Quelles sont les énergies renouvelables ?

L’évolution des sociétés humaines est étroitement liée à la découverte d’énergie. L’homme a débuté par maîtriser le feu dans le but d’améliorer son bien-être. Par la suite, il a vite compris qu’il fallait utiliser les forces que la nature mettait à sa disposition. À l’image du premier moulin à eau datant de 2000 ans av J-C qui utilise la force de l’eau pour tourner. Cependant selon la source utilisée, l’énergie ne lie pas toujours qualité de vie et respect de l’environnement. L’énergie renouvelable peut être donc une solution. Mais alors quelles sources d’énergie sont considérées comme renouvelables ? Comment peut-on les utiliser ?

I/ Définition de l’énergie renouvelable

L’énergie renouvelable rassemble les énergies provenant de sources de production dont le renouvellement est naturel et assez rapide pour être exploité. Elle a pour origine le vent, le soleil, la chaleur de la terre, l’eau ou encore la croissance des végétaux. Les énergies renouvelables n’engendrent pas ou peu d’émissions polluantes et sont considérées comme inépuisables.

II/ Le vent source d’énergie renouvelable

Éoliennes à axe horizontal

Éolienne onshore

Elle est l’éolienne terrestre dite « classique », elle est la plus répandue. Cette structure comporte une hélice constituée de plusieurs pales montée sur un mât dont la hauteur peut varier. Ce mécanisme produit de l’électricité renouvelable en faisant tourner l’hélice grâce à la force du vent au contact des pâles. Celle-ci actionne un générateur électrique ou une pompe.

Éolienne onshore.
Éolienne offshore

Le terme anglais « offshore » signifie littéralement « hors côtes ». Il existe ainsi deux principaux types d’éoliennes en mer :

Éoliennes fixes sur le Parc éolien de Thorntonbank.

Les éoliennes fixes sont implantées sur des “hauts-fonds”, c’est-à-dire des zones où la profondeur est faible. Elles sont plus imposantes que les éoliennes terrestres.

Les éoliennes flottantes peuvent être implantées dans des fonds marins qui ne permettent pas la construction de fondations. Contrairement aux éoliennes fixes, celles-ci sont construites à terre. Une fois installées, elles sont maintenues grâce à plusieurs câbles pour stabiliser les flotteurs qui soutiennent la structure.

Le projet WindFloat, deuxième prototype d’éolienne flottante à échelle réelle d’une puissance de 2 MW et installé au large de Aguçadoura au Portugal.

Les éoliennes offshore permettent de capter des vents plus soutenus et plus réguliers. Elles ont donc un meilleur taux de production d’électricité renouvelable que les éoliennes terrestres.

Éolienne à axe vertical

Type Savonius

Cette éolienne est constituée de demi-cylindres reliés à un axe vertical. Le rendement de l’éolienne Savonius est plus faible que celui des éoliennes à axe horizontal mais ce type de machine permet d’exploiter des vitesses de vent plus faibles.

De faible encombrement et plus silencieuses que les autres éoliennes, les éoliennes du type Savonius sont idéales pour l’intégration de l’énergie renouvelable en milieu urbain.

Animation d’une éolienne de type Savonius hélicoïdale.
Type Darrieus

La structure de l’éolienne du type Darrieus est composée d’une turbine qui comporte un certain nombre de pales incurvées montées sur un mât vertical rotatif.  Leur faible encombrement est un avantage en matière d’intégrations urbaines. L’angle zéro des pales par rapport à la structure lui permet d’exploiter des vents très faibles. Cependant, contre des vents extrêmes, la protéger s’avère difficile.

Éolienne de type Darrieus à rotor parabolique, Parc Éole, Québec.
Type à voilure tournante

Suivant l’exemple d’une voile d’un voilier, l’éolienne à voilure tournante est équipée de pales verticales reliées à des bras horizontaux qui lui permettent de s’adapter à toutes les orientations du vent.

La vitesse de rotation de ce mécanisme est plus lente que son homologue du type Darrieus mais leur production est identique. Cependant, l’éolienne à voilure tournante permet l’exploitation de vent supérieur à 220 km/h. Son design et sa technologie peu bruyante lui permettent de s’intégrer facilement au milieu urbain.

Éolienne à ailes rotatives Čuljak19 de 12 m, à Osijek, Croatie.

Avec toutes ces innovations, le vent est un élément moteur de la production d’énergie renouvelable.

III/ Produire de l’énergie renouvelable grâce au soleil

Pour transformer l’énergie solaire en électricité renouvelable, nous utilisons des panneaux solaires. Il en existe trois sortes détaillées ci-dessous. Cependant dans les trois cas, les panneaux sont généralement plats avec une surface d’environ 1 m² pour faciliter et optimiser sa mise en place.

Panneau photovoltaïque

Panneaux solaires photovoltaïques.
Maison écologique du site Biosphère de l’île Sainte-Hélène, au Québec.

Les panneaux solaires photovoltaïques sont constitués de cellules photovoltaïques qui accueillent la lumière du soleil puis la transforment en électricité renouvelable.

Ces panneaux solaires peuvent être utilisés aussi bien pour une petite consommation pour un particulier mais également pour la production d’énergie renouvelable à grande échelle dans des centrales photovoltaïques.

Panneau solaire thermique

Ce système à énergie solaire thermique ou thermodynamique, utilise des panneaux solaires dont la surface capte les rayons du soleil afin de réchauffer un fluide caloporteur placé sous les panneaux.

Ce fluide chaud est essentiellement utilisé pour chauffer l’eau sanitaire. Mais grâce à un système solaire combiné, le ballon de stockage peut être relié à deux circuits d’eau chaude, l’un pour l’eau chaude sanitaire et le second pour le chauffage qui alimente des radiateurs à eau ou un plancher chauffant.

Il faut savoir qu’un panneau solaire thermique peut également servir à produire de l’électricité renouvelable.

Centrale solaire Thémis d’EDF, Pyrénées-Orientales.

La version la plus puissante de ce système est une centrale solaire thermodynamique où un grand nombre de panneaux solaires thermiques sont orientés vers un même fluide caloporteur. Ce fluide a pour but de transformer de l’eau en vapeur. La pression générée par la vapeur va mettre en mouvement une turbine qui alimente un alternateur dans le but de produire de l’électricité renouvelable. 

Il ne faut pas confondre ces panneaux avec des panneaux solaires photovoltaïques qui eux servent seulement à produire de l’électricité.

Panneau photovoltaïque hybride

Le panneau photovoltaïque hybride combine les deux technologies précédentes, ainsi il produit à la fois de l’électricité et de la chaleur. Ce mécanisme est un panneau solaire thermique parcouru par des échangeurs qui récupèrent la chaleur solaire. De plus, le panneau photovoltaïque hybride est recouvert de cellules photovoltaïques qui produisent un courant électrique.

Ces différents systèmes de production d’énergie renouvelable, ont une performance maximale pendant environ vingt ans. Cependant, après cette période, ils ne cessent pas de fonctionner mais leur performance diminue au fil du temps.

IV/ L’eau, une des sources d’énergie renouvelable la plus répandue

L’énergie hydraulique est l’énergie fournie par le mouvement de l’eau, sous toutes ses formes : cours d’eau, chutes d’eau, courants marin, vagues, marée.

Barrage hydroélectrique

Barrage de Serre-Ponçon.

Ce mécanisme est constitué de trois éléments : un barrage, un canal de dérivation et d’un dispositif de conversion d’électricité. En effet, le barrage permet de créer un lac de retenue qui constitue une réserve d’eau, c’est donc un moyen de stocker de l’énergie renouvelable. Par la suite, l’ouverture des vannes du barrage permet d’orienter l’eau dans un canal de dérivation afin d’atteindre les turbines qui produiront de l’électricité. Plus le débit et la hauteur de chute d’eau sont importants, plus l’eau transporte d’énergie.

Il existe également un dérivé de ce mécanisme sans barrage, qui fonctionne « au fils d’eau » : le cours d’eau principal est divisé en plusieurs couloirs au bout desquels l’eau est accueillie par un dispositif de conversion d’électricité.

Énergie thermique

L’énergie thermique exploite la différence de températures entre les eaux chaudes de la surface de la mer (plus de 25 degrés) et les eaux froides récupérées à environ 1000 mètres de profondeur (d’environ 5 degrés). À l’aide d’un mécanisme complexe, de la vapeur est créé. Celle-ci est utilisée pour mettre en mouvement des turbines qui entraînent un alternateur permettant de créer de l’électricité renouvelable. L’avantage de ce système est qu’il peut être exploité 24h/ 24 et 7 j/7. Cependant, il n’est déployable que dans la ceinture intertropicale.

Énergie marémotrice

Usine marémotrice Annapolis Royal, Nouvelle-Écosse, Canada.

L’énergie des marées est exploitée grâce à des usines marémotrices. Ce mécanisme est constitué d’un barrage construit sur l’estuaire d’un fleuve. Il utilise l’eau de mer deux fois par jour, à marée montante et descendante, permettant ainsi à des turbines de produire de l’électricité renouvelable à l’aide d’un générateur. À marée basse, le barrage peut être utilisé pour retenir les eaux du fleuve afin d’être exploitée sur le même principe qu’un barrage hydroélectrique.

L’exploitation de l’énergie marémotrice est ancienne. Les premiers moulins à marée dateraient de l’antiquité sur la rivière Fleet dans la Londres romaine.

Énergie osmotique

L’énergie osmotique est une énergie renouvelable qui utilise le phénomène d’osmose. Ce phénomène est induit par le déplacement de l’eau douce à travers une membrane lorsque de l’eau salée et de l’eau douce se retrouvent séparées par une membrane semi-perméable.

Pour créer de l’énergie renouvelable grâce à l’osmose, on utilise une centrale électrique osmotique. Cette structure est composée de deux compartiments d’eaux de salinité différente séparés par une membrane semi-perméable.  Par osmose, l’eau douce passe à travers la membrane vers la masse d’eau la plus salée pour la diluer. Le niveau du compartiment d’eau salée augmente alors ce qui provoque une augmentation de pression. Cette pression est utilisée pour faire tourner une turbine productrice d’électricité renouvelable.

Énergie hydrolienne

Hydrolienne.

Fonctionnant sur le même principe que les éoliennes terrestres, les hydroliennes sont constituées de grandes pales qui utilisent la force cinétique des courants marins. Ces courants peuvent s’avérer extrêmement puissants et ont pour avantage d’être inépuisables et réguliers contrairement à la force du vent, qui reste majoritairement aléatoire. La production d’électricité renouvelable par l’énergie hydrolienne est donc estimable et prévisible.

V/ L’énergie géothermique, la chaleur de la Terre comme source d’énergie renouvelable

Le terme de géothermie provient du grec géo (« la Terre ») et thermos (« la chaleur »). En effet, cette énergie renouvelable provient de l’utilisation de la chaleur émise par la Terre. Cette chaleur résulte principalement de la désintégration radioactive des atomes qui constituent les roches. Elle peut être utilisée pour le chauffage, mais aussi pour la production d’électricité. Il s’agit de l’une des seules énergies renouvelables ne dépendant pas des conditions atmosphériques.

La géothermie très basse énergie

Éléments extérieurs de pompes à chaleur à usage résidentiel.

Le moyen d’exploitation de cette énergie renouvelable le plus connu est la pompe à chaleur, utilisée pour chauffer des habitations. Trois types de captages de la chaleur terrestre sont actuellement utilisés :

  • Le captage horizontal au sol est la solution la plus utilisée en France car elle ne nécessite pas de travaux importants. Les capteurs sont enterrés à une profondeur allant de 0,6 m à 1m20 et doivent recouvrir une surface de terrain équivalente au minimum d’au moins 1,5 fois la surface à chauffer.
  • Le captage vertical au sol qui est conseillé pour de petits terrains. Les capteurs sont enfouis à une profondeur qui peut aller jusqu’à 100 m . Cette installation est plus efficace que le captage horizontal car les sondes, grâce à la profondeur, dépendent moins des changements de température. Les travaux d’installation d’une pompe à chaleur équipée de capteurs verticaux sont plus conséquents donc plus coûteux.
  • Le captage vertical sur nappe phréatique est adapté pour les habitations situées au-dessus d’une nappe. Ce système de captage est très performant car la température de l’eau d’une nappe phréatique est toujours comprise entre 8 et 12°C.

La géothermie basse énergie

On parle de géothermie basse énergie lorsque le forage permet d’atteindre une température de l’eau entre 40°c et 130°c dans des gisements situés entre 1 500 et 2 500 mètres de profondeur. Cette technique est utilisée principalement pour le chauffage urbain collectif par réseau de chaleur, et certaines applications industrielles.

La géothermie à grande et très grande échelle

L’objectif de cette technique est d’utiliser la chaleur de la Terre pour produire de l’électricité renouvelable. La structure élaborée pour cela est une centrale géothermique.

La centrale géothermique de Palinpinon (Philippines), le plus profond puits est de 3 800 m3

Pour récupérer de l’énergie thermique du sous-sol, on injecte de l’eau en quantité à grande profondeur après avoir foré un puits. Cette eau se charge en calories en circulant entre les roches chaudes avant de remonter à la surface aux alentours de 200 degrés. Elle passe ensuite dans un échangeur où elle libère ses calories avant de retourner dans le sous-sol pour se recharger. Les calories libérées sous forme de vapeur permettent d’alimenter une turbine à vapeur qui fait tourner un alternateur afin de produire de l’électricité renouvelable.
Cependant, l’efficacité et la longévité de ce système dépendent de la profondeur où la chaleur est récupérée. L’exploitation des puits dans les centrales géothermiques est possible à partir de 150°c.

VI/ La biomasse pour produire de l’énergie renouvelable

La biomasse est une masse de matières organiques pouvant se transformer en énergie. Dans le domaine des énergies renouvelables, elle peut être utilisée de différentes façons.

Le bois ou biomasse solide

Turbine à vapeur à biomasse, entreprise Blohm & Voss, Allemagne.

Le bois est utilisé sous forme de copeaux en rassemblant les chutes de bois provenant de l’artisanat, du branchage ou encore des palettes.
Ce bois est le plus souvent utilisé dans des chaufferies qui le brûlent pour produire de la chaleur et/ou de l’électricité renouvelable.
Une fois dans la chambre de combustion, le bois dégage de la chaleur qui est utilisée pour chauffer de l’eau dans le but de créer de la vapeur. Cette vapeur peut être utilisée pour chauffer les habitations connectées au réseau de chauffage mais également pour faire tourner une turbine reliée à un alternateur pour produire de l’électricité renouvelable.
Ce système peut être également alimenté par des déchets animaux et organiques. Cette technique permet de diminuer le volume des déchets et la quantité de gaz à effet de serre qui est moins importante que lorsque les déchets sont stockés.

Le biogaz

La fabrication du biogaz utilise une technique prometteuse pour l’avenir. Il est généralement produit par un producteur agricole ou industriel qui introduit de la matière organique (résidus agricoles, déchets industriels, déchets verts) dans un digesteur qui est une cuve sans oxygène. Il y a ensuite une fermentation pour que la matière se dégrade progressivement dans le but de produire du gaz essentiellement composé de méthane : c’est la méthanisation. Ce biogaz est ensuite inséré dans un mécanisme qui le transforme d’une part en électricité renouvelable et d’une autre en chaleur utilisée pour chauffer les habitations et entreprises voisines.

Vue aérienne d’une installation mixte de production d’énergie photovoltaïque et de biogaz

L’intérêt de ce système est que les résidus restant après la méthanisation peuvent être utilisés par le producteur comme engrais. Il a pour avantage de contenir aucune odeur et d’être un fertilisant de meilleure qualité que les lisiers.
Le biogaz est donc une source d’énergie renouvelable avantageuse pour le développement du territoire à l’échelle locale.

Les biocarburants

Un biocarburant est un carburant liquide ou gazeux élaboré à partir de matières organiques souvent issues de l’agriculture (betterave, colza, blé, maïs…).
Actuellement on retrouve trois générations de biocarburants :

Culture expérimentale de sorgho sucré

Les biocarburants de première génération que l’on divise principalement en deux types:
-le bioéthanol provenant de plantes composées de sucre ou de dérivés comme l’amidon (betterave, canne à sucre…). Il est utilisé dans les moteurs essence.
-le biodiesel est produit grâce à différentes sources d’acides gras. Il est utilisé dans les moteurs diesel.

Les biocarburants de deuxième génération sont issus de biomasse ligno-cellulosique comme le bois, les feuilles ou encore certains déchets. Son développement n’est pas encore utilisé à l’échelle industrielle mais il permettra prochainement de produire du biodiesel, du biogaz, du biohydrogène ou du bioéthanol.

La troisième et dernière génération de biocarburants s’appuie majoritairement sur l’utilisation de microorganismes comme les microalgues. Elles peuvent être comme la biomasse ligno-cellulosique à l’origine du biogaz, du bioéthanol, du biohydrogène ou du biodiesel.

Le domaine de l’énergie renouvelable cache encore de nombreux mystères. C’est un domaine où les perspectives d’évolution sont immenses. On vous laisse avoir une idée de certains d’entre eux avec ce reportage !

Note : 1 sur 5.

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