vendredi 18 novembre 2011

Flières d'énergie renouvelable

Ces filières utilisent des énergies primaires inépuisables : les cours d’eau, les marées, le vent, le soleil, la végétation, la chaleur terrestre. Mais inépuisable ne signifie pas illimité. Selon les cas, elles peuvent être :
·        limitées dans leur puissance instantanée
·        indisponibles dans le temps ou dans l’espace

Centrales hydrauliques :



Une chute d’eau ou un cours d’eau font tourner une roue à aubes (écoulement radial) ou turbine (écoulement axial) montée sur l’axe d’un alternateur. Elles ont le plus souvent une réserve d’eau au niveau supérieur qui définit leur « constante de temps » : c’est le temps nécessaire pour la vider en fonctionnement à puissance maximum, qui permet de les classer en trois catégories :

·        Moins de 2 heures : dites « au fil de l’eau », généralement à faible hauteur de chute. L’usine marémotrice de la Rance en fait partie.

·        2 à 200 heures, dites « éclusées »

·       Plus de 200 heures, dites de «lacs ». Certaines sont réversibles : elles peuvent remonter l’eau au niveau supérieur en consommant l’énergie électrique du réseau, pour en restituer plus tard quand la demande sera forte (« heures de pointe »).

Elles ne peuvent évidemment être implantées que sur des cours d’eau ayant à la fois un débit et une chute suffisants. La quasi-totalité de ces sites étant déjà équipée, cette filière ne peut pratiquement pas être développée en France.

Les roues et turbines ont pour effet de transformer de l’énergie mécanique « potentielle » (masse x dénivellation x g) en énergie mécanique (couple sur un arbre en rotation), avec un assez bon rendement, de l’ordre de 90%. Cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique par un alternateur dont le rendement est excellent, proche de 100% dans les fortes puissances.

Les hydroliennes (prototype en cours au nord de Bréhat) sont une variante des usines marémotrices, utilisant non plus le niveau de la marée, mais son courant. Ce sont des « éoliennes » immergées dans la mer. Remarquons que les plus forts courants de marée excèdent rarement  2 m/s, ce qui correspond à une hauteur de chute très faibles, de 0,20 m, et ce, aux plus fortes marées. Ces courants  sont alternatifs. Les groupes sont immergés et réversibles. Les sites potentiels (à la fois fort courant et profondeur suffisante) sont peu nombreux : Cotentin, Iroise, Quiberon. Le fonctionnement est doublement intermittent : marées de vives ou mortes eaux, et pleine mer / étale / basse mer.

Ces nombreux facteurs négatifs engendreraient des coûts très élevés pour une énergie intermittente, qui reste possible mais très limitée. Voir la fiche qui leur est consacrée.

Eoliennes : Une hélice aérodynamique de grand diamètre, dont l’axe horizontal est orienté face au vent par la rotation d’une tête située au sommet d’un fût vertical, est entraînée par le vent. Ses pales sont à pas variable pour pouvoir fonctionner dans une large plage de vitesses de vents. Sa vitesse de rotation très basse, typiquement 10 t/min, nécessite un multiplicateur de vitesse entre l’hélice et l’alternateur. Contrairement à la plupart des filières, les éoliennes fonctionnent à vitesse variable : leur couplage au réseau nécessite donc un convertisseur de fréquence électronique AC/AC. Elles sont implantées dans les endroits ventés : côtes, crêtes plaines…


Les éoliennes en haute mer ne sont pas différentes, sauf en ce que leur fût, devant reposer sur le fond de la mer, est plus long afin de compenser la hauteur d’eau aux plus hautes mers. Elles ne sont donc envisageables que dans des mers peu profondes, Manche notamment, et sont beaucoup plus coûteuses à construire et à exploiter, mais bénéficient d’un peu plus de vent.

Bien évidemment, les éoliennes ne produisent d’énergie électrique que lorsqu’il y a du vent, et pas trop, en fait entre 15 km/h et 60 km/h. Cette énergie n’est à son maximum que dans une plage encore plus étroite. De ce fait, leur puissance moyenne sur l’année est très loin de 100% de leur puissance nominale, mais de l’ordre de 18% en France métropolitaine, et attendue à 25% en haute mer.

Cette énergie primaire est illimitée, mais intermittente, et n’est envisageable que dans les régions ayant suffisamment de vent.

Photovoltaïque

A la différence de toutes les autres, cette filière ne passe pas par l’énergie mécanique.  Elle utilise des panneaux de silicium recevant la lumière du soleil fournissent directement de l’énergie électrique en très basse tension continue. Un convertisseur électronique DC/AC permet leur couplage au réseau.

Bien évidemment, elles ne fournissent d’énergie électrique que quand il y a beaucoup de soleil. Celui-ci au zénith, fournit 1370 w/m², mais les panneaux ne restituent que 50 à 150 w électriques, qui est leur puissance « plein soleil ». Il y ensuite  de nombreux facteurs qui viennent réduire la puissance réelle :
·        la latitude, qui empêche d’avoir le soleil au zénith
·        la rotation de la terre, rarement suivie par des panneaux qui sont le plus souvent fixes, qui réduit fortement l’exposition le matin et le soir, et l’annule la nuit
·        la nébulosité
·        les salissures (poussière).

Pour ces raisons, leur puissance moyenne sur l’année est très loin de 100% de leur puissance nominale, mais de l’ordre de 15% de leur puissance nominale, soit environ 1% de la puissance reçue, mais celle-ci est illimitée.

Cette énergie primaire est illimitée, mais intermittente, et n’est envisageable que dans les régions suffisamment ensoleillées.

Solaire thermique (avant-projet)

C’est une centrale électrothermique dans laquelle on utilise  l’énergie solaire renvoyée par des miroirs orientables sur une « chaudière » qui produit la vapeur d’eau. Le reste du cycle est identique aux turbines à vapeur. Elle est soumise aux mêmes aléas que le photovoltaïque. L’évaluation d’un projet de centrale de ce type dans le Sahara pour alimenter l’Europe est envisagée. La difficulté réside aussi dans la très grande distance contraignant à l’utilisation de liaisons HVDC (haute tension en courant continu) très coûteuses ainsi qu’au maintien en Europe de moyens de production pour la nuit ou en cas de nébulosité.

Géothermique

Rappelons que si cette énergie est écologiquement et économiquement très intéressante pour les applications de chauffage qui peuvent se faire à basse température, en revanche elle n’est pas, en France, un moyen envisageable d’alimenter une filière électrothermique, car elle n’est pas disponible à une température suffisante.

Elle ne sera donc pas considérée ici, ce qui n’empêche pas l’Islande, très volcanique et disposant de chaleur à température élevée, d’en tirer la majeure partie de son énergie, y compris électrique.

Biomasse et déchets

Cette filière est identique à la filière électrothermique, sauf en ceci qu’ici le combustible est constitué :
·        soit par la biomasse, c'est-à-dire les déchets combustibles non exploitables résultant de l’agriculture ou de la sylviculture, en y incluant les gaz de fermentation organique,
·        soit par les déchets domestiques,
qui sont ainsi recyclés en production d’énergie. Cette filière déjà ancienne est intéressante, mais n’est qu’un sous-produit qui ne peut être développé indéfiniment. Elle n’est renouvelable que si l’exploitation des végétaux, et notamment du bois, ne se fait qu’au rythme de leur renouvellement naturel. Elle est donc limitée.

Elle pourrait connaître de nouveaux développements si l’on pouvait transformer en carburant liquide ou gazeux des résidus de cellulose (tige et feuilles) et non plus seulement des sucres ou oléagineux végétaux.