. Le stockage de l’électricité dans des batteries permet de s’affranchir des intermittences de l’ensoleillement et de satisfaire les besoins sans interruption. Il s’agit donc d’une source d’énergie intéressante pour les régions reculées qui ont des difficultés à accéder à toute autre forme d’énergie, en particulier fossile. Aussi, des surfaces de panneaux sont-elles installées sur les toits d’habitations ou de fermes isolées, non connectées au réseau électrique. Ces installations exigent de faire un inventaire drastique des besoins tout au long de l’année afin de dimensionner au plus près l’installation.
Dans le cas des installations reliées au réseau, l’esprit est tout autre ; il s’agit plutôt de contribuer à la production d’électricité à partir de sources renouvelables. L’intérêt est essentiellement économique et peut se justifier dans le cas d’utilisation de surfaces de toit ou de façades faciles à convertir. Le développement de la production photovoltaïque dans le domaine du bâtiment conduit de plus en plus à l’intégration architecturale des panneaux.
Lorsque le rayonnement est concentré, les températures atteintes sont plus élevées. Or, avec une température plus haute, la chaleur a la possibilité d’être convertie en énergie mécanique de façon plus efficace. Ainsi, en associant un ensemble de miroirs appelés « héliostats », le rayonnement réfléchi est envoyé sur une surface noire. Cette surface peut alors absorber efficacement le rayonnement et le convertir en chaleur. Ensuite, il faut transmettre cette chaleur à un fluide, qui peut être de l’air, de l’eau ou de l’huile. Prenons l’exemple de l’eau. En montant en température, elle va se transformer en vapeur. Elle peut alors alimenter une turbine dans laquelle elle se détend et lui fournit ainsi de l’énergie mécanique. La conversion de l’énergie mécanique en électricité est assurée par un alternateur, qui est un système qui s’apparente à la fameuse dynamo de vélo. C’est ainsi que les centrales électrosolaires combinent la concentration par des miroirs à des cycles thermodynamiques rencontrés dans les autres systèmes de production d’électricité plus classiques. Notons qu’un cycle thermodynamique est en quelque sorte le circuit emprunté par un fluide qui subit un certain nombre de transformations pour revenir à son état initial. Ces transformations se caractérisent par des variations de température, de pression et de volume utiles à la conversion d’une énergie en une autre.
La concentration nécessite de mettre en oeuvre des miroirs à la géométrie adaptée. Il existe trois grands types de centrales associant la concentration à un cycle thermodynamique :

les centrales à tour, telles que celle de Thémis à Targasonne dans les Pyrénées-Orientales. Il s’agit d’un ensemble d’héliostats qui suivent le Soleil tout le long de la journée. Ces héliostats réfléchissent le rayonnement sur un foyer, sorte de caisse ouverte au fond de laquelle un ensemble de tubes noirs collecte le rayonnement. Les tubes transmettent la chaleur au fluide qui y circule. La température peut monter à près de 1 000 °C.

les paraboles Stirling, constituées d’un miroir parabolique au foyer duquel est placé un moteur Stirling. La forme parabolique permet de concentrer les rayons venant du Soleil en un point, la partie chaude du moteur Stirling qui atteint des températures de l’ordre de 500 à 800 °C. Ce moteur est basé sur la récupération du travail fourni par la dilatation d’un gaz sous l’effet de la chaleur.

les centrales à miroirs cylindro-paraboliques. La concentration est réalisée à l’aide de miroirs en forme de gouttière dont la courbure est calculée sur la base d’une parabole. Le rayonnement est concentré sur une ligne. Ainsi, l’énergie solaire est captée par un tube placé au foyer des miroirs. Ces miroirs suivent le Soleil au cours de la journée. Les températures atteintes sont comprises entre 200 et 400 °C.

Par une double réflexion, les températures peuvent être encore plus élevées. C’est le cas par exemple du four solaire d’Odeillo, qui atteint des puissances de l’ordre du million de watts et des températures supérieures à 3000 °C. Le principe consiste à orienter les rayons du soleil à l’aide d’un ensemble de miroirs vers une grande parabole. Cette parabole, qui mesure 40 mètres de haut, renvoie à son tour le rayonnement vers une cible de quelques dizaines de centimètres. Cependant, le four n’est pas exploité pour la production d’énergie mais pour l’élaboration et la caractérisation de matériaux soumis à des conditions extrêmes de température. L’intérêt de ce grand instrument est de pouvoir solliciter la matière dans des conditions totalement maîtrisées et souvent difficiles à reproduire par d’autres moyens.

La géothermie

La chaleur contenue dans les couches terrestres peut être mise à profit pour la production d’énergie. Compte tenu des immenses quantités de chaleur et de la température au centre de la Terre, la géothermie constitue une source d’énergie inépuisable à l’échelle de l’humanité. Les principes de fonctionnement sont différents selon la profondeur et la température de la couche terrestre qui est sollicitée.

Il est possible de mettre en évidence la géothermie et en particulier celle à basse température malgré les faibles valeurs du flux de chaleur. La mesure de la température du sol (dans un bac à sable par exemple) à différentes profondeurs et à différents moments de la journée montre l’influence de l’énergie solaire absorbée par le sol et la température de l’air ambiant.

Le sol, en stockant l’énergie solaire dans les premiers mètres de profondeur, peut restituer la quantité de chaleur nécessaire pour faire fonctionner des pompes à chaleur avec des rendements élevés et permettre ainsi de chauffer efficacement les habitations. C’est le géosolaire. En pratique, un tube est placé dans le sol à moins d’un mètre de profondeur et recueille la chaleur de la terre. Ce tube joue le rôle de capteur horizontal. La chaleur récupérée évapore le fluide qui circule dans une pompe à chaleur. Afin de remonter la pression du fluide, la pompe à chaleur est munie d’un compresseur. Le fluide se condense alors et fournit de la chaleur à l’intérieur de l’habitat. La consommation d’électricité de ces pompes à chaleur est fortement réduite par rapport aux convecteurs électriques. Elle l’est d’autant plus que la température de la chaleur récupérée dans le sol est élevée.
Le cycle complet d’une pompe à chaleur est similaire à celui d’un système frigorifique tel qu’un réfrigérateur domestique ou un climatiseur. Il suit un enchaînement de quatre phases :

  • évaporation
  • compression
  • condensation
  • détente.

L’évaporation permet d’extraire de la chaleur au milieu environnant. Passé à l’état de gaz, la compression l’amène ensuite dans des conditions telles qu’il puisse passer à l’état liquide. Cette condensation s’accompagne d’un dégagement de chaleur. Enfin, la détente conduit le liquide dans des conditions telles qu’il passe à l’état de gaz. Et le cycle peut alors recommencer.
Afin de bénéficier de plus fortes températures, des sondes géothermiques (dites aussi « capteurs verticaux ») sont implantées dans des forages de plus de 80 mètres de profondeur. Certaines pompes à chaleur géothermiques peuvent fonctionner l’hiver en mode chauffage et l’été en mode rafraîchissement. La géothermie est caractérisée par un flux de chaleur constant traversant les couches terrestres. Néanmoins, lors de l’exploitation d’un site et afin de préserver le caractère renouvelable, nous ne devons pas extraire davantage de chaleur que ce qui est apporté naturellement par le sous-sol et l’absorption du rayonnement solaire en surface.
L’exploitation de l’énergie géothermique à haute température se rencontre dans les endroits où l’affleurement du magma entretient des températures élevées. Un exemple français d’une telle exploitation est la centrale de Bouillante, en Guadeloupe, qui fournit près de 15 % de l’électricité de l’île. L’Italie a mis en place un grand nombre de centrales géothermiques qui exploitent la vapeur d’eau générée par la remontée du magma pour alimenter des turbines de production d’électricité.

L’énergie éolienne

L’objectif est de capter la force exercée par le vent sur des surfaces mobiles pour générer une énergie mécanique transformée ensuite en électricité. La conception des pales repose sur la même technologie que celle mise en oeuvre dans l’aéronautique. Il s’agit de développer une géométrie telle que la pale puisse convertir efficacement la force du vent tout comme l’aile d’avion qui exploite l’effort de portance. Les éoliennes les plus courantes sont à axe horizontal. Elles sont généralement constituées d’une nacelle comportant un rotor muni de deux ou trois pales. La nacelle est placée sur un pylône qui peut atteindre plus de 80 mètres de hauteur. Elle peut avoir la possibilité d’être orientée pour pouvoir bénéficier de vents quelle que soit leur direction. Le rotor actionne un multiplicateur de vitesse qui entraîne à son tour un alternateur. Les pales ont des diamètres de l’ordre de 100 mètres conférant à l’éolienne une puissance de l’ordre de 1000 à 2000 kW. Les performances atteintes par ces éoliennes sont parmi les meilleures.
Il existe d’autres types d’éoliennes. Certaines ressemblent à des bidons coupés en deux et décalés entre eux. D’autres sont constituées par deux ou trois lames (métalliques ou en matériau composite) profilées et assemblées autour d’un axe de rotation qui peut être vertical. Ces éoliennes ont la particularité de pouvoir fonctionner quelle que soit la direction du vent.
La puissance est proportionnelle à la masse volumique de l’air, à la surface balayée (c’est-à-dire à la surface du disque couvert par les pales en rotation) et au cube de la vitesse de l’air. Un gisement éolien est intéressant si la vitesse du vent est souvent élevée et la plus constante possible. En mer, les vents vérifient souvent ces critères. Le potentiel du site et l’énergie que pourra fournir une éolienne sont évalués en mesurant la vitesse, la fréquence, la direction du vent tout au long de l’année. Une éolienne est caractérisée par une vitesse de démarrage, une vitesse nominale, à laquelle correspond la puissance nominale, une vitesse de coupure (vitesse maximale à partir de laquelle l’éolienne est mise en drapeau ou désorientée pour réduire l’effort exercé et éviter la rupture mécanique). Typiquement, les éoliennes tournent entre 20 et 30 % du temps à la puissance nominale.

L’énergie hydraulique

Les turbines hydrauliques installées dans les barrages ou les fleuves sont de différents types. Elles sont conçues pour exploiter au mieux l’écoulement de l’eau dû à la hauteur de la chute d’eau et de son débit. Par exemple, en région montagneuse, l’eau d’un barrage peut être récoltée par une conduite forcée. Celle-ci est un tube pouvant mesurer plus d’un mètre de diamètre et qui aura pour rôle d’amener l’eau plusieurs centaines de mètres plus bas. L’énergie du jet d’eau issu de la conduite forcée est alors transformée en énergie mécanique de rotation grâce à une turbine Pelton. Pour des raisons d’efficacité, ce type de turbine est constituée d’un ensemble d’augets en forme de cuillère.

La récupération de l’énergie issue de l’écoulement de l’eau est intéressante car la masse volumique de l’eau est environ 700 fois plus élevée que celle de l’air. La mise en évidence de cette forme d’énergie est plus aisée que pour l’éolien alors que les vitesses sont souvent plus faibles. Les pales d’une turbine peuvent être obtenues à partir de cuillers en plastique (voir le schéma ci-contre). Cette turbine peut avoir comme axe un bouchon aux extrémités duquel nous aurons planté deux clous. Placé sous un robinet, ce montage met en évidence la conversion de l’énergie liée à l’écoulement de l’eau en énergie de rotation. Cette énergie peut mettre en mouvement un petit poids via un système de poulie.

L’expérimentation sur l’énergie liée aux courants marins ou aux vagues est aussi très enrichissante. Prenons l’exemple de la récupération de l’énergie des vagues. Dans un bac d’eau, générons des vagues. En plaçant un flotteur dans un tube vertical à demi enfoncé dans l’eau, nous remarquons un va-et-vient du flotteur que nous pouvons relier à une poulie. Une autre façon de procéder consiste à relier un flotteur à un pivot horizontal suffisamment désaxé et placé au dessus de l’eau. L’oscillation due à la vague provoque une rotation du pivot qui peut être convertie en un mouvement linéaire à l’aide d’une roue à cliquet. Le système Pelamis, basé sur ce phénomène, associe plusieurs paires de flotteurs qui sont articulés entre eux à l’aide de vérins hydrauliques.

La biomasse

Les végétaux sont capables de capter l’énergie solaire pour fabriquer la matière nécessaire à leur croissance. Cette matière organique peut être utilisée directement. Il s’agit par exemple de la combustion du bois. Afin de réaliser une combustion propre et efficace, il est souvent intéressant de transformer la matière organique. Cette transformation peut consister à la putréfaction en vue d’obtenir du biogaz. Ce biogaz pourra alors être utilisé comme combustible dans une turbine à gaz. Comment peut-on produire du biogaz ? Des déchets tels que des épluchures, des croûtes de fromages, de l’herbe… peuvent très bien convenir. Placés dans un réservoir (bidon de 3 à 4 litres) fermé hermétiquement, ils vont pouvoir commencer à rentrer en putréfaction. En posant le réservoir sur une source de chaleur (30-35 °C) durant quelques semaines, les déchets se tassent et noircissent. Un ensemble de réactions chimiques associé à des bactéries dites « mésophiles » ont ainsi conduit à la dégradation de la matière organique. Se forme alors du biogaz, un mélange de méthane et de dioxyde de carbone. Attention, l’approche d’une allumette génère une flamme caractéristique de la combustion du méthane.
On peut aussi évoquer la transformation des graines végétales en carburant. Des réactions chimiques ou des distillations sont nécessaires afin d’aboutir à des substances utilisables dans les moteurs thermiques. En termes de contenu énergétique, la matière organique a des capacités analogues à celles des hydrocarbures. Ceci en fait une source d’énergie a priori très intéressante. L’inconvénient est de rentrer en concurrence avec le secteur alimentaire. De nouvelles générations d’agrocarburants sont développés afin de n’avoir que le secteur énergétique comme débouché et d’occuper le moins de place possible pour ne pas mettre en péril les cultures destinées à l’alimentaire. On peut citer les micro-algues, mises en cultures dans des réservoirs sous le soleil.
Enfin, le bois est la matière végétale solide utilisée depuis très longtemps en tant que combustible. De nouvelles technologies sont conçues pour convertir le bois en énergie de façon encore plus efficace. On peut noter les chaudières brûlant des granulés obtenus par compression des déchets de l’industrie du bois. La transformation du bois en substances gazeuses constitue aussi une voie intéressante pour obtenir une combustion plus propre du bois. Dans ce secteur, on assiste actuellement à l’apparition de nombreuses innovations technologiques contribuant à la valorisation énergétique des déchets végétaux.

Conclusion

Les énergies renouvelables ont été les principales sources d’énergie durant des siècles. Remplacées par les énergies fossiles depuis le xixe siècle, elles reviennent sur le devant de la scène du fait de notre prise de conscience quant à l’épuisement des ressources fossiles et à la dégradation de l’environnement. L’exploitation des énergies fossiles nous a permis de nous extraire des contraintes liées au caractère bien souvent diffus et intermittent des énergies renouvelables. En effet, la quantité d’énergie susceptible d’être exploitée à partir d’une tonne d’eau qui tombe de 300 mètres de haut est équivalente à la combustion de 100 grammes de pétrole. Autre exemple illustratif, l’énergie solaire reçue par ciel clair sur un mètre carré pendant une heure est comparable à la chaleur dégagée par 0,05 milligrammes d’uranium radioactif. Lorsque des nuages arrivent, l’ensoleillement chute et l’énergie reçue au sol diminue fortement. La vitesse du vent, et donc la production d’électricité d’une éolienne, est elle aussi très fluctuante. Le caractère aléatoire de la météorologie pénalise ces systèmes à énergie renouvelable. Afin de répondre aux demandes en énergie, il s’avère nécessaire de développer des systèmes d’appoint qui permettent de combler les manques inéluctables et de mettre en oeuvre des moyens de stocker l’énergie. Ainsi, l’exploitation des énergies renouvelables implique des investissements souvent plus lourds. L’utilisation des énergie renouvelable nous conduit à revoir notre système énergétique et à mieux adapter la production aux réels besoins. De nouvelles problématiques à la fois scientifiques, techniques, économiques, environnementales s’entrechoquent et rendent forcément plus délicat le passage à des systèmes de production à partir d’énergies renouvelables. Pourtant, il s’avère nécessaire d’investir dans ces énergies pour préparer ce que certains appellent l’« après-pétrole », et donc notre avenir.
Cet avenir devra reposer sur la pluralité des sources d’énergie, chacune ayant des avantages et des inconvénients.
Mais le choix de ces énergies n’est pas que technologique, économique ou environnemental. Il est aussi, et surtout, social : l’accès à l’énergie est une composante essentielle dans l’organisation de la société. Or, pour arriver à orienter cette dernière vers un système énergétique respectueux de l’environnement, viable économiquement et acceptable socialement, le défi est essentiellement politique.
Il s’agit d’un véritable enjeu de civilisation.

Bibliographie

  • Paul Mathis, Les énergies renouvelables ont-elles un avenir ?, « Les Petites Pommes du savoir », n°45, Le Pommier, 2004.
  • Jean-Christian Lhomme, Les énergies renouvelables, Delachaux & Niestlé, 2004
  • Patrick Piro, Guide des énergies vertes pour la maison, Terre vivante, 2006.
  • Francis Meunier, Adieu pétrole - vive les énergies renouvelables !, Dunod, 2006.
  • Marek Walisiewicz, Les énergies renouvelables, un guide d'initiation sur les énergies du futur, Pearson Education France, 2e édition, 2007.

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