Quelles sont les sources d'énergies renouvelables ?

Panneaux solaires, éoliennes, énergie hydraulique ou géothermique, leurs points communs est de faire partie de la famille des énergies renouvelables. Quelles sont les sources d'énergies renouvelables ? Comment fonctionnent-elles ? Quelle production énergétique et quelle consommation en France ? Quelles différences avec les énergies non renouvelables ? Analyse du sujet. 🔎

Décryptage du sujet : les énergies renouvelables

On dit qu’une énergie est renouvelable (EnR) lorsque l’énergie est issue de sources que la nature renouvelle et dont le stock est inépuisable. L’énergie est donc disponible de manière illimitée. 

Aussi appelées énergies propres ou énergies vertes, elles sont issues de deux grandes sources naturelles : le Soleil et la Terre. Ainsi, l’eau, le vent, le soleil, la biomasse, la terre et la chaleur sont utilisés pour produire de l’énergie. 

Concrètement, les sources d’énergie renouvelable…

A l’origine des énergies renouvelables :

• les nuages : technique non courante aujourd’hui mais qui consiste à collecter l’humidité condensée dans les nuages ce qui produirait de l’électricité grâce à un ballon-sonde. D’après EDF, 100m2 de filet (le ballon-sonde est équipé d’un filet pour collecter l’humidité des nuages) équivaut à une production de 200W par jour. 
• l’éolien, cette énergie issue du vent est transformée grâce à un générateur. 
• le soleil grâce aux cellules photovoltaïques.
• l’eau à l’aide de centrales hydroélectriques et de barrages. 
• les matières organiques grâce à des procédés thermiques ou biochimiques, les matières organiques animales et végétales peuvent être transformées en énergie. 
• le courant marin, par des turbines installées sous la mer, et des alternateurs, fournit un courant électrique.
• la chaleur de la Terre, grâce à la géothermie, peut fournir de l’énergie thermique ou électrique.
• le magma, source d’énergie inépuisable, l’énergie de demain ?  

...et qu’est ce qui n’est pas ? 

Tout le reste ! Le contraire d’une énergie renouvelable serait donc une énergie ayant besoin de combustion de matières fossiles comme le gaz naturel, le mazout ou le pétrole. Et les énergies non renouvelables ont des réserves qui sont épuisables, aux stocks ayant la possibilité de disparaître. 

Les énergies non renouvelables utilisent ainsi des ressources finies à la quantité limitée. Quant au nucléaire, 19 centrales et 58 réacteurs peuplent la France. Ainsi, par la transformation d’eau en vapeur à de très hautes températures, le nucléaire produit plus de 70% de notre énergie aujourd’hui. Utilisant de l’uranium, une ressource finie. 

Quant au gaz naturel, une énergie non renouvelable, il est naturellement présent dans l’environnement. Composé de méthane, le gaz naturel est lié à la transformation de matières organiques issue des formations géologiques. Son pendant renouvelable est le biogaz, issu de la fermentation de matières organiques. 

Quelles sont les grandes familles d’énergies renouvelables ?

Comme le célèbre jeu, il y a cinq grandes familles d’énergies renouvelables. 

Source d'énergie renouvelable : hisse et eau pour l'énergie hydraulique

Grâce à l’eau que l’on exploite et grâce à des barrages, l’énergie peut être produite. La pression de l’eau détermine la production de l’énergie : plus la première est élevée, meilleur sera le rendement. La durée de vie des centrales hydroélectriques est longue. 

Dans le monde, l’hydroélectricité représente la troisième source de production électrique mondiale (devant elle, le charbon à 41% et le gaz à 21%) à hauteur de 16%, selon l’European Rivers Network. 

En Europe, aujourd’hui, plusieurs projets sont en cours concernant la construction de barrages. 

Production brute d'origine hydraulique dans l'Union européenne par pays (TWh) d’après l’Agence internationale de l'énergie en 2018. 

Et l’environnement dans tout ça ? 

Longtemps considérés comme écologiques, les barrages hydrauliques impactent les écosystèmes aquatiques. La production de l’énergie impacte la dynamique des rivières. Par ailleurs, si on considère que les émissions de GES sont minimes, elles sont dues principalement au ciment. 

Source d'énergie renouvelable : les cheveux au vent pour l'énergie éolienne

Cette énergie dépend du vent et des éoliennes, aussi appelées aérogénérateurs. La force des pales du rotor met en mouvement un alternateur. Les éoliennes peuvent être installées en mer ou sur terre ; onshore ou offshore. Une éolienne fonctionne à partir de 15 km/h et jusqu’à 90 km/h. 

🖐 « Les éoliennes tournent plus de 80% du temps, à des vitesses variables en fonction de la puissance du vent. Ainsi, un parc éolien de 4 à 6 éoliennes couvre les besoins en électricité de près de 12 000 personnes. » d’après EDF. 

Ces dernières années, l’énergie éolienne a connu une forte croissance notamment grâce aux conditions météorologiques et aux vents importants. Dans le monde, l’énergie éolienne représente 5,3% de la production mondiale d'électricité qui possède une puissance de 651 GW pour l’année 2019.

Carte de la production éolienne dans l'Union Européenne (GWh) en 2018 d’après EurObserv'ER.

Et l’environnement ?

Bon, on ne va pas vous parler de la tribune de Stéphane Bern sur le site du Figaro qui dénonce le « diktat éolien qui brasse du vent et ancre dans nos sols un véritable mensonge » ... Ne soyez pas déçu ! 

Voici ce qu’il faut savoir : 

• une bonne partie de l’éolienne se recycle (acier et béton) sauf les pales qui sont faites de matériaux composites et qui ne se recyclent pas. 
• elles ne produisent pas de pollution sonore d’après l’Agence sanitaire française ; aujourd’hui, on les implante à plus de 500 mètres d’un logement et une étude d’impact est obligatoirement réalisée. Cela ne veut pas dire qu’il y a zéro impact sur les populations vivant à proximité. 
• l’impact sur la biodiversité est faible ; une étude sur l'impact de l'éolien publiée par la Ligue de protection des oiseaux (LPO) en 2017 démontre que si le projet n’est pas installé sur un lieu aux « enjeux avifaunes », alors la mortalité des oiseaux due aux éoliennes est relativement faible.
• mais la production d’une éolienne ? un réel poids pour leur bilan carbone : métaux rares (5 fois plus de métaux rares que pour le nucléaire, d’après Jacques Treiner, physicien et membre du Laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain) et fabrication énergivore (localisées principalement en Chine). Une éolienne est faite de matériaux comme le béton, l'acier, le cuivre… qui sont des matériaux recyclables.

🖐 Lorsque l’on est à 500 mètres, son bruit est généralement inférieur à 35 décibels, soit moins qu’une conversation à voix basse.

Source d'énergie renouvelable : le rayon de soleil pour l'énergie solaire

Elle dépend du soleil et il en existe deux types : 

• L’énergie solaire photovoltaïque, grâce aux installations solaires photovoltaïques ;
• L’énergie solaire thermique est produite grâce à la chaleur générée par des capteurs thermiques. 

On utilise trois éléments : les panneaux solaires, un onduleur et un compteur. Le premier convertit la lumière en courant électrique continu. Le deuxième transforme l’électricité en courant alternatif compatible avec le réseau et le dernier mesure la quantité de courant injectée dans le réseau.

Source d'énergie renouvelable : le bois et les matières organiques pour l'énergie biomasse

Issue de la combustion de bois et de matières organiques, l’énergie issue de la biomasse peut produire de l’électricité, de la chaleur et même du carburant. Elle dépend donc du cycle de la matière vivante végétale et animale et peut produire à la fois de l’énergie et de la chaleur en cogénération. 

🖐 Pour l’anecdote, l’énergie biomasse est la plus ancienne ; découverte lors de la préhistoire. 

Ainsi, on utilise la chaleur issue de : 

• la combustion de bois, végétaux, déchets agricoles, ou ordures ménagères organiques ; 
• du biogaz issu de la fermentation de ces matières, dans des centrales biomasse.

On appelle donc méthanisation lorsque les déchets sont transformés en biogaz par fermentation grâce à des micro-organismes (bactéries).

🖐En Europe, la consommation d’énergie issue de biomasse solide a augmenté de 2,2% en 2019 selon le baromètre EurObserv’ER. Et la production augmente avec elle. 

Source d'énergie renouvelable : le sous-sol pour l'énergie géothermique

En extractant la chaleur contenue dans le sol, la géothermie produit à la fois de la chaleur et de l’électricité. Tout comme la biomasse, ce n’est pas une énergie intermittente qui dépend des conditions météorologiques (soleil, eau, vent). Ainsi, l’électricité est fabriquée dans les centrales géothermiques et grâce à de l’eau chaude issue des nappes et du sous-sol de la Terre.

🖐« La température des roches augmente en moyenne de 1 °C tous les 30 m de profondeur » d’après EDF. 

La géothermie permet d’une part de chauffer et de refroidir les habitations, usines ou bâtiments agricoles. Et d’autre part, avec une turbine, la chaleur peut devenir de l'électricité. 

Il existe trois catégories de géothermie : 

• profonde de basse énergie ; 
• de très basse énergie ; 
• de haute énergie. 

Energie géothermique en Europe 

En Europe, 3 principaux pays dominent le marché de la géothermie, selon le rapport de l’association européenne de la géothermie (EGEC),: 

• la Turquie avec des installations ayant une puissance de 1.523 MWe;
• l’Italie avec 916 MWe ;
• l’Islande 754 MWe.

Sources d’énergies renouvelables : et la France alors ? 

En 2018, les énergies renouvelables représentent : 

• 8,6 milliards d’euros d’investissement ; 
• 68 000 emplois en équivalent temps plein.

Zoom sur le développement en France de ces énergies vertes. 

Etat des lieux : les énergies renouvelables et non renouvelables en France

La consommation 

Sur un classement des pays de l’Union européenne concernant la part de la consommation finale brute d’énergie produite à partir de sources renouvelables, la France occupe la 17e position en 2019.

Concrètement, la consommation des énergies renouvelables est en augmentation depuis une dizaine d'années en France. En 2020, elles représentaient (d’après le rapport « Chiffres clés des énergies renouvelables » édition 2021 du Ministère de la transition écologique)  : 

• 13,1% de la consommation d’énergie primaire soit 348 TWh ;
• 19,1 % de la consommation finale brute d’énergie. 

Dans le classement des énergies primaires en 2020, les énergies renouvelables sont à la quatrième place, derrière le nucléaire (39 %), les produits pétroliers (28 %) et le gaz naturel (17 %).

La production 

« En niveau absolu de production, la France est deuxième pour la biomasse solide, l’hydroélectricité, les biocarburants, les déchets renouvelables et la géothermie.»

d’après le Ministère de la transition écologique

Quant à la production française, elle s’élève à 322 TWh en 2020 (contre 348 TWh pour la consommation). 

La production est inférieure à la consommation car nous importons le bois et les biocarburants. Ainsi, le pourcentage de production primaire d’énergies renouvelables en France est de : 

• 33 %, soit 106 TWh pour la production de bois-énergie et pour le chauffage ; 
• 19,3 %, soit 62 TWh pour l’électricité hydraulique ; 
• 12,7% d’énergie éolienne ; 
• 10,1 % de chaleur renouvelable issue des pompes à chaleur ; 
• 8,4% de biocarburants ; 
• 4,4% de déchets renouvelables. 

La production primaire d’énergies renouvelables a augmenté de +70% depuis 2005, alors qu’elle était stable dans les années 2000. A partir de 2005, l’éolien, les pompes à chaleur et les biocarburants atteignant 30% en 2020 (contre 6% en 2005). Une explication et des chiffres donnés par le Ministère de la Transition écologique. 

Qui dit renouvelable, dit moins de carbone ? 

On dit que leur exploitation ne génère que peu ou prou d’émissions polluantes. Les énergies renouvelables sont en effet associées à la transition énergétique. Elles sont les alliées de la lutte contre le réchauffement climatique. Mais quelle est (réellement) l’empreinte carbone des énergies renouvelables ? 

Afin de mesurer l’empreinte carbone des énergies renouvelables, deux outils s’offrent à nous : l’analyse de cycle de vie (ACV) et le temps de retour carbone (TRC).

L’énergie fossile

A l’inverse des énergies renouvelables, les énergies fossiles (charbon, gaz ou fioul) sont très très très polluantes et rejettent de fortes émissions de gaz à effet de serre. L’analyse du cycle de vie révèle le bilan carbone : 1050 gCO2eq/kWh ! Soit l’équivalent de 85 fois plus de gaz à effet de serre dans l’atmosphère que l’électricité éolienne n’en émet. Et 19 fois plus que l’électricité produite par le photovoltaïque !

Sans compter les conflits liés à l’énergie fossile, la pollution provient en partie de : 

• leur exploitation entraîne des pollutions chimiques notamment aquatique, impactant les populations et la biodiversité ; 
• le transport n’est pas sans danger puisqu’il peut causer des marées noires dévastatrices ;  
• la pollution peut également être terrestre comme par exemple l’érosion d’un oléoduc.
• enfin, la pollution atmosphérique affecte la population et la biodiversité ; principalement le pétrole et le charbon en combustion dégagent  des oxydes d’azote, de soufre et de carbone ainsi que des hydrocarbures mal brûlés, du plomb, des suies, des minéraux lourds…

🖐 Une toute récente étude publiée dans la revue scientifique Environmental Research démontre que la pollution, provoquée par les énergies fossiles aurait causé +8 millions de  morts prématurées en 2018, soit 20% des adultes décédés dans le monde...

L’éolien, quelles émissions ? 

L’ADEME a réalisé une analyse de cycle de vie en 2013 permettant d’identifier les impacts environnementaux de la production éolienne en France. Cela concerne donc le parc français situé sur la terre et sur la mer. Ainsi, ce qui est pris en compte est la : 

• Fabrication des composants du système ; 
• Installation du système éolien ; 
• Utilisation ; 
• Maintenance ;
• Désinstallation, traitement en fin de vie. 

On obtient ainsi les résultats suivants :

• Eolienne terrestre : taux d'émission de 14,1 g CO₂ eq / kWh ; 
• Éolienne en mer : taux d'émission de 15,6 g CO₂ eq / kWh. 

La principale source d’émissions concerne la phase de fabrication et plus précisément les composants. 

Source d'énergie renouvelable : le photovoltaïque, plus ou moins d’émissions ?

L’ADEME prend en compte la part de mix électrique utilisée pour la production du module. Ainsi, on obtient une empreinte carbone du photovoltaïque équivalent à : 

• 43,9 gCO_2eq/kWh pour un mix électrique chinois ; 
• 32,3 gCO_2eq/kWh pour un mix électrique européen ; 
• 25,2 gCO_2eq/kWh pour un mix électrique de fabrication français. 

Aujourd’hui, la plupart des panneaux photovoltaïque proviennent d’usine chinoise, ce qui fait que nous prenons la valeur : 43,9 gCO_2eq/kWh.

Quel bilan carbone pour le photovoltaïque ? 

Beaucoup d’organisations comme Greenpeace dénoncent les matériaux nécessaires à la fabrication de panneaux solaires ; une extraction énergivore. 

Pour connaître l’impact environnemental d’un panneau solaire, distinguons ensemble trois types de panneaux : 

• La première génération de panneaux peut être qualifiée d’énergivore ; extraction, fabrication, consommation, leur bilan carbone n’est pas fameux. 90% des panneaux solaires sur le marché sont de première génération. 
• la deuxième génération ; leur fabrication nécessite l’extraction de métaux rares (en petite quantité) ; 
• la troisième génération a le meilleur bilan carbone. Aujourd’hui, cette génération est encore en développement.  

Concernant leur recyclage, une directive européenne de 2002 renforcée en 2012, les entreprises qui vendent un panneau solaire doivent aussi assurer le coût et la gestion de leur recyclage.

Ainsi, d’après l’ADEME, un panneau solaire émet en moyenne 55 grammes de CO2 par KiloWatt produit. Pour amortir les émissions liées à sa fabrication, le panneau solaire doit être utilisé trois ans pour amortir. Une énergie renouvelable et durable lorsque l’on sait que sa durée de vie est estimée entre 25 et 30 ans. 

Tableau récapitulatif

Du moins polluant (en équivalent grammes par CO2/KWh) au plus polluant.

Technologie	Capacité, configuration, carburant	Estimation(gCO2e/KWh)
Vent offshore	2.5 MW, offshore	9
Hydroélectrique	3.1 MW, réservoir	10
Vent onshore	1.5 MW, onshore	10
Biogaz	Digestion anaérobique	11
Hydroélectrique	300 kW, au fil de l'eau	13
Solaire thermique	80MW, auge parabolique	13
Biomasse	Bois de forêt Co-combustion avec de la houille	14
Biomasse	turbine à vapeur en bois de forêt	22
Biomasse	Foresterie à courte rotation Co-combustion avec de la houille	23
Biomasse	Moteur alternatif FOREST WOOD	27
Biomasse	Turbine à vapeur de déchets de bois	31
Panneaux photovoltaïques	Silicone polycristallin	32
Biomasse	Turbine à vapeur forestière à courte rotation	35
Géothermique	80MW, roche sèche chaude	38
Biomasse	Moteur forestier alternatif à courte rotation	41
Nucléaire	Différents types de réacteurs	66
Gaz naturel	Diverses turbines à cycle combiné	443
Pile à combustible	Hydrogène issu du reformage du gaz	664
Diesel	Différents générateurs et types de turbines	778
Pétrole brut	Différents générateurs et types de turbines	778
Charbon	Différents types de générateurs avec lavage	960
Charbon	Différents types de générateurs sans lavage	1050

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Conclusion ?

Finalement, le développement d’énergies renouvelables soulève de nouvelles questions puisque qui dit renouvelable ne dit pas forcément 0 émissions. Le solaire, la biomasse ou encore l’eau, qui produisent de l’électricité, représentent encore des coûts assez élevés du fait de leur développement. Mais leur production et leur consommation sont en augmentation pour différents pays. 

Les EnR sont-elles (réellement) capables de couvrir les besoins énergétiques mondiaux ? Si aujourd’hui, ce sont des énergies durables, tout l’enjeu est d’en faire l’énergie principale ; 2050, 100% d’énergies renouvelables ? C’est donc un défi que de pouvoir couvrir les besoins énergétiques : subventions publiques, technologies inégalement réparties (les pays développés sont majoritairement ceux utilisant des technologies et innovations bas-carbone). Ne pas oublier que l’on parle par ailleurs de « transition énergétique » ....

🚀Pour aller plus loin sur le sujet : 

• L’émission France Culture : « Passer à 100% d’énergie renouvelable, c’est possible ? »
• La vidéo Thinkerview avec Guillaume Pitron : « L’enfumage de la transition écologique? »