Air du temps
REFLEXION SUR L'EVOLUTION DU MONDE
1er avril 2023
Energies renouvelables
Figure 1. L’évolution de la consommation d’énergie en France en 30 ans selon le rapport du Réseau de transport d’Electricité RTE (1). A noter que l’énergie due aux combustibles fossiles devrait diminuer drastiquement et que la consommation d’énergie électrique devrait devenir prédominante (Crédit : RTE 2011).
Comme nous l’avons vu dans le précédent Air du temps le choix des filières énergétiques est tout à fait central car il conditionne l’avenir de la société française.
Réduire la consommation d’énergie de presque un facteur 2 en pratiquement une génération demande de changer de paradigmes. Pour atteindre cet objectif il nous faut relocaliser les productions de biens et d’énergies aussi près que possible des lieux de consommations, développer le recyclage des matières et des matériaux industriels en réduisant les pertes nettes, développer les territoires aux dépens des mégapoles, capter les énergies éoliennes, solaires, et des biomasses locales pour garantir notre indépendance énergétique et donc géostratégique, préserver la diversité biologique dans des aires terrestres et marines protégées, et en quelque sorte réconcilier Homo sapiens avec la Nature.
Bref, nous devons nous inscrire dans des logiques d’écodéveloppement que nous avons mis en avant voici presque un demi-siècle avec les projets Alter (2). Dans une approche intégrée il s’agit de prendre en compte les ressources disponibles pour décarboner l’économie et la production d’énergie.
Utopie, me direz-vous ? et non ! Lisez la suite et vous verrez combien le monde est en train de changer et très rapidement. En tout cas, la prendre tout de suite en considération vous fait vous engager dans les voies d’une profonde transformation sociétale qui donne une chance à vos enfants et petits-enfants de vivre réellement dans une société qui respecte la neutralité carbone et qui se préoccupe d’éloigner de nouveau le jour du dépassement (cf. Air du temps du 1er janvier 2023). En fait, une stratégie bas carbone sous contrainte de ressources est déjà en marche (3) et nous en révélons tout l’intérêt en fin de ce texte.
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Figure 2: le scénario M0 du Réseau de Transport d’Electricité (RTE) (1) : 0 nucléaire, 100% d’énergies renouvelables.
Je limite aujourd’hui mon propos au scénario M0 du RTE (uniquement des énergies renouvelables en 2050 avec sortie progressive du nucléaire (1) et au 5ème scénario de transition énergétique 2022 de l’association NegaWatt (4) qui a pour objectif d’atteindre la neutralité carbone en 2050 ainsi qu’un mix énergétique à 96 % renouvelable, tout en réduisant fortement l’extraction de matières premières dans la croûte terrestre. Ce scénario est également compatible avec l’objectif de -55 % de gaz à effet de serre fixé au niveau européen à l’horizon 2030.
Mon but est de montrer quelles sont les ressources énergétiques renouvelables disponibles ainsi que la façon de résoudre, pour leur utilisation opérationnelle, le problème de leur variabilité de production dans le temps et dans l’espace. Pour ne pas surcharger la lecture je ne détaillerai pas les chiffres totaux de chaque filière renouvelable et donnerai la priorité à des informations détaillées qualitatives et quantitatives. Tous les procédés de production d’énergie (fossile, nucléaire, renouvelable) ont un impact sur l’environnement et je ne reviens pas aujourd’hui sur cet aspect. Pour un examen plus approfondi je vous invite à consulter les références (1) (4) et (5). Je ne reviens pas non plus ici sur les filières renouvelables déjà en place et qui fonctionnent depuis plus d’un demi-siècle : les centrales hydroélectriques de montagnes ou au fil de l’eau (62,5 TWh térawattheures soit 12 % de la production annuelle métropolitaine en 2021), et l’usine marémotrice de la Rance (0,5 TWh soit une production équivalente à la consommation de la ville de Rennes). Enfin, en fin de texte, je montrerai l’intérêt de la démarche de la stratégie bas carbone sous contrainte de ressources, qui mériterait à elle seule un autre Air du temps.
1-Promouvoir un mix d’énergies renouvelables, adapté à l’échelle du territoire
L’énergie éolienne :
Figure 3 : Potentiel éolien terrestre en France (crédit Ademe) : compte tenu de la circulation atmosphérique c’est essentiellement en Bretagne et le long des côtes de la Manche et de la Méditerranée qu’il faut implanter des éoliennes ; le développement de l’éolien offshore dans le monde en 2020 (crédit : Vinci) : il est en pleine expansion particulièrement au Royaume Uni, en Allemagne, et en Chine.
Notre potentiel éolien terrestre est particulièrement élevé le long du littoral, de la Loire-Atlantique aux Hauts-de-France, et de l’Occitanie à la Provence-Alpes-Côte d’Azur (Figure 3). Comme l’avait prévu le Projet Alter Breton (2) il est particulièrement intéressant de positionner les éoliennes le long du littoral et sur les hauteurs et de prévoir des machines de haute puissance nominale (>2 à 3 MW) ce qui permet d’en réduire le nombre. Il est également rationnel d’en implanter en zones maritimes, « offshore » (Figure 3). Le potentiel estimé en France pour l’éolien en mer est de 80 GW (gigawatts) répartis sur une superficie de 10 000 km2 pour l’éolien posé, et de 140 GW répartis sur une superficie de 25 000 km2 pour l’éolien flottant, moins dépendant de la bathymétrie et de la distance à la côte.
L’ouverture en 2022 du parc éolien au large de Saint Nazaire permet enfin de lancer ce type d’opérations en France qui est très en retard par rapport au reste de l’Europe et du monde (Figure 3). Ce parc comprend 80 éoliennes de 6 MW (mégawatts) pour une puissance totale de 480 MW (2 fois celle de l’usine marémotrice de la Rance), localisées entre 12 et 20 km au large de la Loire-Atlantique, sur une surface globale de 78 km², à des profondeurs variant entre 12 et 25 m ; la production envisagée équivaut à couvrir l’équivalent de 20% de la consommation en électricité de la Loire-Atlantique. Devrait suivre en 2023 l’ouverture du parc éolien marin de la baie de Saint-Brieuc, soit 62 éoliennes de 8 mégawatts, pour une puissance totale de 496 mégawatts. Les turbines seront réparties sur une surface de 75 km², l’éolienne la plus proche étant située à 16 km des côtes bretonnes ; la production d’énergie attendue correspond à l’équivalent de la consommation électrique de 800 000 habitants, chauffage compris, soit bien plus que la population des Côtes d’Armor.
L’énergie solaire :
Figure 4. Potentiel solaire de la France : pas de surprise, le sud de l’Hexagone est plus intéressant que le nord (Crédit : World bank group) ; Potentiel solaire à l’échelle de l’Europe (crédit : By SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15359738)
L’énergie solaire reçue au sol est une énergie qui, par définition, est variable à l’échelle journalière et saisonnière. Elle est fonction de la latitude et dépend des régimes météorologiques. La Figure 4 montre un potentiel particulièrement élevé dans les pays du sud de l’Europe et donc de l’intérêt de l’établissement de réseaux interrégionaux. Toutefois, en raison de son caractère diffus, l’énergie solaire est par excellence celle utilisable par le secteur tertiaire à l’échelle locale plutôt que pour les activités industrielles.
S’agissant de la mise en œuvre de ces différentes voies, divers arguments sont présentés :
- La fabrication d’une éolienne ou d’un panneau photovoltaïque consomme plus d'énergie que ces objets n’en produisent. C’est faux. Aujourd’hui, une éolienne ou un panneau solaire (dont la durée de fonctionnement est de l’ordre d’une vingtaine d’années) fournit en un an l’énergie nécessitée pour sa fabrication (5).
- Les besoins en métaux sont considérables. A l’ échelle mondiale, d’ici à 2040 (5) la transition énergétique va accroitre la demande de lithium par un facteur 40, pour le cuivre : un facteur 30 ; pour le graphite : un facteur 25 ; pour le cobalt et le nickel (composants des aciers): un facteur 20 ; pour les terres rares : un facteur 7. Les matériaux utilisés pour la construction de ces génératrices éoliennes ou solaires (durée de vie entre 20 et 30 ans) sont aujourd’hui en grande partie recyclables (90%). Au-delà de la recherche de nouvelles ressources en métaux, en cours, il est certain que le recyclage des métaux est devenu un enjeu prioritaire que l’industrie est en train d’adresser (voir ci-dessous). De nombreux sites pour l’extraction de lithium sont en train d’être inventoriés de par le monde, y compris en France et la dépendance extérieure à cet égard devrait s’annihiler d’ici une dizaine d’années. Un panneau photovoltaïque emploie du silicium dont on ne manque pas sur la planète Terre (c’est le deuxième élément en abondance de la croûte terrestre après le dioxygène). Quand aux terres rares, seules les éoliennes qui utilisent des aimants permanents en ont besoin. Si nécessaire elles peuvent parfaitemenr utiliser des électroaimants, ce qui est sans inconvénient sauf pour les éoliennes offshore.
- Ces systèmes contribuent à l’artificialisation des sols. Il suffit de regarder la situation actuelle : l’implantation des éoliennes en zone agricole n’est nullement un obstacle à l’utilisation des sols, quant aux panneaux solaires ils ne sont pas davantage un facteur de bétonisation. Les socles de béton (600 tonnes pour une éolienne d'une puissance de 2 MW et 800 tonnes pour une machine de 3 MW) sont soit réutilisables soit en grande partie recyclables.
- Les éoliennes en mer impactent considérablement l’activité halieutique. Depuis le temps que fonctionnent les parcs d’éoliennes en Mer du Nord, les chercheurs ont pu apprécier objectivement les impacts. Par exemple, l’étude conduite par l’Institut royal des Sciences naturelles de Belgique (6), après une décennie de surveillance (2008-2018), montre qu’il y a eu peu de changement pour les pêcheurs dans les eaux belges concernées par les éoliennes. Même s’ils ne peuvent pêcher dans la zone proprement dite des parcs éoliens actifs, les pêcheurs belges et néerlandais ont observé des taux de capture de sole et de plie comparables, ou même parfois plus élevés à proximité des parcs éoliens que dans l’ensemble de la zone étudiée. Souvent, les parcs éoliens offshore sont devenus un paradis pour les poissons, les crabes, les moules et d’autres espèces marines exploitables.
- Le temps nécessaire pour démanteler les génératrices éoliennes est long. Faux. Il est de quelques années et non pas de plusieurs dizaines d’années comme dans le cas des centrales nucléaires. De plus, contrairement aux centrales nucléaires les éoliennes ne laissent pas de déchets radiactifs à gérer sur de très longues périodes.
L’interconnection des réseaux électriques à l’échelle européenne voire au delà (Figure 5) permet de tempérer les différences latitudinales et temporelles d’énergie solaire ou éolienne. Contrairement à ce qui a été écrit, en hiver par exemple les régimes de temps (Figure ci-dessous) peuvent être contrastés entre Europe du Nord, du Sud, et l’Afrique du Nord, pouvant générer des contrastes de vents et donc de puissances éoliennes, d’où l’intérêt du projet SuperGrid (Figure 5).
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Figure 5. Gauche : Extension maximale du projet Supergrid reliant, à terme, les réseaux de production d’énergie renouvelable en Europe (et au-delà, en Afrique du Nord). La transmission se fait sous haute tension permettant de ne perdre que 1,6% de l’énergie transportée par 1000 km (Crédit: DESERTEC Foundation, www.desertec.org); Droite : 4 scénarios météorologiques typiques de situations hivernales montrant les contrastes en Europe et entre Europe et Afrique du nord : NAO=North Atlantic Oscillation ; BLK=Scandinavian Blockage, AR=Atlantic Ridge (Tréguer et al. 2013).
Le développement de l’énergie « chaleur » (bois, biométhane, carburants d’origine végétale) à l’echelle locale : à ne pas oublier, car il est irrationnel de vouloir multiplier les radiateurs électriques pour se chauffer. S’il n’y pas pas d’autre choix il faut au minimum utiliser une pompe à chaleur couplée à des radiateurs à eau.
2-Stocker l’énergie électrique
La décision de n’utiliser que les énergies renouvelables pour atteindre l’objectif de la neutralité carbone entraine décidément des changements de paradigmes. C’est un vrai challenge dont la soutenance infuse à tous les niveaux de la vie individuelle et collective. Je recommande vivement le documentaire « Stocker l’énergie » disponible sur Arte (7). Il démontre le foisonnement d’initiatives à l’échelle individuelle et industrielle (y compris l’utilisation des volants d’inertie, des supercondensateurs à graphène, de la pression osmotique, des batteries à flux mises au point à l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes, etc…) : bien plus positif et facile à entendre que la BD de Jancovici.
Le stockage d’énergie électrique est évidement crucial dans ce scénario « tout renouvelable » qui doit garantir en 2050 l’accès à l’énergie électrique quel que soit le scénario météorologique, y compris pour des durées de plusieurs heures à plusieurs jours. Différents dispoisitifs sont déjà en œuvre.
Tout d’abord le stockage d’électricité sous forme hydraulique via les stations de pompage (STEP) dont la capacité est de 4,5 GW en France, mais elles sont peu nombreuses. A terme il est envisagé le stockage dans des condensateurs et super condensateurs. L'usine de Markranstaedt (Estonie), ouverte en 2024, sera la plus grande d'Europe ; elle fabriquera 12 millions de cellules superconductrices par an, dont 8 millions de cellules plus petites pour les véhicules de tourisme et 4 millions de cellules plus grandes pour le transport lourd et le réseau énergétique. En France Nawa Techonologies basée à Aix en Provence, est en principe passée en 2022 à l’échelle industrielle. En attendant que l’usage des super condensateurs se développe on peut utiliser des batteries stationnaires (de grosses batteries à poste adaptées pour des ajustements au pas horaire) : la région Hauts-de-France accueillera les trois premières usines françaises de fabrication de batteries et de leurs composants : ACC (Automotive Cell Company) à Douvrin en 2023, AESC Envision à Douai en 2024 et Verkor à Dunkerque en 2025. On peut aussi utiliser des batteries des voitures électriques fonctionnant en mode inverse (https://www.france.tv/france-3/le-monde-de-jamy/ édition du 3 janvier 2023), mais cela devrait rester relativement marginal. L’inconvénient de l’usage des batteries au lithium-ion est qu’il nous rend dépendant de l’étranger tant que nous ne produirons pas de lithium.
Figure 6 : Lancement de la filière de méthanation à Fos-sur-mer (crédit : Téraga) et distribution du méthane produit à partir de l’hydrogène vert (crédit : European Power to Gas Platform)
La voie la plus intéressante, malgré son faible rendement, est celle de l’hydrogène « vert », i.e. produit par électrolyse de l’eau à partir d’électricité renouvelable (d’origine éolienne). Dans des conditions strictement surveillées, cet hydrogène est utilisable pour la production de chaleur par mélange avec du biométhane (mélange < 6% pour rester dans des normes de sécurité), ou en utilisation directe sous forme de piles à combustibles (processus inverse de l’électrolyse) qui devrait sans doute rester limité à des utilisations spécifiques car le rendement total de l’opération est faible. Si la production de méthanol à partir de l’hydrogène est déjà opérationnel, notamment sous la pression des constructeurs automobiles allemands, particulièrement prometteuse est la transformation de l’hydrogène vert en méthane (le méthane est formé par la réaction du dihydrogène avec du dioxyde de carbone en présence de catalyseurs, réaction de méthanation dite de Sabatier) alimentant les réseaux de distribution de gaz (Figure 6) et des centrales thermiques à gaz, ce qui permet de retrouver les facilités offertes par les combustibles classiques (dont l’énergie par unité de masse est nettement plus concentrée que l’hydrogène).
4-Une transition bas carbone couplée à une économomie circulaire
L’étude conduite par l’Institut National de l’Economie circulaire (INEC) (3) est particulièrement intéressante s’agissant des enjeux qu’affrontent les entreprises du monde industriel et de l’énergie dans le cadre d’une stratégie bas carbone.
Une transition bas carbone sans économie circulaire mulitiplierait par un facteur 16 la demande en métaux et minéraux, ce qui pose la question de sa faisabilité. Par contre dans le cas d’une transition bas carbone accompagnée d’une transition renforcée vers l’économie circulaire, selon cette étude notre dépendance aux importations de métaux et de minéraux est réduite d’un facteur 4, les tonnages de déchets nets sont réduits d’un facteur 2. Les gains potentiels d’une approche intégrée de la transition bas carbone circulaire sont donc évidents. Elle encourage de plus la mise en place d’un système énergétique local et décentralisé basée sur les énergies renouvelables, qui possèdent des caractéristiques variées et doivent donc avant tout être adaptées aux caractéristiques des territoires (8). Par exemple dans l’ouest de la France sont particulièment pertinentes les filières d’éoliennes terrestres et marines et la filière du biogaz (méthanisation). Dans d’autres régions plus ensoleillées sont évidemment plus adaptées les projets photovoltaïques. L’interconnexion des réseaux contribue à un monde solidaire.
Mettre en place en quelques décennies une société sobre, basée sur une économie soutenable à forte circularité, tout en développement des filières énergétiques à haute technologie, représente un enjeu exaltant pour les jeunes générations qui ont du pain sur la planche !
Références :
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RTE, Futurs Energétiques 2050 (2021)
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Le Projet Alter Breton, imprimerie du PSU Morlaix 1980.
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Stratégie Nationale Bas Carbone sous contrainte de ressources, Institut National de l’Economie Circulaire, Capgemini invent (2022).
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A. de Ravignan, Nucléaire : stop ou encore ? Les petits matins (2022)
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https://www.arte.tv/fr/videos/104830-000-A/stocker-l-energie-un-defi-technologique/
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Panorama des énergies renouvelables, étude réalisée pour GRDF (2021)