Cours#7 Jancovici Énergies renouvelables : potentiels et limites

Aperçu

• Sujet : Énergies renouvelables — définitions, classifications, potentiels, limites et comparaisons.
• Approche : Définitions conceptuelles, ordres de grandeur, inventaires technologiques, exemples par pays et implications économiques/systémiques.
• Conclusion principale : Les énergies renouvelables sont diverses ; elles ont un grand potentiel théorique mais des limites pratiques, matérielles, géographiques, temporelles et systémiques.

Définition et classification

• Énergie renouvelable : le stock se renouvelle au moins aussi vite que nous l'extrayons, au regard d'échelles de temps pertinentes pour l'homme.
• La définition anthropocentrique exclut les combustibles fossiles et la plupart des combustibles nucléaires (non renouvelables à l'échelle des temps humains).
• Quelques inclusions limites : biomasse issue de la déforestation (non renouvelable), combustion de la fraction organique des déchets (parfois comptée), géothermie profonde (majoritairement non renouvelable sauf pour l'incrément de chaleur radiogénique).
• Distinction clé : source d'énergie (peut être renouvelable) vs dispositif de capture (souvent non renouvelable en raison des matériaux et de la fabrication).

Potentiel global et ordres de grandeur

• Flux solaire en haut de l'atmosphère ~10 000 fois la consommation primaire humaine actuelle.
• Irradiation solaire au sol (moyenne globale) ~200 W/m².
• Photosynthèse (productivité primaire nette) ≈ 60 milliards de tonnes C/an ≈ 60 Gtoe/an potentiel énergétique (ordre de grandeur). La consommation humaine ≈ 14 Gtoe/an.
• Part des renouvelables actuellement ~16 % de l'énergie primaire mondiale (chiffre dépend des conventions primaire vs finale).
• Les potentiels pratiques sont contraints par la qualité diffuse de l'énergie, l'intermittence, l'utilisation des terres et les limites matérielles des dispositifs de capture.

Principaux types renouvelables — notes synthétiques

• Biomasse

  • Comprend le bois, les résidus agricoles, le biogaz, les biocarburants.
  • Renouvelable seulement si l'extraction ≤ l'accroissement net primaire annuel.
  • Grande partie de l'usage domestique du bois est informel/autoconsommation — statistiques faibles.
  • Rendement de la photosynthèse <1 % de l'énergie solaire incidente ; limites pratiques de substitution des fossiles.
  • Filières biocarburants : fermentation (éthanol à partir d'amidon/sucre) et extraction d'oléagineux (biodiesel). L'énergie de distillation et l'allocation des co-produits affectent fortement le bilan carbone.
  • Biogaz : fermentation anaérobie de déchets végétaux/animaux ; utilisé pour électricité, carburant véhicule (remplacement GNL) ou injection au réseau gazier.

• Solaire

  • Deux usages principaux : thermique (chauffage des bâtiments, eau chaude sanitaire) et photovoltaïque (électricité).
  • Avantages du solaire thermique pour chauffage et eau chaude ; performance dépend de l'intégration (vitrage orienté sud, plancher chauffant).
  • Photovoltaïque : puissance variable, interruption nocturne, variabilité liée aux nuages et densité de puissance relativement faible (≈1 ha/MW au sol).
  • Coûts matériels et CO2 dépendant du lieu de fabrication des panneaux (intensité carbone de l'électricité utilisée pour la fabrication).
  • Cycle de vie PV CO2 : grosso modo 30–80 gCO2/kWh (plage France) ; PV stocké (batterie) 100–250 gCO2/kWh incluant pertes et production des batteries.
  • EROI exemples : panneaux historiquement ~3 sur la durée de vie (en amélioration) ; durée de vie typique supposée 25–30 ans.
  • Solaire à concentration (CSP) : utilise des miroirs et une machine thermique de type Carnot ; peut stocker la chaleur et fournir de l'électricité pilotable, mais est intensif en matériaux et dépendant du site (déserts).

• Hydroélectricité

  • Convertit l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau ; rendement de conversion très élevé (mécanique + électrique).
  • Deux classes : retenues/barrages (grand saut, régulation de pointe) et au fil de l'eau (faible chute, continu mais variable selon le débit).
  • L'Europe est environ à moitié développée par rapport au potentiel théorique ; le gros du potentiel économiquement viable restant se trouve surtout en Asie et en Amérique du Sud.
  • Usages multiples des réservoirs créant des conflits : électricité, irrigation, navigation, tourisme, maintien des débits écologiques.
  • Risques : ruptures de barrages ont causé de nombreuses victimes historiquement.
  • Stockage par pompage (barrages réversibles) utilisé pour le stockage à l'échelle du réseau ; capacité mondiale limitée par rapport à la demande totale.

• Géothermie

  • Géothermie profonde : extraction de chaleur profonde pour électricité (fonctionne mieux en zones volcaniques) ; fluides en circuit ouvert peuvent être fortement corrosifs.
  • Géothermie de faible profondeur / pompes à chaleur : extraction de chaleur basse température du sol/air pour chauffage des bâtiments (cycle frigorifique réversible).
  • Seule une petite fraction de la chaleur géothermique est renouvelable en termes pratiques (l'incrément de chaleur radiogénique).

• Vent

  • Puissance ∝ surface balayée des pales × vitesse du vent^3 ; très variable.
  • Meilleures zones : côtes et corridors (p. ex. côte atlantique, corridor du Rhône).
  • Éoliennes offshore et flottantes augmentent le rendement mais augmentent les coûts et les besoins d'infrastructure.
  • L'agrégation sur plusieurs régions réduit mais n'élimine pas la variabilité ; les interconnexions à grande échelle ont des limites.
  • La capacité intermittente installée coexiste souvent avec une capacité contrôlable stable (p. ex. Espagne, Allemagne ont ajouté du gaz ou conservé des centrales conventionnelles).
  • Effets de marché : fortes injections renouvelables déprécient les prix de gros ; des prix négatifs surviennent en cas de surplus.
  • Intensité matérielle et impacts sur le réseau augmentent aux fortes parts d'éolien.

• Marées et vagues

  • Les turbines marémotrices captent les courants de marée prévisibles ; amplitude et timing très prévisibles.
  • Inconvénients : corrosion marine, conflits avec la pêche, forte empreinte matérielle par MW.
  • Des prototypes d'énergie des vagues existent mais la contribution reste faible par rapport à la demande nationale.

• Thermique des océans (OTEC)

  • Utilise la différence de température surface/profondeur (≈25–30 °C vs ~4 °C) dans des machines de type cycle de Carnot ; faible rendement mais potentiellement utilisable en localisations spécifiques.

Considérations matérielles, carbone et cycle de vie

• Les renouvelables diffuses (éolien & PV) ont beaucoup plus de matériaux par MWh que les systèmes concentrés (nucléaire ou grand hydro).
• Les matériaux incluent cuivre, acier, verre, ciment ; l'extraction et la métallurgie dépendent aujourd'hui des combustibles fossiles.
• Si la fabrication devait fonctionner uniquement sur des renouvelables, les coûts des dispositifs captants (capital, énergie, matériaux) augmenteraient.
• Le stockage (batteries, STEP) augmente le CO2 et le coût par kWh lorsqu'il est inclus dans l'ACV.

Intégration système et économie

• La mutualisation du réseau a historiquement permis une capacité installée inférieure à la somme des puissances de pointe des appareils.
• L'autoconsommation distribuée avec PV/batteries locales augmente la capacité installée totale requise et le coût total du système (duplication d'infrastructures).
• Deux comparaisons économiques légitimes :
  1. L'ajout non pilotable à une flotte pilotable existante : la valeur équivaut au carburant évité (coût marginal du combustible) lorsque les centrales conventionnelles tournent moins.
  2. Le remplacement d'une flotte pilotable par du non pilotable + stockage : il faut inclure le stockage, le renforcement du réseau et le coût supérieur de la capacité installée.
• Comparaisons d'exemple :
  • Facteurs de charge : nucléaire ~70 % (flotte typique), vent continental ~20 % (offshore 25–30 %). Faible facteur de charge → plus de capacité installée pour la même énergie annuelle.
  • Durée de vie : réacteurs ~60 ans vs turbines ~20–30 ans.
  • Renforcement du réseau et stockage saisonnier sont des coûts majeurs pour de fortes parts d'éolien/solaire.
  • Ordre de grandeur approximatif : un système entièrement non pilotable peut nécessiter ~10× le capital comparé à un système à dominance pilotable, en prenant en compte stockage, réseau, duplication et renouvellements (exemple illustratif issu d'une estimation de cours).

Exemples par pays et géographie

• Les meilleurs mixes renouvelables dépendent fortement de la géographie :
  • Norvège / Scandinavie : hydro abondant et forêts ; électricité par habitant élevée issue de l'hydro.
  • Islande : géothermie + hydro ; forte part renouvelable.
  • Danemark : forte part éolienne mais grandes exportations ; importations lors de faibles vents (souvent charbon allemand), exportations lors de vents forts (souvent vers des pays hydroélectriques scandinaves).
  • Allemagne : déploiement massif d'éolien/solaire ; la capacité intermittente ajoutée n'a pas réduit la capacité pilotable installée mais en a réduit le facteur de charge et augmenté les exportations.
  • France : renouvelables dominés par le bois et l'hydro ; PV et éolien croissent mais restent secondaires ; la géographie limite une substitution rapide sans nucléaire.
  • Pays plats et densément peuplés (Belgique, Pays-Bas) font face à des limites plus fortes pour de fortes parts renouvelables.

Termes clés et définitions

• Énergie primaire : énergie extraite de l'environnement (avant pertes de conversion).
• Énergie finale : énergie livrée aux consommateurs finaux.
• Facteur de charge : énergie réellement produite sur une période divisée par la puissance installée × durée (mesure d'utilisation).
• Production pilotable/contrôlable : sources pouvant être allumées/éteintes ou modulées pour suivre la demande (nucléaire, gaz, hydro à retenue).
• Production non pilotable/intermittente : sources variables non directement pilotables par les opérateurs (éolien, PV).
• Stockage pompé (STEP) : réservoirs réversibles utilisés pour stocker l'électricité en pompant l'eau en hauteur.
• EROEI : Energy Return on Energy Invested — ratio de l'énergie produite sur la durée de vie à l'énergie investie pour fabrication, installation, opération.
• Empreinte carbone (base ACV) : gCO2 par kWh sur le cycle de vie incluant fabrication, transport, exploitation, stockage.

Chiffres clés et ordres de grandeur (Tableau)

Forces, limites et compromis

• Forces :
  • Grands potentiels théoriques (surtout solaire).
  • Certaines technologies fournissent de l'électricité pilotable et peu carbonée (grand hydro, CSP avec stockage, géothermie dans des zones favorables).
• Limites :
  • Intermittence et décalage journalier/nocturne/saisonnier pour soleil/vent.
  • Faible densité de puissance et occupation des terres pour PV au sol et biomasse.
  • Contraintes matérielles et forte intensité matériaux par MWh pour les renouvelables diffus.
  • Incertitude statistique pour la biomasse non commerciale (bois).
  • Inégalité géographique : tous les pays ne peuvent pas s'appuyer sur les mêmes mixes renouvelables.
  • Coûts économiques/systémiques : stockage, renforcement du réseau, duplication due à la décentralisation.
• Compromis :
  • L'ajout de renouvelables intermittents réduit souvent l'utilisation des centrales conventionnelles plutôt que de remplacer leur capacité installée.
  • Le stockage et le renforcement du réseau nécessaires pour de très fortes parts augmentent fortement les coûts.
  • Le retour carbone et énergétique dépend du lieu de fabrication, des chaînes d'approvisionnement et des règles d'affectation des co-produits.

Actions / Étapes suivantes (si étude approfondie)

• Apprendre les méthodes d'analyse du cycle de vie (ACV) et les règles d'allocation pour les biocarburants et les systèmes PV/batteries.
• Étudier les bases du fonctionnement des réseaux : courbes de charge, mutualisation, tarification marginale, mécanismes de capacité.
• Explorer des études de cas pays (Danemark, Allemagne, Norvège, Islande, France) pour comprendre politiques et effets d'intégration.
• Quantifier les besoins de stockage pour une forte pénétration renouvelable (stockage saisonnier vs journalier) et comparer les technologies de stockage (STEP, batteries, hydrogène).
• S'exercer aux vérifications d'ordre de grandeur (règle de trois) pour évaluer des scénarios énergétiques ou des modèles complexes.

Conclusion finale

• Les énergies renouvelables sont hétérogènes : leurs forces et contraintes dépendent de la technologie, de la géographie, des matériaux et de l'intégration au système.
• Un grand potentiel théorique n'implique pas automatiquement une substitution pratique, peu coûteuse ou rapide des combustibles fossiles.
• Une transition énergétique réaliste nécessitera probablement une combinaison d'économies d'énergie, de renouvelables et d'autres sources pilotables faiblement carbonées (y compris le nucléaire là où applicable), adaptée aux conditions locales.