ÉNERGIES RENOUVELABLES

Quelques notions sur l’énergie

Il est utile de rappeler quelques règles et principes concernant les échanges énergétiques et qui permettent de mieux comprendre la production ou l’utilisation des énergies renouvelables.

En premier lieu, cette production ne consiste pas en une création d’énergie proprement dite, ce qui serait physiquement impossible, mais en des transformations de celle-ci, c’est-à-dire en des conversions qui s’accompagnent de dissipations (pertes d’énergie utile). Les produits issus de ces transformations ne sont donc pas tous utiles ou utilisables. Par exemple, lors du freinage d’une voiture, les freins vont transformer l’énergie cinétique du véhicule en chaleur par frottement des plaquettes de frein sur les disques. Cette chaleur est dissipée dans l’air et ne peut être utilisée. On dira qu’elle est « perdue » même si ce n’est pas tout à fait exact puisqu’elle a contribué à augmenter de façon infime la température de l’air. Entre sa forme primaire (une tonne de bois de hêtre sec, du vent soufflant à 15 m/s pendant une heure, le rayonnement solaire reçu sur un plan d’un mètre carré durant une journée…) et sa forme finale (chauffage d’un logement, alimentation électrique d’un réfrigérateur, déplacement d’un véhicule…), l’énergie va donc subir une série de transformations au cours desquelles une partie de celle-ci sera « perdue » pour l’utilisateur (généralement sous forme de chaleur). À chacune de ces étapes correspondra un rendement de conversion (rapport de l’énergie sortante sur l’énergie entrante) et le rendement global sera le produit de tous ces rendements. L’énergie cinétique du vent (proportionnelle à la masse d’air et au carré de la vitesse du vent) soufflant sur les pales d’une éolienne va d’abord se transformer en énergie mécanique (rotation d’un axe sur lequel est relié un générateur électrique) puis en énergie électrique via ce générateur, et sera transportée (avec des pertes) jusqu’à un point d’utilisation. Ensuite, l’énergie utile dépendra de l’utilisation des kilowattheures (kWh) produits. Le rendement est très bon dans un moteur électrique (supérieur à 90 p. 100), mais il peut être très mauvais dans d’autres utilisations. Par exemple, une ampoule d’éclairage à incandescence produit environ 12 lumens par watt (l/W) alors qu’une ampoule LED fournira jusqu’à 110 l/W. Ces considérations permettent d’introduire les notions d’énergie primaire et d’énergie finale qui sont couramment rencontrées dans les statistiques sur la production d’énergie (généralement en énergie primaire) et sa consommation (en énergie finale). On utilise également la notion de consommation d’énergie primaire. En effet, toute la production n’est pas consommée (constitution de stocks) et, surtout, les pays consommateurs ne sont pas toujours des pays producteurs. Par exemple, en France, on consomme des produits pétroliers, du gaz naturel ou du charbon alors qu’on en produit très peu – de l’ordre d’un million de tonnes équivalent pétrole (Mtep) chaque année. La production française d’énergie concerne donc essentiellement le nucléaire et les énergies renouvelables. En termes de bilans, la notion de production d’énergie primaire sera le plus souvent rencontrée dans les statistiques mondiales alors qu’au niveau national c’est la consommation d’énergie primaire qui prévaudra.

La conversion entre énergie primaire et finale concerne tout particulièrement la production d’électricité par des centrales thermiques (dont les centrales nucléaires) et fait l’objet d’une convention car il serait impossible de calculer comment chaque kWh a été produit. Ainsi, en France, pour produire 1 kWh utile (énergie finale acheminée et facturée au client), on considère (en prenant en compte le rendement des centrales et les pertes liées au transport) qu’il a fallu 2,58 kWh d’énergie primaire pour les centrales électriques dites à flamme – utilisant du charbon, du pétrole, du gaz, du bois ou encore des déchets dans le cas des usines d’incinération d’ordures ménagères (UIOM) – et 3 kWh pour les centrales nucléaires. Toutes les autres formes d’énergie ont un coefficient de conversion de 1, y compris la production directe d’électricité par les énergies renouvelables (sauf la géothermie pour laquelle 1 kWh électrique produit est comptabilisé comme 10 kWh en énergie primaire, compte tenu du faible rendement de cette filière). Il est à noter que la consommation d’énergie primaire prend souvent en compte les produits énergétiques utilisés à des fins non énergétiques comme le pétrole servant à la production de plastiques et d’engrais de synthèse, ou encore le charbon (coke) utilisé comme source de carbone pour élaborer de la fonte à partir du minerai de fer dans les hauts fourneaux. Ces utilisations représentent entre 5 p. 100 et 10 p. 100 de la consommation primaire et contribuent à la différence, dans les bilans, entre énergie primaire et énergie finale.

Un autre point d’attention consiste à ne pas confondre énergie et puissance. L’énergie est une puissance multipliée par un temps. Une éolienne d’une puissance de 2 mégawatts (MW) qui fonctionne dix heures durant une journée dans ses conditions nominales (c’est-à-dire qui produira à sa puissance maximale 2 MW pendant ces dix heures), aura fourni une énergie de 20 MWh au réseau électrique et non pas 48 MWh (ce qui aurait été le cas si elle avait fonctionné de façon continue pendant 24 heures). On ne peut donc pas comparer directement l’énergie produite (ou consommée) par un système si on ne prend que la puissance en considération – c’est pourtant souvent cette donnée qui est communiquée. Il faut envisager également la durée de production ou d’utilisation, voire la période de production, car l’énergie électrique n’est produite que si elle est utilisée ou stockée. En absence de charge, c’est-à-dire d’une demande d’électricité, pas de mouvement des électrons… L’optimisation dans l’utilisation des énergies renouvelables intermittentes suppose que l’on puisse faire coïncider les besoins, au moins pour une partie significative d’entre eux, avec la disponibilité de ces ressources. On peut retenir qu’une installation photovoltaïque, avec les technologies actuelles, produira en une année entre 15 et 20 p. 100 de sa production maximale théorique et une éolienne entre 25 et 30 p. 100. La production maximale théorique est le produit de la puissance nominale par 8 760 (chiffre correspondant au nombre d’heures dans une année). Ainsi, pour l’exemple de l’éolienne de 2 MW, une production annuelle d’environ 4 500 MWh est attendue.

Les énergies renouvelables n’échappent pas à l’analyse économique. Pour permettre de comparer le coût du kilowattheure produit dans les différentes installations de production d’énergie, on utilise la notion de LCOE (levelized cost of energy) ou coût actualisé de l’énergie. Celui-ci prend en compte l’ensemble des coûts d’investissement et d’exploitation que l’on divise par le nombre de kilowattheures produits durant la durée de vie (estimée) de l’installation, nombre auquel est affecté un coefficient d’actualisation (prise en compte de la dépréciation de la valeur de l’argent sur la durée de vie). Sur le même principe, on a défini également le LCOS (levelized cost of storage) pour le coût du kilowattheure stocké, la question du stockage étant souvent associée à la production variable dans le temps des énergies renouvelables, en particulier l’énergie solaire et l’énergie éolienne.

Enfin, on ne peut pas évoquer les énergies renouvelables sans faire allusion au climat et à la météorologie. Il ne s’agit pas ici de discourir sur les émissions de gaz à effet de serre – même si leur prise en considération a un impact positif sur le développement des énergies renouvelables – mais de considérer les interactions Terre-atmosphère et atmosphère-océan dans la mesure où elles jouent un rôle déterminant sur les ressources mobilisées dans ces énergies. La biosphère, l’atmosphère et les océans interagissent et évoluent selon les lois physiques du rayonnement, de la convection et de la conduction. Le Soleil émet un rayonnement qui, selon l’heure, les saisons et la distance de la Terre au Soleil, va frapper différemment les diverses zones de la planète ; la thermodynamique pousse à retrouver des équilibres entre une partie chaude d’un océan et une partie plus froide (transferts convectifs par les courants). Les écarts de température (et de pression) entre les masses d’air sont responsables des vents. Les transferts d’eau vers l’atmosphère sont à l’origine des pluies qui alimentent les rivières et remplissent les barrages. Ces phénomènes, auxquels il convient d’ajouter l’impact du Soleil et de l’eau sur le développement des organismes vivants, sont à l’origine de la plupart des énergies renouvelables, hormis celles issues de la géothermie et des marées.