Limites des énergies renouvelables

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Au vu des technologies connues et de leurs besoins énergétiques, il serait impossible pour la quasi-totalité des pays industrialisés d'avoir une production énergétique uniquement, ou même essentiellement, issue des énergies renouvelables.

En effet, celles-ci connaissent des problèmes qui demeurent aujourd'hui insolubles, liés à leur rareté ou à l'incapacité de stocker de grandes quantités d'énergie pour un coût économique et écologique raisonnable.

Production d'électricité de source renouvelable (TW·h)

Pour référence et afin de mieux comprendre la suite de l'article, voici la liste du 10 plus grand producteurs mondiaux d'électricité à base d'énergie renouvelable. Les chiffres sont exprimés en TW·h.

N°	Pays	Total	Total renouvelable	Hydro	Éolien	Biomasse	Solaire	Géothermie	Autre*
1	Chine	3433	576.1 (16,6%)	563.3	12.8
2	Brésil	454	385.8 (84,9%)	371.5	0.6	14.3
3	États-Unis	4316	375.6 (8,7%)	250.8	52.0	55.4 (2007)	0.596	16.778
4	Canada	599	369.7 (61,7%)	368.2	1.471		0.017
5	Russie	1036	179.1 (17%)	174.604	0.007				0.41
6	Norvège	142,7	137.3 (96%)	136.572	0.506	0.2
7	Inde	834	137.1 (16%)	122.4	14.7
8	Japon	1154	95.0 (8%)	86.350	1.754		0.002	3.027
9	Vénézuela	119,3	83.9 (70%)	83.9
10	Allemagne	639	68.7 (10%)	26.717	38.5		3.5

* Les autres sources incluent l'énergie marémotrice et la production d'énergie à base de déchets.

Aléas de la production

Ce problème concerne principalement l'énergie éolienne mais aussi l'énergie solaire photovoltaïque. En effet, celles-ci produisent de l'énergie lorsqu'il y a du vent ou du soleil. À contrario, les consommateurs réclament une électricité disponible à tout moment. En l'absence de moyen de stockage à large échelle et efficace de l'énergie, il y a donc une incompatibilité qui ne peut être résolue. C'est là une différence fondamentale par rapport aux énergies traditionnelles "actives" qui, toutes, fonctionnent sur demande. Pour simplifier, par une nuit sans vent, la production totale des éoliennes et panneaux solaires est nulle et rien n'alimente le réseau.

Intermittence

Fichier:Consommation électrique hivernale en PACA.gif

Consommation hivernale quotidienne moyenne sur 24h en PACA

Les pics de consommation sont atteints, en France, en hiver et plus précisément aux alentours de 20h (comme illustré par le graphique ci-contre). Durant cette saison, les panneaux solaires produisent durant huit heures par jour seulement et sous un ensoleillement réduit. À défaut de pouvoir stocker l'énergie produite durant la journée, l'énergie solaire ne peut que faire office de doublon puisqu’elle ne produit strictement rien lors des pics de consommation. Elle compte donc comme nulle par rapport à la capacité totale de production nécessaire à tout moment.

Un problème similaire se retrouve avec l'énergie éolienne : il arrive régulièrement que, certaines journées, la production éolienne soit très faible, et ce, même sur une très large étendue géographique (voir graphique de la section ci-dessous). En conséquence, il faudrait diviser par au moins dix la capacité de production éolienne installée pour obtenir la capacité de production dont nous serions quasiment certains de pouvoir disposer à chaque instant.

Variabilité

Fichier:Variabilité de l'énergie éolienne.jpg

Simulation de la production éolienne en décembre en Europe

Un autre problème est celui de la variabilité. Puisque le stockage est difficile, il faut donc pouvoir pallier les déficits de production par une production complémentaire. Mais la variabilité de ces énergies renouvelables est très rapide, même en atténuant le problème en interconnectant des installations sur de larges étendues géographiques. Or, toutes les productions "actives" ne peuvent pas satisfaire cette variabilité. Ainsi, les réacteurs nucléaires sont incapables de démarrer aussi rapidement et ce sont aujourd'hui les centrales fossiles qui doivent prendre le relai.

L'impasse du stockage

En une nuit d'hiver, la France consomme plusieurs centaines de GWh. Soit plusieurs centaines de millions de kWh. Or, les batteries ont un coût s'échelonnant entre 200€ par kWh (batteries au plomb) et 2000$ par kWh (batteries Li-ion et Li-polymères) avec des caractéristiques - vitesse de charge, puissance délivrable, autodécharge, etc. - diverses et pas forcément adaptées au problème. Elles sont presque toujours polluantes, souvent même très polluantes et beaucoup font appel à des matériaux rares alors que leur espérance de vie n'est généralement que d'une poignée d'années (une à cinq pour la plupart). Leur encombrement est également loin d'être négligeable : de 3L à 13L par kWH. Aucune à ce jour n'offre de solution réaliste pour résoudre le problème du stockage. Les piles à hydrogène, jugées comme les plus prometteuses pour l'avenir, utilisent du platine, dont les réserves connues ne sont que de quelques milliers de tonnes - environ deux grammes par être humain.

D'autres solutions, plus naturelles, existent. Par exemple la compression d'air, le pompage d'eau (on dépense de l'énergie pour élever l'eau dans un réservoir puis on la récupère en laissant chuter le liquide sur une turbine (comme dans un barrage) ou le chauffage d'un liquide (qui, en se refroidissant, rayonnera de l'énergie que l'on pourra récupérer). Là encore, ces solutions ont leurs limites. Il faut ainsi plus 36 mètres cubes d'eau élevés à dix mètres de hauteur pour stocker un kilowatt heure. Pour une nuit d'hiver française, c'est plus d'une centaine de fois le débit quotidien de la Loire qui serait nécessaire.

Production complémentaire

Si le stockage n'est pas une option réaliste, nous avons vu qu'il faut donc produire par un autre biais, pour compenser les baisses de production de l'éolien ou du solaire. La variabilité de ces énergies renouvelables étant trop rapide pour les centrales nucléaires, ce sont des centrales à fossiles qui sont aujourd'hui utilisées et la multiplication des énergies renouvelables devrait ainsi conduire, en France, à une hausse des énergies fossiles utilisées pour la production électrique.

Serait-il possible d'utiliser des énergies renouvelables pour compenser les baisses de production? Malheureusement, puisque l'on ne peut compter sur les productions passives (qui produisent lorsqu'il y a du vent ou du soleil), il ne reste que les productions actives (à la demande). Mais si l'on dispose de telles énergies, il est plus intéressant de les utiliser aussi souvent que possible et donc de fonctionner, autant que faire se peut, à la limite des capacités de production. Il n'y aurait donc pas de réserves disponibles pour pallier aux baisses de production du solaire ou de l'éolien.

Conséquences économiques

La principale conséquence est que l'éolien et le solaire ne remplacent pas les centrales traditionnelles. Ces énergies renouvelables se contentent le plus souvent de s'ajouter au parc énergétique existant. Il en résulte donc un surcoût important puisqu'il faut, en substance, doubler les coûts d'investissement et de maintenance, ce qui renchérit d'autant le coût au kWh des énergies renouvelables (les chiffres donnés ici ou là ne prenant pas en compte ces surcoûts). Par ailleurs, il faut aussi disposer d'un parc de centrales fossiles de capacité correspondante aux parcs éoliens et, en partie, solaire. Si ce parc n'existe pas, c'est un nouveau surcoût économique et écologique. Cela a donc des conséquences importantes sur la politique énergétique qu'un pays peut établir.

Interconnexion de sources éloignées

Une solution efficace serait l'interconnexion à un niveau quasiment mondial des réseaux électriques : lorsqu'une moitié de la planète est dans le noir, l'autre moitié reçoit les rayonnements du Soleil. Ce bénéfice se retrouve également avec l'énergie éolienne, quoique peut-être dans une moindre mesure. Si un tel réseau pouvait être mis en œuvre, le solaire et l'éolien deviendraient alors beaucoup plus intéressants.

Toutefois, cela ne va pas sans poser de problèmes politiques et de sécurité : sachant qu'une poignée de défaillances dans le réseau européen ont pu entraîner des extinctions générales, ces problèmes de réseau peuvent-ils être circonvenus et à quel prix? Car en dehors de l'Occident il y a encore trop peu de pays à pouvoir garantir la stabilité, la sécurité et le professionnalisme nécessaires à une telle interconnexion. D'un autre côté, nous dépendons déjà de pays instables pour nos approvisionnements en pétrole.

Enfin, un tel réseau serait difficilement réalisable à l'heure actuelle. Si, sur cent kilomètres, une ligne à haute tension ne perd que 0.5% de son énergie, ce chiffre monterait à 50% sur 20000 km. Et ce, en conservant les puissances actuelles alors même que les besoins seraient plus importants et que les lignes haute-tension sont coûteuses. Baisser la puissance transportée en multipliant le nombre de lignes serait possible, mais augmenterait d'autant le coût.

Rareté des énergies renouvelables

Énergie hydroélectrique

De toutes les énergies renouvelables, l'énergie hydroélectrique en est sans doute la championne. Même si elle n'est pas sans poser de problèmes (inondation de vallées par exemple, bouleversement des écosystèmes), elle reste parmi les plus propres, les plus économiques, et peut essentiellement être extraite à la demande (même s'il existe sans doute des cycles saisonniers). Malheureusement, les capacités de production que l'on peut en tirer dépendent de la géographie : débits des fleuves, reliefs, etc. À titre d'exemple, en France, 90% du potentiel hydroélectrique est exploité alors même que celui-ci ne pèse que pour moins d'un dixième dans la production électrique. À l'opposé, la province du Québec (Canada) offre des conditions idéales pour le développement de l'hydroélectricité. La quasi-totalité de l'énergie électrique consommée au Québec provient de centrales hydroélectriques (96,8 %).

Combustion de biomasse

La pousse annuelle d'un hectare de forêt produit, en brûlant, dans le meilleur des cas, 60MWh. La consommation électrique annuelle française est de 550 TWh (T = tera = mille milliards). En tenant compte du rendement d'une centrale à bois (40% à 50%), il faudrait donc, chaque année, brûler une surface forestière équivalente à 25% à 30% du territoire français alors même que seul un tiers du territoire français est boisé et 3% seulement exploités (avec des arbres de plus grande taille).

Par ailleurs, plus l'on exploite les territoires forestiers, plus jeunes les arbres doivent être coupés, plus leur taille moyenne est faible et moins l'on stocke de carbone par hectare de forêt. À trop exploiter la biomasse, cette production n'est donc plus que partiellement renouvelable et devient émettrice nette de gaz à effet de serre. Enfin, une telle exploitation de 30% du territoire représenterait la conversion de l'intégralité des zones boisées en forêts industrielles aux espèces sélectionnées, soit la destruction de nombreuses espèces et d'écosystèmes. Cela représenterait aussi la suppression de la moitié des zones encore non exploitées du territoire français.

Biocarburants

Les problèmes des biocarburants sont désormais connus et, bien que les avis soient partagés, plusieurs acteurs institutionnels estiment que la production de ces biocarburants se ferait au détriment des surfaces consacrées à la production alimentaire, avec pour possibles conséquences des pénuries et hausses de prix, et pousserait en pratique vers la déforestation. Qui plus est, lorsque l'exploitation s'intensifie, on retrouve les problèmes mentionnés pour la combustion de biomasse.

Géothermie

La géothermie et son exploitation à large échelle sont encore relativement mal connues. Mais là aussi il existe un phénomène de rareté. Ainsi, la ville de Paris redémarre l'exploitation du potentiel géothermique de la nappe du Dogger, plus grande nappe aquifère de France. Elle y pompe une eau à 57°C et y réinjecte une eau à 20°C en moyenne. Mais, avec 300.000 logements approvisionnés, une limite sera atteinte au bout de 30 à 35 ans et une bulle froide se formera sous les installations de pompage. Cette bulle froide mettra 100 à 150 ans à pour se réchauffer. En attendant, il faudra fermer les installations et en construire de nouvelles, plus loin, organisant un système de jachère.

Déchets

L'incinération (beaucoup plus propre que par le passé), la méthanisation ou le compostage des déchets sont aussi soumis à une limite évidente : la quantité de déchets non recyclables. Aujourd'hui, la production annuelle des incinérateurs français (électricité et chaleur confondue) est de 13 TWh, soit environ 2% de la seule consommation électrique française alors que 42% des déchets sont incinérés.

Énergies maritimes

Production hydrolienne cumulée de trois sites français.

Toutes les énergies maritimes ou plus ou moins les mêmes limites : les côtes disponibles et leurs configurations (profondeur, courant, etc.), ou la surface de la zone économique exclusive (ZEE) du pays, et la place qu'on peut y dédier à des installations énergétiques sans que celles-ci ne gênent les autres activités maritimes et les écosystèmes à préserver. Ces technologies sont donc intéressantes pour des pays comme la France ou la Grande-Bretagne (la France dispose avec ses territoires et départements d'Outre-mer de la plus importante ZEE).

De toutes les technologies maritimes, l'énergie hydrolienne (éoliennes sous-marines) semble constituer la plus intéressante. D'abord que parce que les courants marins fluctuent de façon régulière, ensuite car ces fluctuations sont décalées d'un bout à l'autre des côtes, permettant aisément de lisser leur production globale et de rendre celle-ci plus ou moins constante en espaçant correctement les centrales (voir graphique ci-contre). Elle évite donc les aléas de production des éoliennes. EDF estime que la France métropolitaine pourrait en extraire 10TWh par an, soit 2% de la consommation électrique française.

Les autres technologies sont plus limitées : l'énergie marémotrice impose de fermer un estuaire, ce qui n'est pas négligeable. L'exploitation de l'énergie de la houle, séduisante sur le papier, s'est révélée peu concluante jusque-là, réclamant des surfaces non négligeables pour des productions plutôt faibles. Elle est en revanche moins perturbatrice pour les écosystèmes.

Solaire thermique

La chaleur pouvant être accumulée dans des réservoirs isolés (au prix d'un certain encombrement), le solaire thermique peut-être efficacement employé à un niveau local pour le chauffage de l'eau ou des installations, sans rencontrer les problèmes mentionnés plus haut pour le solaire photovoltaïque. Les chauffe-eau solaires constituent ainsi un moyen efficace pour réduire la consommation de gaz naturel par exemple. Toutefois, leur efficacité dépend du climat sous lesquels ils sont installés. En France métropolitaine, ces chauffe-eau doivent ainsi être couplés à un système plus traditionnel, à gaz ou électrique. Ils demeurent intéressants, mais ne constituent toujours qu'une réponse limitée au problème du réchauffement climatique.

Éolien

En plus des problèmes de variabilité et d'intermittence évoqués plus haut, le potentiel éolien de la France est lui aussi limité. Ainsi, en installant une éolienne de 100m de diamètre et 80m de hauteur tous les 450m (!) sur terre et une éolienne de 120m de diamètre 80m de hauteur tous les 840m, la production ne serait encore que de 200TWh par an, pour trois quarts d'origine offshore.

Passage d'un modèle centralisé à un modèle distribué

Le réseau électrique actuel est bâti pour acheminer l'électricité depuis quelques importants centres de production vers de nombreux consommateurs. Le passage à un modèle avec un grand nombre de producteurs n'est pas anodin, tant en termes de coûts que de faisabilité.

Par ailleurs, si un tel modèle séduit, il n'est pas toujours pertinent ou motivé par des raisons écologiques. En effet, bien que le modèle de zones (habitats, villes, régions) écologiquement et fonctionnellement autonomes (zéro déchet, zéro énergie, etc.) s'appuie sur un raisonnement valable (la réduction des transports, des infrastructures nécessaires, etc.) et facilite le raisonnement et la communication, il ne faut pas non plus négliger que la centralisation s'accompagne en général d'une plus grande efficacité et que les solutions locales existantes sont loin d'être sans problèmes et pas toujours dénuées d'externalités (face aux panneaux solaires individuels, subventionnés par des réductions d'impôts, il incombe à EDF de racheter cette électricité sans facturer le coût de la variabilité et de mettre en place les installations redondantes nécessaires pour pallier aux déficits de production).

Enfin, si cette logique autonome plaît, c'est hélas souvent au nom de la notion d'autonomie elle-même (motivée par un délitement des relations de proximité ou de la notion de collectif) ou dans l'espoir d'être un consommateur avisé (quel français n'a jamais entendu quelqu'un se vanter de revendre son électricité à EDF ?).

Conséquences

Récapitulons : certaines énergies renouvelables, comme le solaire et l'éolien ont une intermittence et une variabilité trop importante qui n'en font au mieux que des sources d'appoint et parfois des éléments purement redondants. Qui plus est, ces énergies (l'éolien tout du moins) ne sont que difficilement compatibles avec le nucléaire, ces centrales étant trop lentes à démarrer pour pallier cette variabilité. Enfin, les autres énergies renouvelables sont malheureusement, pour la plupart des pays, en quantités trop limitées pour répondre aux besoins et ne peuvent résoudre qu'une partie du problème.

Bilan du potentiel renouvelable pour la France

Fichier:Consommation énergétique française.gif

Consommation énergétique française en 1995

En ignorant d'abord l'éolien et le solaire photovoltaïque, du fait des problèmes évoqués plus haut qui les cantonnent comme énergie d'appoint, quelle production énergétique la France pourrait-elle au maximum extraire des énergies renouvelables?

• Combustion de la biomasse, avec 30% du territoire converti en forêts d'exploitation : 600TWh.
• Énergie hydroélectrique : 60 TWh.
• Incinération des déchets, avec 100% des déchets non recyclables : 30 TWh
• Énergie hydrolienne : 10 TWh
• Des dépenses thermiques divisées par dix, via les chauffe-eau solaires et une meilleure isolation : besoins globaux en énergie réduits de 30%.

La consommation énergétique annuelle française étant de 3200 TWh par an, la dernière hypothèse laisserait 2250 TWh à fournir. Or les 700 TWh produits par les énergies renouvelables ne couvriraient que 30% de ces besoins. Malgré des hypothèses peu vraisemblables sur le bois, première source de ce bilan, il faudrait donc encore réduire de 70% la consommation énergétique hors consommation dédiée au confort thermique. Ce qui reviendrait par exemple à supprimer toutes les dépenses consacrées au transport (individuels et de marchandises) et à l'industrie.

Maintenant, si l'on cherche à tenir compte de l'éolien et du solaire, en supposant que des centrales à bois seraient utilisées pour pallier leurs déficits de production (principalement la nuit), on peut ajouter ceci :

• Un parc éolien important, bien implanté,produirait quelques centaines de TWh par an.
• L'énergie solaire photovoltaïque pourrait être développée jusqu'à satisfaire tous nos besoins... durant la journée. Mais étant inactive la nuit, en particulier en hiver où se situent les pics de consommation, elle ne pourrait sans doute pas couvrir plus de la moitié de la consommation annuelle.

Ceci laisserait encore quelque 2200 TWh à fournir, soit la tâche de réduire de 40% la consommation énergétique (hors consommation pour confort thermique thermique, déjà divisée par 10 dans ces suppositions - soit 55% au total). Et ceci, avec des hypothèses peu réalistes et en ignorant bon nombre de problèmes, sans que de quelconques progrès technologiques soient à attendre qui puissent sensiblement changer cette donne.

Politique énergétique

Pour des pays comme les États-Unis, dont la production électrique est essentiellement d'origine fossile, ceux-ci peuvent aisément réduire leurs émissions de carbone par kWh en doublant leurs centrales fossiles avec des énergies renouvelables (on éteint les centrales fossiles en présence de soleil ou de vent), au prix d'une importante augmentation du coût de l'énergie, surcoût qui sera toutefois compensé à mesure que les prix des combustibles fossiles augmenteront.

Le problème est différent pour la France métropolitaine qui, avec le nucléaire, n'a recours aux énergies fossiles que pour un dixième de sa production. Pour ce pays, le résultat attendu du développement des énergies renouvelables est celui d'une multiplication des centrales fossiles et une hausse des émissions de carbone par kWh, ainsi que des tarifs de l'électricité. Le seul bénéfice sera celui d'un usage moindre des réacteurs nucléaires. Soit moins de combustible, moins de déchets et, peut-être, moins de risques. Les raisons de ce choix sont sans doute plus politiques et industrielles qu'écologiques.

Les départements et territoires d'Outre-mer français sont dans une situation différente, beaucoup dépendant presque exclusivement d'importations d'hydrocarbures pour leur production électrique. Au vu de leur potentiel renouvelable (ensoleillement, vents, surface maritime) la stratégie mise en être est celle d'un pari sur ces énergies. La Réunion a d'ailleurs pris de l'avance et atteint aujourd'hui 40% de renouvelables dans sa production électrique (hydroélectrique, combustion des résidus de la canne à sucre) et des projets de géothermie autour du Piton de la Fournaise.

Enfin, il existe des cas particuliers. Le Québec, par exemple, qui dispose avec un immense potentiel hydroélectrique qui fournit aujourd'hui 96% de l'électricité, le reste venant pour moitié du nucléaire et, enfin, des énergies fossiles (gaz) et renouvelables (éolien, biomasse). L'Islande également qui est assise sur un fort gisement géothermique qui assure 70% de sa consommation d'énergie (et 30% de sa production électrique).

À plus long terme

Aujourd'hui, ces aléas de production imposent donc le recours à d'autres sources d'énergie, le plus souvent fossiles ou nucléaires. Malheureusement, ces énergies fossiles ne constituent pas des alternatives viables à moyen ou très long terme : même si l'on parvenait à mitiger leur impact écologique (via des puits de carbone capturant ces émissions, procédé dont l'intérêt et la sécurité sont âprement débattus), ces combustibles sont de toute façon en voie d'épuisement et leur coût augmentera fortement. La fission nucléaire souffre du même problème : là aussi le combustible s'épuise rapidement. Même si des réacteurs de quatrième génération (surgénérateurs) permettaient de brûler les déchets existants ainsi que des combustibles moins riches, cette technologie, si elle était généralisée et systématisée dans le monde, ne repousserait sans doute que de quelques décennies (peut-être plus) la limite existante.

Qui plus est, si l'on peut attendre des progrès technologiques, rien actuellement ne permet d'espérer dans un avenir prévisible un stockage radicalement plus efficace de l'énergie ou des sources d'énergie à la fois propres, inépuisables et consommables à la demande (sauf peut-être la fusion nucléaire). À priori, nous disposons donc d'un temps limité pour nous adapter aux outils qui seront à notre disposition.

Une partie de la solution serait un changement des modes de consommation. Une réduction de la consommation ne résoudrait pas en soi le problème des aléas de production (même si elle est la première stratégie pour résoudre nos émissions), mais, couplée à une amélioration du stockage de l'énergie, elle permettrait à ces sources erratiques de fournir une certaine partie de l'énergie nécessaire, laissant le reste de la charge aux énergies renouvelables en quantité limitée. Toutefois, au vu des chiffres donnés dans cet article, un tel objectif paraît très éloigné et difficilement réalisable.

Aussi, peut-être pourrions-nous avoir davantage recours aux énergies solaires et éoliennes tout en nous adaptant à ces aléas de production : le chauffage, par exemple, pourrait n'être allumé que par intermittence, en présence de vent. Ou certains véhicules pourraient être rechargés lorsqu'il fait soleil (stationnements publics équipés, voitures collectives en location à la journée ou à l'heure). Cela pose bien sûr des problèmes sociologiques, d'équipements (nouveaux produits, prédiction facilement accessible de la production, établissement de priorités parmi les appareils électriques) et d'efficacité (un appareil de chauffage consomme moins s'il fonctionne en continu plutôt que par bouffées courtes et intenses, une batterie peut mal supporter les variations lorsqu'elle est en charge). Cela dit, si l'on peut imaginer se priver de certains appareils pendant une heure, il en va autrement s'il s'agit de trois jours.

Voir aussi

Liens internes

• Énergie renouvelable
• Gestion de l'énergie

Liens externes

• Manicore - Site de Jean-Marc Jancovici.

Références

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