ENERGIE RENOUVELABLE

Bois énergie 

Le bois énergie est encore et toujours, dans le public, associé avec le chauffage au bois dans les campagnes et à la cheminée à l’âtre dans les résidences secondaires. Pour les plus anciens, ce sont les gazogènes sur les véhicules pendant l’Occupation, au début des années 1940. Les deux chocs pétroliers de 1973 et 1979 ont pourtant, surtout pour le second, généré une activité foisonnante en recherche et développement, sur de nouveaux procédés ou des procédés anciens mis au goût du jour, pendant les années 1980.

Malheureusement dans notre pays et contrairement à la plupart des pays européens, ces efforts se sont arrêtés à cause de la baisse du prix du pétrole. C’est seulement depuis quelques années que la prise de conscience de l’effet de serre fait ressurgir la nécessité de s’intéresser au bois énergie, principalement sous sa forme chauffage au bois, mais aussi sous des formes plus évoluées, gazéification en particulier, qui ont toutes été développées au cours des années 1980.

Dans cet article, nous passons en revue les différents procédés de valorisation énergétique du bois, qui sont en fait très nombreux et pour la plupart opérationnels avec un minimum d’efforts et de moyens financiers. Mais la constance dans l’effort doit être recommandée si on ne veut pas réinventer l’eau chaude chaque fois qu’il y a une situation de crise. Malheureusement ou heureusement, l’effet de serre va nous obliger à être constants si on veut limiter les dégagements de CO₂ .

Il faut cependant être réaliste, le bois est une matière première diffuse qui va nécessiter des procédés de valorisation énergétique de taille raisonnable, pour une production d’énergie de complément.

Électricité photovoltaïque – Principes

La production d'électricité d'origine photovoltaïque, basée sur la conversion de la lumière du soleil, est en pleine expansion depuis deux décennies. Sa part dans le bouquet énergétique mondial de 2050 sera certainement importante compte tenu de la pénurie et/ou de la pollution des autres ressources.

Ce premier dossier [BE 8 578v2], consacré à la production d'électricité par conversion de la lumière du soleil à l'aide de cellules solaires, permet de donner au lecteur un minimum de connaissances des principes de la conversion photovoltaïque, incluant des notions relatives à l'énergie transmise par le soleil, ainsi que quelques éléments de physique des semi-conducteurs et des principaux mécanismes de transport des charges électriques. La connaissance des caractéristiques électriques fondamentales (tension, courant et rendement de conversion) du dispositif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant (convertisseur lumière-électricité) sont nécessaires pour une évaluation rapide du dimensionnement d'une installation photovoltaïque.

Dans le dossier suivant [BE 8 579v2] les différentes filières d'élaboration du dispositif photovoltaïque de la cellule classique (à base de silicium massif) aux couches minces sont abordées ainsi que les potentialités d'autres matériaux semi-conducteurs binaires ou ternaires et organiques.

Électricité photovoltaïque - Matériaux et marchés

Ces principes incluent les notions relatives à l'énergie transmise par le soleil, les éléments de physique des semiconducteurs, les mécanismes de conduction de charges électriques, les caractéristiques électriques fondamentales du dispositif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant. Une application pratique donne une évaluation rapide du dimensionnement d'une installation photovoltaïque.

Ce dossier [BE 8 579] s'intéresse aux différentes filières d'élaboration du dispositif photovoltaïque avec en revue les matériaux potentiels et les technologies associés. Le procédé de fabrication du composant photovoltaïque est associé au semiconducteur utilisé mais des verrous technologiques, d'ordre technologiques et d'ordre écologiques, restent encore à lever. En effet, si la cellule photovoltaïque produit de l'électricité sans aucun rejet dans l'atmosphère, beaucoup de procédés actuels de fabrication sont proches de ceux de la microélectronique et mettent en jeu trop d'opérations qui nécessitent l'usage de produits chimiques et de gaz extrêmement toxiques. Les prévisions optimistes prédisent qu'avant la fin de la première moitié de ce siècle, la conversion directe de la lumière du soleil en électricité grâce au photovoltaïque (PV) devrait franchir le seuil qui le rendra compétitif par rapport aux autres sources de production d'électricité.

Fours solaires

Les fours solaires sont des outils uniques de recherche dans le domaine des hautes températures (matériaux et procédés).

Ce dossier présente les éléments d'optique définissant les caractéristiques du flux solaire concentré au foyer d'un four solaire. Il définit aussi la problématique de la mesure des températures, en présence de perturbations liées au rayonnement réfléchi. Y seront ensuite détaillées les caractéristiques des fours solaires européens.

La dernière partie est consacrée à une revue de leurs applications dans les divers domaines scientifiques et technologiques, allant de l'élaboration des matériaux à la production d'hydrogène.

Centrales solaires thermodynamiques

Les centrales solaires thermodynamiques recouvrent l'ensemble des techniques qui visent à transformer l'énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée, puis à convertir cette chaleur en énergie mécanique et électrique au moyen d'un cycle thermodynamique moteur couplé à une génératrice électrique. La première étape, la captation du rayonnement solaire, fait appel à des systèmes optiques. Les systèmes sans concentration captent les composantes directe et diffuse du rayonnement et produisent la chaleur à un niveau de température inférieur à 250 ˚C, pour une utilisation en chauffage et climatisation de bâtiments ou sous forme de chaleur industrielle pour alimenter des procédés thermiques. Il faut inscrire dans cette catégorie les tours (ou cheminées) solaires qui sont des centrales thermodynamiques sans concentration. À cette dernière exception près, les centrales solaires thermodynamiques mettent en œuvre des systèmes concentrateurs, qui permettent de produire la chaleur à une température supérieure à 250 ˚C avec d'excellents rendements thermiques, supérieurs à 70 %. Notons toutefois que ces systèmes ne captent que la composante directe du rayonnement solaire. La chaleur solaire transférée dans l'absorbeur au fluide caloporteur peut être stockée de manière fugitive pour s'affranchir des passages nuageux, ou sur des périodes de quelques heures pour décaler l'utilisation en dehors des plages ensoleillées de la journée. L'hybridation avec une source de chaleur fossile ou biomasse permet d'accroître la disponibilité des installations et de produire la chaleur de manière garantie. Cette chaleur est convertie en électricité par des cycles thermodynamiques, bien maîtrisés par l'industrie de la production électrique. Selon les machines utilisées et les cycles mis en œuvre, les rendements de conversion varient de 23 % à plus de 50 % pour les cycles combinés. Au final, le rendement instantané de conversion solaire-électricité est compris entre 20 % et 30 % selon la taille du groupe et le cycle utilisé. En moyenne annuelle, le rendement net de production d'énergie électrique se situe entre 10 % et 20 % selon la technologie mise en œuvre. Selon les estimations du GEF (Global Environment Facility [16]), le coût d'investissement est évalué entre 2 800 e/kW_e (centrale de 20 – 80 MW_e à collecteurs cylindro-paraboliques et cycle de Rankine) et 4 000 e/kW_e (centrale à tour de 40 à 200 MW_e avec cycle combiné), et il atteint 14 000 e/kW_e pour une unité décentralisée de type parabole-Stirling de 10 à 25 kW_e. Selon les mêmes sources, le coût de l'électricité produite dans des conditions favorables – c'est-à-dire sous un ensoleillement supérieur à 2 000 kWh/(m².an) – se situe dans la fourchette 0,16 à 0,24 e/kWh_e pour une grosse centrale et de l'ordre de 0,30 e/kWh_e pour une parabole-Stirling (on citera à titre comparatif ≈ 0,04 e/kW_e pour les centrales nucléaires).

L'impact environnemental constitue aujourd'hui un critère de choix important dans la sélection de technologies concurrentes. Avec un taux d'émission estimé inférieur à 20 kg CO₂/MWh_e, l'électricité solaire thermodynamique se situe de ce point de vue au même niveau que l'électricité d'origine hydraulique (4 kg CO₂/MWh_e) ou nucléaire (6 kg CO₂/MWh_e), et sans commune mesure avec l'électricité photovoltaïque (100 kg CO₂/MWh_e) ou encore l'électricité issue de la combustion du charbon (900 kg CO₂/MWh_e). Les chiffres indiqués ici tiennent compte des émissions liées à la construction des centrales et le cas échéant à l'extraction des combustibles. Comparé aux technologies conventionnelles de production de chaleur (hors nucléaire), chaque mètre carré de collecteur installé sous un ensoleillement de 2 000 kWh/(m².an) évite l'émission de 250 à 400 kg de CO₂ par an.

Le temps de retour énergétique (durée d'exploitation d'une installation nécessaire pour produire l'énergie nécessaire à sa fabrication) des installations solaires à concentration n'est que de 5 mois [17]. Leur durée de vie est estimée à 25 – 30 ans, et une partie des composants en fin de vie est réutilisable (acier, verre).

Dans ce dossier, nous dressons l'état des lieux des technologies mises en œuvre dans les centrales solaires. Nous détaillons leurs composants essentiels en discutant leurs critères de sélection et de dimensionnement.

Aménagements hydroélectriques

L'énergie potentielle renouvelée chaque année en altitude dans les eaux intérieures (cours d'eau, neige et glaciers) est évaluée au niveau mondial à environ 40 000 TWh par an, dont un gros tiers (environ 14 000 TWh) est exploitable avec les techniques qui sont actuellement disponibles. Dans les conditions économiques du début du XXI^e siècle, 8 700 TWh sont considérés comme exploitables de façon rentable, au regard des autres énergies. Ce sont 3 000 TWh d'énergie hydroélectrique qui sont effectivement produits chaque année, ce qui représente quelque 16 % de la production totale d'électricité dans le Monde. En Europe, les aménagements hydroélectriques pourvoient à 99 % des besoins en électricité de la Norvège, à 12 % de ceux de la France. En France, le troisième quart du XX^e siècle a vu l'aménagement de la quasi-totalité des ressources hydroélectriques économiquement exploitables. Mais au niveau mondial, il y a encore un gisement annuel d'hydroélectricité de l'ordre de 5 700 TWh qu'il est rentable d'aménager, surtout en Afrique, en Asie, et en Amérique Latine. Ce gisement peut même se révéler beaucoup plus grand si l'on se projette dans un futur où les tensions sur les ressources d'énergie primaire seront plus grandes, où les prix des combustibles fossiles seront plus élevés et où il faudra limiter encore plus les rejets de CO₂ . De plus, l'énergie hydraulique représente une énergie renouvelable qui est non seulement régulière et prévisible, mais qui peut permettre d'adapter heure par heure la production au besoin, ou de compenser l'intermittence des autres énergies renouvelables, pour peu que l'on dispose de réservoirs suffisants en altitude. Son développement nécessite de prendre en compte les aspects environnementaux, la sûreté des personnes et des biens. Lesaménagements hydroélectriques sont des ensembles parfois très complexes qui intègrent de nombreuses techniques.


 A SUIVRE.......