Groupe X-Démographie-Economie-Population

Exposé du mardi 14 novembre 2006

Les énergies renouvelables

par Jean-Louis Bal

Directeur des énergies renouvelables, des réseaux et des marchés énergétiques

Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie

        D’emblée Monsieur Bal situe son exposé en présentant sa première projection qui porte le titre : « Les énergies renouvelables, un des éléments de la lutte contre le changement climatique », puis il présente son agence, l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME) qui compte 850 personnes et dépend de trois ministères, Industrie, Recherche et Écologie. Le personnel est réparti entre un centre national et des centres régionaux, y compris outre-mer, les tâches de l’Agence sont triples : information des citoyens, recherche et développement, introduction de technologies nouvelles.     

            Les énergies renouvelables se classent essentiellement en deux catégories principales selon l’origine de l’énergie disponible : Celles qui tirent leur énergie du Soleil, soit directement (thermique ou électrique) soit indirectement (énergie éolienne, hydraulique, énergies des océans, biomasse) et celles qui viennent de la géothermie. Il faut mettre à part l’énergie marémotrice dont la source est la variation de l’attraction lunaire et l’énergie cinétique de rotation de la Terre.

            Ces énergies renouvelables sont pratiquement inépuisables à notre échelle (et même bien au delà), mais leur flux est limité, elles n’ont pratiquement aucun impact environnemental et n’émettent pas de gaz à effet de serre –en exploitation tout au moins (mais pas nécessairement lors de leur production). Il faut tout de même faire une réserve sur l’impact environnemental des grands barrages, même si cet impact peut être diminué par diverses mesures. Cependant, bien sûr, les énergies renouvelables ont aussi leurs défauts et, hydraulique excepté, elles sont difficiles à concentrer, sont d’une grande variabilité et ont une compétitivité économique très inégale selon les filières.  Notons tout de même la régularité des progrès vers la compétitivité.

            Quelles sont quantitativement parlant les énergies théoriquement disponibles ?

            Appelons E la consommation de l’humanité en l’année 2002, elle fut voisine de 10,8 milliards de tonnes d’équivalent pétrole. Avec cette unité nous trouvons par ordre décroissant :

                        Énergie solaire interceptée par la Terrre :    11 973     E

                        Énergie solaire arrivant jusqu’au sol :           8 380      E 

                        Cycle hydrologique (énergie hydraulique)    2 800       E

                        Vents, courants marins, houle                           26      E

                        Photosynthèse (biomasse)                                 2,8     E

                        Conduction dans les roches                              2,23    E

                        Marées océaniques                                            0,2    E

                        Convection dans les volcans et sources chaudes 0,02  E

            On constate donc la très forte prédominance – théorique – du solaire, même si la géothermie et l’énergie des marées ne sont pas négligeables à l’échelle humaine. On notera de plus, que, concernant la géothermie, ce n’est pas le flux de chaleur venant de la Terre qui est exploité, mais le stock de chaleur accumulé depuis plusieurs milliards d’années dans la croûte terrestre.

            Ces énergies renouvelables, que représentent-elles actuellement dans la consommation mondiale ? Pour l’année 2002, les pourcentages étaient les suivants :

Biomasse traditionnelle (essentiellement le bois de chauffage)	10,6 %
Énergie hydraulique	5,5  %
Nouvelles énergies renouvelables	2,3  %
Total	18,4  %

            Reconnaissons tout de même au passage que le bois de chauffage est théoriquement une énergie renouvelable, mais que, pour l’instant, certaines grandes régions du monde mangent leur capital forestier, beaucoup plus qu’elles ne le reconstituent... Même si ce n’est pas le cas en France et s’il y quand même des progrès et une prise de conscience de plus en plus répandue à ce sujet.

            Dans le détail, la répartition des énergies renouvelables  actuellement utilisées de par le monde est, par ordre décroissant :

Biomasse traditionnelle	57 %
Énergie hydraulique	30 %
Biomasse « nouvelle »	9,5 %
Géothermie	2,3 %
Énergie éolienne	0,57 %
Solaire (photovoltaïque et thermique)	0,21 %
Marémotrice      Cette dernière est essentiellement l’usine marémotrice française de la Rance...	0,06 %
.Total	100 %

         Il nous faut maintenant mesurer l’énorme écart entre les scénarios « conventionnels » de l’Observatoire de l’Énergie et ce qu’il nous faudrait faire pour faire face aux difficultés écologiques à venir.

            L’Observatoire de l’Énergie prévoit pour la France un accroissement annuel de consommation de 0,8 % par an sur la période 2000-2030. Les postes essentiels sont et resteront le pétrole, le nucléaire et l’énergie hydraulique, tous les trois sensiblement constants ;  mais la part du gaz progresse régulièrement pour atteindre environ 20 % en 2030 et dépasser l’énergie hydraulique. Le charbon restera peu utilisé mais progressera tout de même un peu ; l’énergie renouvelable thermique et l’énergie éolienne resteront marginales quoique en progression sensible. 

            A côté de ces prévisions « traditionnelles » que nous faut-il envisager ? Il faut, d’ici 2050, diviser par quatre les émissions de gaz à effet de serre, il faut « décarboner » la croissance dans tous les pays développés et dans les pays émergents... C’est bien sûr un défi colossal qui coûtera très cher, mais l’ignorer coûterait en définitive beaucoup plus cher.

            Pour affronter ce défi nous disposons de cinq moyens d’actions majeurs :

                        Les énergies renouvelables

                        L’énergie nucléaire

                        La capture et la séquestration du CO₂

                        La maîtrise de la consommation et les économies d’énergies

                        Un changement général de comportement et de mentalité.       

            Abordons maintenant cette question des gaz à effet de serre.

            Sur la période 1990-2010 on estime que la progression des émissions en France sera de l’ordre de 10 %, malgré les efforts de nombreux secteurs. 

            Les chiffres en millions de tonnes de gaz carbonique (et équivalent pour les autres gaz) sont les suivants :

            Secteur            1990                2001                2010                Rapport 2010/1990

            Transport         121,5             147,7                175                        + 44 %

            Bâtiment           89,5               105,6                117                        + 30 %

            Énergie             80,6                 67,7                 88                          + 9 %         

            Industrie          141,2              117,1               118                         -16 %

            Agriculture      116,1                109,5              108                       -7 %

            Déchets            15,9                  15,0                 13                      -18 %

            Total                564,7               561,4              619                      +9,6 %

            On constatera l’évolution étonnante du secteur énergie, qui progresse puis régresse, et l’importance très lourde et décisive du secteur des transports, de loin le plus grave et le plus en croissance. Nous sommes encore bien loin de la maîtrise dans ce domaine !

Que peuvent les énergies renouvelables pour aider à cette maîtrise ? Du côté des carburants utilisables dans les transports nous avons le diester, l’éthanol et les huiles brutes.

L’éthanol commence à être utilisé en grandes quantités dans certains pays comme le Brésil ; les biocarburants devraient pouvoir être développés en Europe en profitant des surfaces agricoles importantes actuellement laissées périodiquement en jachère.

            Pour le chauffage nous avons principalement le bois (biomasse traditionnelle), le solaire thermique, l’utilisation des déchets et la géothermie. Enfin le troisième usage efficace des énergies renouvelables est la production d’électricité (énergie hydraulique, éolienne, solaire photovoltaïque, biomasse, géothermie profonde).

            La géothermie profonde convient aussi très bien pour le chauffage, à condition qu’existe une nappe appropriée, ce qui est le cas en Ile de France où l’on rencontre une nappe aquifère à 80° , entre 1500 et 2000 mètres de profondeur.

            Intéressons nous maintenant à ce qui se passe dans notre pays, et à la répartition des différentes énergies renouvelables selon les trois usages principaux.

Bilan des énergies renouvelables en France et en 2005 :

                                    Carburant                     Électricité                                Chauffage           

                                    Ktep                  GWh       Pourcentage              Ktep        Pourcentage

Hydraulique                                              53 210             91,4

Éolien                                                             985             1,7

Solaire                                                              35            0,06                 39                   0,37               

Géothermie                                                      95             0,16                130                  1,25

Pompes de chaleur                                                                                     361                  3,5

Déchets urbains solides                                1 360              2,8                   351                  3,4

Bois et déchets de bois                                1 358               2,3               8 738                84,36

Résidus de récoltes                                         415               0,7                  207                  2,0

Biogaz                                                            462               0,8                    56                  0,54

Biocarburants                   476

Total                                 476                  58190                  100               10 358               100

Pourcentage sur la consommation

française totale                   1 %                                             11 %                                       19 %

            On constatera que les deux postes principaux sont, de loin, l’énergie hydraulique et le chauffage au bois : nous avons encore du pain sur la planche ! (Une Ktep = 11,25 GWh, mais il faut aussi tenir compte des rendements).

            La biomasse est la seule énergie renouvelable qui puisse satisfaire les trois usages énergétiques, mais bien sûr ces trois usages sont en concurrence avec d’autres qui sont prioritaires : la biomasse sert à l’alimentation et le bois est aussi une excellente matière première pour toutes sortes d’objets. Ces usages prioritaires satisfait il reste que la biomasse est une ressource nationale estimée à 40 Mtep annuelles, ce qui représenterait 15 % de la consommation nationale en énergie primaire ou 30 % de la consommation de carburants routiers ou encore 75 % des besoins de chauffage.

            Il y a bien entendu une hiérarchisation à faire entre les différents usages énergétiques, la priorité devant être accordée à la production de carburant, puis vient le chauffage et enfin la production d’électricité (mais uniquement en cogénération, c’est à dire en production simultanée d’électricité et de chaleur, sans quoi le rendement trop faible, 20%, correspond à un gaspillage d’une ressource limitée).

            Quel potentiel peut-on escompter en France pour les biocarburants ?

            Il y a 18 millions d’hectares cultivables dont – alternativement - 1,5 million sont laissé en jachère et 4 millions d’hectares utilisés pour des cultures d’exportations subventionnées. En utilisant 3,5 millions d’hectares on pourrait obtenir 5 Mtep de carburants dérivés de l’agriculture alimentaire, soit 10 % de la consommation actuelle. On pourrait aussi obtenir des carburants de seconde génération avec la plante entière et la lignocellulose, cela pourrait fournir 5 à 7 Mtep supplémentaire. Le potentiel total représente donc 20 à 24 % de la consommation actuelle, mais bien sûr celle-ci risque d’augmenter dans les années qui viennent.

            Les perspectives sont plus souriantes en ce qui concerne le chauffage solaire (et la climatisation). Divers prototypes existent déjà, dont des maisons entièrement autochauffées et autoclimatisées. L’orateur présente la photo d’une longue maison de quatre appartements côte à côte, ayant réalisé cette performance – avec il est vrai une isolation perfectionnée et des fenêtres spéciales – cette maison est construite en Suède, dans la région de Göteborg, elle chauffe encore à 22° quand la température extérieure est de -20°. Plus modestement, avec une quinzaine de mètres carrées de panneaux solaires orientés au sud et un réservoir (~ 800 litres) de stockage d’eau chaude bien calorifugé, des maisons de grandes séries peuvent économiser jusqu’à un tiers des besoins de chauffage des locaux et deux tiers des besoins de chauffage de l’eau sanitaire, soit au total 46 % des besoins totaux d’une maison ordinaire de type RT 2000.  

Question d’un auditeur : Ce type de construction est-il beaucoup plus cher que les constructions  classiques ?

Réponses : Oui c’est plus cher mais peu, de l’ordre de 5 à 10 % , dépense qui est rapidement récupérée sur les économies d’énergie.

            Venons en au bois source d’énergie. C’est encore la première énergie renouvelable de France, devant l’énergie hydraulique, elle couvre 15,7 % des besoins de chauffage (pour neuf dixièmes dans des maisons individuelles).

            Dans les logements collectifs et ceux du tertiaire ou de l’industrie le parc est récent, les chaufferies ont un très bon rendement et peu d’émissions polluantes, il n’en est malheureusement pas de même dans la plupart des logements individuels, les rendements y sont médiocres et ce secteur est responsables de beaucoup d’émissions nocives (oxyde de carbone, composés organiques volatils).

            Pour remédier à cette situation des crédits d’impôts sont accordés pour les améliorations d’équipements (430 000 équipements vendus en 2005) et l’on espère pouvoir aboutir à la comparaison suivante :

                                    Bois énergie dans l’habitat individuel   

2001                                    2020    

Maisons individuelles                        5,4 millions                            6,2 millions

Parc immobilier total                          13 millions                             16 millions

Besoins thermiques couverts               20 % bois                               20 % bois

Bois consommés                               30 millions de m³                  16 millions de m³

                                                                                   (14 millions libérés pour usage carburant)

CO₂  évité                                       7,8 millions de tonnes             9,8 millions de tonnes

            Précisons que l’accroissement forestier français actuel est de 90 millions de m³ par an.

            Voici maintenant un schéma d’exploitation géothermique en milieu urbain. Celui-ci est par forage profond (1500 à 2000 m) et circulation d’eau. L’eau extraite est réinjectée à environ 1 km car elle est inutilisable à d’autres fins, étant beaucoup trop chargée en divers sels, de plus il vaut mieux ne pas trop perturber la nappe aquifère locale.

            On estime que les ressources sur nappe aquifère pourraient procurer 200 Mtep soit 4 fois la consommation française annuelle totale pour le chauffage (Attention il s’agit d’un stock et non d’un flux). Mais la principale source géothermique se situe dans les sols et les roches profondes sèches chaudes et fracturées où à 5000 m de profondeur la température atteint parfois 200°. Reconnaissons toutefois que cette ressource est très inégalement répartie comme le montre cette carte d’Europe avec les températures à 5000 mètres de profondeur, la France, surtout dans sa moitié Est, est relativement bien pourvue. Cette énergie géothermique serait exploitable par des pompes à chaleur dites « géothermales », à capteurs enterrés dans le sol (rendement de l’ordre de 3), ou encore par des forages profonds à circulation d’eau.

            La géothermie à grande profondeur est encore au stade expérimental, mais les progrès sont encourageants.

            Bien entendu les besoins de chauffage peuvent aussi être fortement réduits par une meilleure isolation des bâtiments et l’on espère gagner de ce côté un facteur 2 d’ici 2050, mais il ne faut pas espérer beaucoup plus car le renouvellement du parc immobilier est très lent et 60 % des bâtiments de 2050 existent déjà aujourd’hui...

            Je voudrai terminer par la production d’électricité par l’intermédiaire des énergies renouvelables.

            Voici tout d’abord la situation française de 2004 :

               Thermique nucléaire :                                              79 %     │  Puissance moyenne :

               Thermique fossile (pétrole, charbon, gaz)               10 %      │60 000 Mégawatts, soit

               Hydraulique                                                             10 %    │une production annuelle

               Autres énergies renouvelables (éolien, biomasse)     1 %       │de 500 TWh

(1 TWh =  1000 GWh = 1 000 000 MWh = 10¹² wattheures = 3600 10¹² joules ).

            On constate qu’actuellement la part des énergies renouvelables diminue, elle était de 17 % en 1992. Cela tient au plafonnement de l’énergie hydraulique : tous les sites intéressants sont équipés, tandis que la consommation et donc la production continuent d’augmenter. Cependant n’oublions pas que cette énergie hydraulique a l’avantage d’une exceptionnelle maniabilité (sauf pour les centrales au fil de l’eau), elle permet même de faire du stockage d’énergie et au besoin de turbiner de l’eau pour la remonter dans les lacs de barrage. Elle est donc utile au plus haut point pour l’équilibre demande-offre.

            L’énergie éolienne possède une capacité théorique de production de 150 TWh par an, et plus réaliste de 25 à 75 TWh par an, mais elle est très inégalement répartie et soumise à de fortes fluctuations difficilement prévisibles de plus, malheureusement, il n’y a plus beaucoup de vent précisément dans les périodes de grand froid. On peut estimer que ces fluctuations ne seront pas trop gênantes tant que l’énergie éolienne ne dépassera pas 15 % de la production. Ajoutons, pour être complet, que son acceptabilité sociale est très variable et parfois médiocre.

            Enfin nous avons déjà parlé un peu du solaire photovoltaïque. 10 m² bien ensoleillés fournissent une puissance de 1kW et, en France métropolitaine, on peut escompter environ 1000 heures productives par an. Il faut donc 25 m² pour fournir les 2500 kW de la consommation d’un ménage moyen, mais bien sûr cela n’est pas toujours au bon moment. Les perspectives sont bien meilleures en ce qui concerne la climatisation dans les départements et territoires d’outre-mer.

            Reconnaissons que le photovoltaïque reste cher, et malgré des progrès continus, il ne sera pas compétitif en France avant 2015, 2025, il restera longtemps marginal.

            L’orateur termine son exposé par la présentation d’une photo du lycée de Grésivaudan, près de Grenoble, avec ses vastes panneaux solaires de silicium.

Conclusions

           Conjugué aux efforts d’économie et de maîtrise de l’énergie, le potentiel des énergies renouvelables est immense.

A court terme les progrès les plus prometteurs seront ceux sur les biocarburants dérivés de l’agriculture alimentaire, le solaire et la géothermie pour les usages thermiques, les applications modernes de la biomasse.

A moyen ou long terme viendront la géothermie profonde, la production de grandes quantités d’électricité éolienne, à terre et en mer, le photovoltaïque et l’augmentation de la production de biocarburants grâce aux ressources ligno-cellulosiques.

Cependant les nécessités de recherche et développement sont très importantes et il nous faudra apprendre à gérer des sources d’énergie intermittentes.

            Il faudra bien sûr que la société s’adapte à toutes ces nouveautés, ce qui   suppose une réglementation adaptée, des nouveaux métiers à faire apparaître et sans doute une révolution des mentalités. Tout cela demandera quand même beaucoup de temps.

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Questions

            La géothermie est-elle vraiment pérenne ? A renvoyer de l’eau refroidie dans le sol ne va t’on refroidir la nappe phréatique elle-même ?

Les expériences grandeur nature faites jusqu’ici pour le chauffage urbain ne montrent aucun abaissement de la température de l’eau extraite malgré l’importance des débits. De toute façon, si vraiment cela s’avère un jour nécessaire, il ne sera pas difficile de faire un nouveau forage quelques kilomètres plus loin. La source d’énergie est très supérieure aux besoins.

L’énergie éolienne soulève des critiques féroces : bruyante, fluctuante, peu prévisible, qu’en pensez-vous ?

Il ne faut pas exagérer le bruit des éoliennes : il est de l’ordre du bruit du vent dans les branches d’arbre – mais nous n’y sommes pas encore habitués – quant aux fluctuations, elles sont peu gênantes tant que l’énergie éolienne représente moins de 3 % de la production d’électricité et elles diminueront beaucoup par la suite quand le parc éolien deviendra très diversifié.

Je vous recommande de consulter le site <www.suivi-eolien.fr>

Quel est le rendement des opérations de turbinage pour remonter l’eau des barrages et la réutiliser à nouveau ?

            Le rendement total, remontée puis redescente, est de l’ordre de 70 % , c’est donc très intéressant si l’on compare cela aux variations de prix de l’électricité aux heures de pointe.

Quelle est au total la production d’énergie primaire en France ?

Elle est de 275 Mtep par an, mais, compte-tenu des divers rendements, on ne dispose au final que de 170 Mtep. Quand à la puissance électrique maximale, elle est de l’ordre de 90 GW pour 60 GW de puissance moyenne.

Que pensez-vous de la fin du pétrole et du moteur à hydrogène ?

            La fin du pétrole sera progressive avec une longue hausse correspondante de son prix. Il est possible que l’on puisse convertir le charbon en carburant liquide à un prix raisonnable, mais en ce qui concerne le moteur à hydrogène on se heurte à beaucoup de difficultés et il y a encore là un grand domaine de recherche et développement.

Quel est le prix de revient actuel de l’électricité ?

Pour le nucléaire il est de 35 euros par MWh si la production dépasse 6000 heures par an, il est de 50 à 60 euros pour les centrales au gaz et  65 pour la production éolienne (le prix de vente est de l’éolien est de 70 à 82 euros par MWh ). Par comparaison le prix de revient du MWh photovoltaïque est de 300 à 500 euros : il y a un facteur  cinq à dix à gagner.

            Notons au passage que la production allemande est à 30 % nucléaire seulement et qu’il faut six mois d’exploitation pour qu’une éolienne rembourse la dette énergétique de sa construction. En ce qui concerne les panneaux photovoltaïques le même remboursement demande entre 1,5 et 3 ans mais il est vrai que ces panneaux fonctionnent vingt cinq ans avec seulement une perte de dix pour cent de leur rendement nominal.

            Le rendement des panneaux photovoltaïques était encore de 10 % en 1990, on arrive à 15 % aujourd’hui.

Les 40 Mtep fournis par la biomasse, le sont-ils compte tenu de l’énergie nécessaire pour les produire ?

            Oui, il s’agit bien sûr d’un bilan global.

Que pensez-vous des moyens fiscaux pour faire progresser les énergies renouvelables ?

            Les incitations et les pénalisations fiscales ont prouvé leur efficacité, en particulier pour les isolations thermiques et les améliorations des équipements de chauffage. Nous avons vu, par exemple, qu’il y a eu 430 000 équipements de chauffage au bois vendus en 2005, contre 350 000 en 2004, et 14 000 chauffe-eau solaires contre 8000 en 2004.

            Y a t-il coopération entre votre agence et les pays du tiers monde ?

Oui, surtout avec le Maghreb et nous avons aussi des coopérations particulières avec les zones non raccordées aux réseaux électriques.

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