Débats républicains

L'urgence énergétique (partie II): Ressources énergétiques renouvelables

Par Thierry DE LAROCHELAMBERT
Lundi 12 mars 2007

article publié dans la lettre 519

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1. Des ressources immenses

Physiquement, la Terre reçoit chaque année en moyenne une énergie d'environ 134 000 milliards de Tonne Equivalent Pétrole (134 000 gigaTEP ou encore 134 000 GTEP) en provenance du Soleil, à comparer avec la consommation mondiale annuelle d'énergie en 2004 (11,7 GTEP)1.

La puissance solaire que l'atmosphère extérieure reçoit dans une direction perpendiculaire au Soleil est de 1367 W/m² (énergie par seconde traversant chaque mètre carré), ce qui représente une puissance solaire totale de 180 millions de gigawatts irradiant la Terre. En moyenne annuelle, cette puissance est d'environ 340 W/m² sur l'ensemble de la Terre. Environ 29% de cette puissance est réfléchie par la Terre ; 47 % est absorbée thermiquement par l'atmosphère, les continents et les océans; 23 % est transformée dans le processus d'évaporation/précipitation ; 0,2% est convertie en énergies convectives (vents, courants marins, vagues) et 0,06% en biomasse par photosynthèse.

On dispose donc par beau temps d'une puissance maximale d'environ 1000 W sur chaque mètre carré de surface perpendiculaire au soleil à midi.

Il faut encore ajouter l'énergie d'interaction gravitationnelle de marées (Lune + Soleil) qui représente 0,0017% de l'énergie solaire incidente sur la Terre, et l'énergie géothermique provenant directement du noyau, du manteau et de la croûte terrestre (50 GTEP au total, soit 0,06 W/m²).

Notons encore que les gaz à effet de serre relâchés par les humains dans l'atmosphère depuis un bon siècle entraînent un déséquilibre excédentaire de 1 W/m² dans le bilan énergétique Terre-Soleil, à l'origine du réchauffement climatique accéléré qui a commencé depuis quelques décennies.

2. Le potentiel énergétique renouvelable

Évaluer le potentiel solaire, éolien, hydraulique, biomassique, marémoteur, géothermique, thermohalin (vagues, courants marins, thermodynamique) est possible à l'échelle mondiale ou locale mais la méthode selon la nature de ces énergies.

• On peut le faire théoriquement, avant tout rendement de conversion : c'est le cas du potentiel hydraulique mondial, évalué à 47 000 térawatt-heures (47 000 TWh ou 47 000 milliards de kWh), dont moins de 10% sont actuellement exploités^[1]. On peut comparer ce chiffre à la production mondiale d'électricité qui s'est élevée à 21600 TWh en 2005.

Pour la France, le potentiel hydraulique terrestre est d'environ 266 TWh/an, dont 100 TWh/an au moins sont récupérables de manière rentable et 70 kWh/an sont déjà exploités. Il reste environ 23,4 TWh/an à équiper par des centrales hydroélectriques de puissances unitaires comprises entre 10 MW et 50 MW; 3 à 4 TWh/an par des installations de petites puissances (0,1 à 10 MW) et 1 TWh par des microcentrales (puissances unitaires de 10 à 100 kW).

• De même, le potentiel solaire mondial représentant l'énergie solaire reçue au sol en moyenne annuelle, compte tenu de l'ensoleillement réel, est de l'ordre de 95000 GTEP (1,1 milliards de TWh).

Pour la France, le potentiel solaire est d'environ 60 GTEP/an (700 000 TWh/an), à comparer avec la consommation totale d'énergie française en 2005 (276,5 MTEP en énergie primaire et 160,6 MTEP en énergie finale après rendements).

L'utilisation de l'énergie solaire la plus efficace est obtenue par les installations de chauffage solaire basse température. Les rendements de conversion rayonnement/chaleur des panneaux solaires dépassent 95%, ce qui conduit à des rendements moyens d'installation solaire de l'ordre de 40 à 65% dans n'importe quelle région française avec des productivités moyennes de l'ordre de 300 à 800 kWh/an par m² de panneau solaire selon les usages (chauffage de l'eau chaude, des bâtiments, des piscines, préchauffage de process industriels).

Une économie de 50 à 60% sur le chauffage et l'eau chaude sanitaire peut être réalisée dès aujourd'hui sur tous les bâtiments collectifs et individuels en généralisant les techniques solaires actuelles.

La production d'électricité par panneaux photovoltaïques se développe très rapidement à l'échelle mondiale. Si les rendements de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique sont de l2 à 15% pour les systèmes commercialisés actuellement (silicium mono- et polycristallin), les prototypes élaborés dans les laboratoires dépassent déjà plus de 30% de rendement couramment et les dernières technologies multicouches atteignent plus de 40%, ce qui permet d'envisager une production massive dans les 20 prochaines années. La production d'électricité héliothermodynamique par centrales solaires haute et moyenne température est en plein essor dans les pays et régions à fort ensoleillement. Les centrales à tour, à capteurs cylindro-paraboliques ou les petites unités Dish-Stirling ont d'ores et déjà atteint leur maturité et des rendements élevés de 30 à 40%. Leur multiplication dans ces pays permettra d'électrifier des zones déshéritées et de produire abondamment de l'hydrogène solaire.

Il faut aussi faire état des techniques solaires utilisées dans les usines de dessalement de l'eau de mer très énergivore, et les recherches prometteuses dans la conversion directe du méthane en hydrogène et noir de carbone par fours solaires à 2000-3000°C.

• Dans le cas du potentiel éolien, le calcul est mené dans le cas standard (à 10 mètres du sol, site dégagé plat et sans obstacle) et donne une valeur moyenne annuelle de l'énergie cinétique du vent nettement sous-évaluée par rapport au potentiel à 60 ou 100 mètres (hauteur actuelle des grandes éoliennes), mais il tient compte de la limite physique de l'énergie récupérable (on ne peut pas stopper l'air!) donnée par la théorie de Betz : 88,9% de l'énergie du vent traversant une éolienne est récupérable, ce qui représente 59,2 % de l'énergie du vent incident.

Une étude récente^[2] a évalué à 480 000 TWh le potentiel éolien mondial continental exploitable à 10 m du sol pour les vents supérieurs à 5,1 m/s. Le potentiel réel est donc beaucoup plus élevé puisque la puissance du vent est plus que doublée de 10 m à 100 m au dessus d'un sol sans relief, et davantage encore au dessus d'un sol accidenté ou en montagne.

En France, l'énergie éolienne moyenne annuelle récupérable par mètre carré de surface verticale à 10 m d'altitude varie de 500 kWh dans les régions peu ventées à près de 7000 kWh sur certaines façades maritimes.

Diverses évaluations du gisement éolien français raisonnablement récupérable ont été menées récemment ; celle de l'IEER prévoit 70 TWh/an sur terre et 97 TWh/an sur mer^[3]; celle de l'EED (Espace Éolien Développement) conduit à 50 TWh/an sur terre et 150 TWh/an en mer^[4], à comparer avec la production électrique française totale (575,4 TWh en 2005).

Ces évaluations s'appuient sur les technologies actuelles (rendements nominaux de 85% par rapport à la limite de Betz ; 8000 éoliennes de 3 MW sur terre, à 30% de taux de conversion moyen énergie électrique/énergie éolienne; 8000 éoliennes de 5 MW en mer, 54% de taux de conversion) et devront être revues à la hausse pour prendre en compte les progrès futurs (amélioration des rendements, augmentation des puissances unitaires). De plus, elles restreignent l'installation des éoliennes aux sites isolés et côtiers communément admis. Nous discuterons de tous ces points dans l'article suivant.

• Le potentiel biomassique est plus difficile à évaluer, compte tenu de la très grande variabilité des climats et végétations à travers le monde. La photosynthèse produit annuellement 86 MTEP sur Terre, ce qui peut être considéré comme le potentiel maximal de la biomasse. De nombreuses études et mesures satellitaires ont montré que le rendement énergétique net à l'hectare de l'agriculture intensive n'est pas supérieur à celui de la végétation naturelle et même souvent inférieur. Il varie de 2% pour la canne à sucre à environ 0,5 % pour la forêt européenne ; la productivité annuelle des cultures est de 5 à 7 TEP de biomasse par hectare en Europe.

Le potentiel biomassique français doit être calculé en fonction des usages écologiquement souhaitables et de la préservation de l'équilibre des sols, et non pas en soi-même. Il dépend fortement des technologies de conversion (bois énergie, types de carburants végétaux, méthanisation des déchets urbains).

Il a été évalué à 40 MTEP/an par le groupe de Bellevue^[5] en fonction des utilisations à long terme. Les progrès actuels des rendements de méthanisation industrielle des déchets, des techniques de post-combustion des chaudières à granulés, de la gazéification des biomasses sèches et les recherches sur la conversion du CO2 en carburants par les microalgues permettent d'envisager un potentiel plus élevé. Il faut cependant éviter de développer des filières " biocarburants " dont le bilan énergétique est mauvais ou qui génèrent une pollution accrue des sols (engrais, pesticides, irrigation).

Les bilans énergétiques et écologiques actuels ne sont pas encore assez favorables aux filières " bioéthanol " ; la filière " biodiesel " est mieux lotie, et les filières " huiles végétales " encore mieux : le rendement énergie du carburant/énergie consommée pour le produire varie fortement d'un " biocarburant à l'autre, mais aussi d'une méthode de calcul à une autre (< 1 pour l'ETBE, à éliminer ; 2,04 ou 1,28 pour le " bioéthanol " de betterave ; 2,9 à 3,1 ou 2,5 pour le " biodiesel " ; 4,7 à 5,5 pour les " huiles végétales ", à soutenir)^[6],^[7]. Il faut repenser et orienter l'organisation de ces filières vers l'efficacité énergétique et la préservation des sols.

• Le potentiel géothermique mondial exploitable dépend du type d'exploitation:

- la géothermie de haute énergie utilise l'eau des réservoirs très profonds sous forme de vapeur à haute température (150 à 350°C) pour produire de l'électricité par détente dans des turbines couplées à des alternateurs. La puissance récupérable, compte tenu des rendements thermodynamiques des centrales géoélectriques, est évaluée à près de 5000 MW électriques.

En France, on utilise déjà cette ressource (14,7 MW en Guadeloupe) Mais le développement des nouvelles techniques par injection d'eau dans des roches sèches offre des potentiels énormes de production électrique: l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie) et le BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières) ont calculé que l'exploitation des roches entre 4,5 km et 5,5 km de profondeur sur 3 % de la surface de l'Alsace (région fortement géothermique) produirait en permanence l'équivalent d'une dizaine de réacteurs nucléaires de 1000 MW.

De plus, les réservoirs de moyenne température (100 à 150°C) peuvent aussi produire de l'électricité par des centrales à cycles combinés utilisant un fluide caloporteur. L'Allemagne développe déjà ce type d'installations et le potentiel français semble assez important;

- la géothermie basse énergie (de 30 à 100°C) permet de transférer directement la chaleur des réservoirs peu ou moyennement profonds (100 m à 3000 m) dans des réseaux de chauffage urbains. En France, elle représente un potentiel de 50 MTEP/an renouvelables. Mais l'énergie géothermique n'est généralement pas utilisée de manière renouvelable. Dans une installation de chauffage géothermique de moyenne puissance (1 à 10 MW), la technique du double forage extraction-injection permet d'exploiter la ressource pendant 30 ans sans baisse de température et de la poursuivre après, moyennant une diminution de 1 à 4°C tous les 10 ans.

C'est donc une technique très efficace et potentiellement renouvelable si l'on prévoit de l'utiliser en été comme stockage de chaleur solaire ou industrielle (héliogéothermie). De telles installations fonctionnent déjà en Suisse et en France.

Le potentiel géothermique basse température français exploitable a été évalué à environ 6 MTEP/an (810 réseaux de chauffage urbain pour 1,7 millions d'équivalent-logements)^[8].

- la géothermie très basse énergie (moins de 30°C): il s'agit des pompes à chaleur dites " géothermales " qui extraient de la chaleur du sol (entre 1 et 10 m de profondeur) en consommant entre 2 et 3 fois moins d'énergie électrique. Elles utilisent malheureusement des fréons à très fort effet de serre qui grèvent leur intérêt écologique; d'autre part, leurs contraintes d'implantation, leur prix d'investissement et de fonctionnement les rendent insuffisamment intéressantes pour promouvoir leur généralisation.

• Le potentiel énergétique marin mondial : les courants marins transportent une puissance constante d'environ 5 TW en permanence, ce qui représente une énergie de 44 000 TWh pour l'ensemble du globe terrestre. Une fraction importante (150 GW) pourrait être récupérée au moyen d'hydroliennes immergées et fixées le long des côtes, à raison de 18 kWh/an par m² de surface perpendiculaire au courant pour une vitesse de 5 m/s (800 fois la puissance éolienne). Des prototypes fonctionnent déjà en Norvège et au Royaume-Uni ; la France effectue des essais entre la Bretagne et le Cotentin.

En France, le potentiel très élevé sur toute la façade nord-ouest devrait pouvoir rapidement produire 25 TWh/an, et s'ajouterait au 0,5 TWh/an de la seule usine marémotrice au monde, celle de la Rance (240 MW). Le potentiel français total serait de l'ordre de 6 000 MW.

Le potentiel houlomoteur (énergie des vagues) est encore plus important et reste à exploiter. Quelques machines de plusieurs MW chacune sont actuellement testées au Danemark, au Royaume-Uni et au Portugal. On estime ce potentiel à 45 MW par km de côte, de sorte qu'une puissance installée de plusieurs GW est envisageable assez rapidement, sous forme de fermes marines ou de centrales^[9].

''Après cette indigestion nécessaire de chiffres, nous pourrons aborder le prochain article: L'urgence énergétique (III): bilan actuel des énergies renouvelables''