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On peut définir une énergie renouvelable comme étant une source d'énergie dont le gisement ne risque pas de s'épuiser à l'échelle de l'humanité. Néanmoins, cette définition manque de
rigueur, dans le sens qu'elle dépend de l'avancement technique et de la situation démographique de l'humanité. Ainsi, au Moyen Âge, ou même au milieu du XIXe siècle, le pétrole aurait pu être considéré comme une énergie
renouvelable, car l'humanité en utilisait si peu, qu'il y en aurait eu assez pour des millénaires.
De manière plus rigoureuse, on peut définir une énergie renouvelable comme étant une source d'énergie dont l'utilisation actuelle ne modifie en rien sa disponibilité future. Mais là encore, la définition manque de rigueur en un point : où situe-t-on la source de l'énergie ? Considère-t-on le vent comme une source d'énergie, ou remonte-t-on plus haut, jusqu'au soleil, comme source de l'énergie produisant le vent ?
En général, on retient la première définition, pour des raisons pratiques. Ainsi, on peut considérer, dans l'état actuel de leur utilisation, les sources suivantes d'énergie comme étant renouvelables:
A contrario, les combustibles fossiles et la fission nucléaire n'en font pas partie puisque les gisements connus de ces formes d'énergie sont voués à disparaître plus ou moins rapidement.
La plupart des formes renouvelables d'énergie, autres que géothermique et marémotrice, sont en fait de l'énergie solaire stockée. L'énergie hydraulique et l'énergie éolienne représentent un stockage solaire à très court terme, alors que la biomasse représente un stockage à plus long terme, mais toujours à une échelle de temps humaine, donc renouvelable à cette échelle. Les combustibles fossiles sont également de l'énergie solaire stockée, mais dont l'accumulation a pris plusieurs millions d'années ; elle ne rentre donc pas dans la définition de l'énergie renouvelable.
Des ressources énergétiques renouvelables peuvent être employées directement comme sources d'énergie, ou être transformées en d'autres formes d'énergie. Des exemples d'une utilisation directe sont les fours solaires, les pompes à chaleur géothermiques, et les moulins à vent mécaniques. Des exemples d'une utilisation indirecte, passant par d'autres formes d'énergie, sont la production d'électricité par des éoliennes ou des cellules photovoltaïques, ou la production de carburants tels que l'éthanol issu de la biomasse (Voir biocarburant)...
Les sources d'énergie renouvelables sont fondamentalement différentes des combustibles fossiles ou des centrales nucléaires en raison de leur diversité et de leur abondance. On estime que le soleil alimentera ces sources d'énergie (le rayonnement solaire, le vent, la pluie, etc) pendant les quatre milliards d'années à venir. Le premier avantage d'un grand nombre de sources d'énergie renouvelables est qu'elles ne produisent pas de gaz à effet de serre ni d'autres émissions, contrairement aux combustibles fossiles. Quelques sources renouvelables n'émettent aucun gaz carbonique additionnel et ne présentent aucun risque supplémentaire, tel que le risque nucléaire. En fait, la biomasse stocke activement le gaz carbonique tout en croissant.
Un inconvénient évident des énergies renouvelables est leur impact visuel sur l'environnement local. Certains détestent l'esthétique des éoliennes ou évoquent la conservation de la nature quand ils parlent des grandes installations solaires électriques en dehors des villes. D'autres essayent d'utiliser ces technologies d'une manière efficace et satisfaisante esthétiquement : les capteurs solaires fixes peuvent doubler les barrières anti-bruit le long des autoroutes, les toits sont disponibles et pourraient même être remplacés totalement par des capteurs solaires, des cellules photovoltaïques amorphes peuvent être employées pour teinter les fenêtres et produire l'énergie, etc. Cependant, tout le monde s'accorde à trouver du charme aux « vieux moulins à vent » qui à leur époque, représentaient pourtant le fleuron de la technologie disponible.
Quelques systèmes d'énergie renouvelable engendrent des problèmes écologiques particuliers. Ainsi, les éoliennes peuvent être dangereuses pour les oiseaux, alors que les barrages hydroélectriques créent des obstacles pour les poissons migrateurs -- un problème sérieux dans les fleuves du nord-ouest de l'Amérique du Nord se jetant dans l'océan Pacifique où la population des saumons a été réduite de manière importante.
Une autre difficulté inhérente aux énergies renouvelables est leur nature diffuse et leur irrégularité (à l'exception de l'énergie géothermique, qui n'est cependant accessible que là où la croûte terrestre est mince, comme les sources chaudes et les geysers). Puisque les sources d'énergie renouvelable fournissent une énergie d'une intensité relativement faible répartie sur de grandes surfaces, de nouveaux genres de « centrales » sont nécessaires pour les convertir en sources utilisables. Pour mieux comprendre la « faible intensité sur de grandes surfaces », il convient de noter que pour produire 1 000 kWh d'électricité par an (consommation annuelle par habitant dans les pays occidentaux), le propriétaire d'une habitation en Europe nuageuse doit installer huit mètres carrés de panneaux solaires (en supposant une efficacité énergétique moyenne de 12,5 %). La production d'électricité permanente exige des sources d'alimentation fiables ou des moyens de stockage (systèmes hydrauliques d'emmagasinage par pompe, batteries, futures pile à combustible à hydrogène, etc.). Ainsi, en raison du coût élevé du stockage de l'énergie, un petit système autonome est rarement économique, sauf en situation isolée, lorsque le raccordement à un réseau d'énergie impliquerait des coûts plus élevés.
La diversité géographique des ressources est également significative. Certains pays et certaines régions disposent de ressources sensiblement meilleures que d'autres, en particulier dans les secteurs de l'énergie renouvelable. Certaines nations disposent de ressources importantes à proximité des centres principaux d'habitations où la demande d'électricité est forte. L'utilisation de telles ressources à grande échelle demande cependant des investissements considérables dans les réseaux de transformation et de distribution, ainsi que dans la production elle-même.
Si la production et la distribution d'énergie renouvelable devaient se généraliser, les systèmes de distribution et de transformation d'énergie électrique ne seraient plus les grands distributeurs d'énergie électrique, mais fonctionneraient pour équilibrer localement les besoins de l'électricité des petites communautés. Celles qui ont de l'énergie en surplus en vendraient aux secteurs déficitaires, c'est-à-dire que l'exploitation du réseau devrait passer d'une « gestion passive » -- où des générateurs sont connectés et le système actionné pour obtenir l'électricité « descendant » vers le consommateur -- à une gestion « active », où des générateurs sont répartis dans le réseau, les entrées et sorties devant être constamment surveillées, pour assurer l'équilibre local du système. Cela exigerait des changements importants dans la manière de gérer les réseaux.
Cependant, à petite échelle, l'utilisation de l'énergie renouvelable, qui peut souvent être produite « sur place », diminue les appels aux systèmes de distribution de l'électricité. Les systèmes courants, rarement économiquement rentables, ont révélé qu'un ménage moyen disposant d'un système solaire avec du stockage d'énergie, et de panneaux de la bonne taille, n'a besoin de recourir à des sources d'électricité extérieures que quelques heures par semaine. Par conséquent, les avocats de l'énergie renouvelable pensent que les systèmes de distribution d'électricité devraient être moins importants et plus faciles à maîtriser, plutôt que le contraire.
La source d'énergie originale pour toute l'activité humaine était le soleil par l'intermédiaire des plantes. L'application humaine principale de l'énergie solaire, dans la majeure partie de son histoire, a ainsi été l'agriculture et sylviculture, par l'intermédiaire de la photosynthèse.
Les feux de bois sont la première source d'énergie maîtrisée dans l'histoire humaine, en utilisant comme source d'énergie thermique la combustion.
La force motrice pour les véhicules et des dispositifs mécaniques a été à l'origine produite par la traction animale. Des animaux tels les chevaux et les bœufs ont non seulement fourni le transport, le travail de la terre, mais ont également actionné les moulins. Les animaux sont toujours utilisés de manière intensive à cet effet dans beaucoup de régions du monde.
La force animale pour les moulins a été, par la suite, supplantée par l'énergie hydraulique, partout où elle était exploitable. L'utilisation directe de l'énergie hydraulique, dans un but mécanique, est aujourd'hui assez rare, bien qu'on y ait encore recours. À l'origine, l'énergie hydraulique était la source la plus importante de production électrique (hydroélectricité); elle en est toujours une source importante actuellement. Dans la plus grande partie de l'histoire de la technologie humaine, l'hydroélectricité a été la seule source renouvelable de production d'électricité couramment utilisée.
La puissance du vent est employée depuis plusieurs centaines d'années. Elle a été à l'origine employée par l'intermédiaire de grands moulins à vent avec des pales en forme de voile, à surface variable, comme ceux vus aux Pays-Bas et mentionnés dans Don Quichotte. Ces grands moulins pompaient l'eau ou actionnaient de petits moulins. Les éoliennes plus récentes sont plus petites, tournent plus rapidement, des unités plus compactes avec plus de pales, comme celles vues dans les grandes plaines des États-Unis. Elles servent essentiellement à pomper l'eau des puits. Plus récent est le développement des fermes d'éoliennes par des entreprises traditionnelles du secteur énergétique, utilisant une nouvelle génération de grandes éoliennes, pouvant fonctionner par vent fort avec deux ou trois immenses pales, tournant relativement lentement.
L'énergie solaire comme source d'énergie directe n'a été utilisée comme source mécanique que dans l'histoire humaine récente, mais a été utilisée comme source d'énergie par l'architecture dans certaines sociétés, pendant de nombreux siècles. Jusqu'à ce que le XXe siècle explore intensivement le solaire direct dans l'architecture, plus soigneusement étudié (solaire passif), ou par l'intermédiaire de la capture de chaleur dans les systèmes mécaniques (solaire actif) ou la conversion électrique (photovoltaïque). De plus en plus aujourd'hui le soleil est éprouvé pour la chaleur et l'électricité.
L'énergie renouvelable comme débouché était pratiquement ignoré avant le milieu du XXe siècle. Il y a eu des expériences avec de l'énergie solaire passive, y compris la lumière du jour, dans le début du XXe siècle; ce qui est proposé aujourd'hui aura beaucoup d'importance durant des centaines d'années. Le mouvement d'énergie renouvelable a gagné en conscience, en crédibilité et en force avec le bourgeonnement de l'intérêt pour les problèmes environnementaux dans le milieu du XXe siècle, qui était en grande partie dû au « Silent Spring » de Rachel Carson.
Le premier homme politique des États-Unis à se concentrer de manière significative sur l'énergie solaire a été Jimmy Carter, en réponse aux conséquences à long terme de la crise énergétique de 1973. Aucun président des États-Unis n'a depuis prêté beaucoup d'attention à l'énergie renouvelable.
En France, la logique du « tout nucléaire », mise en place à la même période, a enterré durablement le développement des énergies renouvelables. En Europe, après quelques tentatives infructueuses, seuls l'Allemagne et quelques pays nordiques comme la Suède, le Danemark ou les Pays-Bas ont investi dans les énergies renouvelables.
Aujourd'hui, les énergies renouvelables ne représentent que 20 % de la consommation mondiale d'électricité, dont 90 % d'hydraulique. Le reste est très marginal : biomasse 5,5 %, géothermie 1,5 %, éolien 0,5 % et le solaire 0,05 %. Autour de 80 % des besoins en énergie dans les sociétés industrielles occidentales sont focalisés autour du chauffage, de la climatisation des bâtiments, et du transport (voitures, trains, avions). Cependant, la plupart des utilisations de puissance renouvelable se concentrent sur la production d'électricité. Les pompes à chaleur géothermiques (également appelées les pompes à chaleur géothermiques de surface) sont des moyens d'extraire la chaleur en hiver ou le froid en été à partir de la terre pour chauffer ou refroidir les bâtiments.
Il y a plusieurs types d'énergie renouvelable :
Il y a quelques applications à petite échelle :
La plupart des sources d'énergie renouvelable ont leur origine dans l'énergie solaire, à l'exception de l'énergie géothermique et de l'énergie marémotrice. En fait, ces énergies peuvent être attribuées au rayonnement solaire. Par exemple, le vent est provoqué par le soleil chauffant la terre inégalement. L'air chaud, moins dense, monte, entraînant un air plus frais, ce qui crée un cycle. L'énergie hydroélectrique est aussi issue du rayonnement solaire. Quand le soleil évapore l'eau dans les océans, la vapeur forme les nuages qui s'accumulent ensuite sur les montagnes comme si elle était dirigée vers des turbines pour produire de l'électricité. La transformation va de l'énergie solaire à l'énergie potentielle, puis à l'énergie cinétique et enfin à l'énergie électrique.
Puisque la plupart des énergies renouvelables sont d'origine solaire, cette limite est légèrement perturbante, et utilisée de deux manières différentes : premièrement comme synonyme des « énergies renouvelables » en général (comme dans le slogan politique « du solaire, pas de nucléaire ») et deuxièmement de l'énergie directement issue du rayonnement solaire. Dans ce chapitre, elle est employée dans la dernière acception. Il y a en fait deux approches distinctes de l'énergie solaire : le solaire passif et le solaire actif.
Pour la production d'électricité, l'énergie solaire au sol a des limitations sérieuses en raison de sa nature diffuse et intermittente. D'abord, le flux solaire au sol est interrompu la nuit et par temps couvert (nuages), ce qui signifie que la production électrique solaire a inévitablement une efficacité énergétique faible, en général moins de 20 %. En outre, le flux de rayonnement est de faible intensité, et le convertir en électricité de qualité est toujours relativement inefficace (14 % à 18 %), bien que l'amélioration de l'efficacité et la réduction des coûts de production aient été l'objet de nombreuses recherches depuis plusieurs décennies.
Deux méthodes de transformation de l'énergie du rayonnement solaire en électricité sont au centre des recherches. La meilleure méthode connue exploite l'effet photovoltaïque (PV) pour produire de l'électricité. Beaucoup d'applications dans les satellites, les petits dispositifs et l'éclairage, les applications déconnectées du réseau, signalisations et matériel de transmission, tels que les équipements de télécommunications. Les ventes de modules solaires photovoltaïques augmentent fortement à mesure que leur efficacité augmente et que le prix diminue. Mais le coût élevé en réduit le champ d'application.
La seconde méthode est Le solaire thermo-électrique.
Plusieurs centrales expérimentales de PV, souvent de 300 à 500 kilowatts sont reliés aux réseaux d'électricité en Europe et aux États-Unis. Le Japon a 150 MWe installé. Une grande usine solaire de PV a été projetée pour la Crète. En 2001 le total mondial pour l'électricité de PV était de moins de 1000 MWe avec le Japon comme producteur principal mondial. La recherche continue pour rendre les cellules solaires moins chères et plus efficaces. L'autre recherche principale étudie des manières économiques de stocker l'énergie qui est rassemblée des rayons du soleil pendant le jour.
Comme alternative, beaucoup d'individus ont installé des petites unités de panneaux photovoltaïques pour des besoins domestiques. Certains, en particulier dans des lieux isolés, sont totalement déconnectés du réseau d'énergie principal, et comptent sur un excédent de capacité de production combiné avec des batteries et/ou un générateur de combustible fossile pour couvrir des périodes où les cellules PV ne fonctionnent pas. Dans d'autres secteurs reliés au réseau, en utilisant le réseau pour obtenir l'électricité quand les piles solaires ne marchent pas, et vendant leur excédent au réseau. Cela fonctionne raisonnablement bien sous beaucoup de latitudes, car le maximum de consommation d'énergie est aujourd'hui durant les périodes chaudes aux États-Unis. Beaucoup d'États des États-Unis ont passé des lois de régulation, exigeant des compagnies d'électricité d'acheter l'électricité produite localement à un prix comparable à celui vendu aux habitations. La production PV est toujours plus chère pour le consommateur que l'électricité du réseau à moins que l'emplacement soit suffisamment isolé, dans ce cas le PV devient intéressant.
Fréquemment l'électricité d'origine renouvelable est désavantagée par les lois et réglementations de l'industrie de l'électricité qui préfère les systèmes « traditionnels » de production à grande échelle à une production à plus petite échelle et plus distribuée. Si la production d'énergies renouvelables et distribuées devait être généralisée, les opérateurs d'énergie électrique ne seraient plus les distributeurs principaux d'énergie électrique mais, ne fonctionneraient que pour équilibrer les besoins en électricité. Ceux qui ont des surplus les vendraient aux secteurs en ayant besoin. Quelques gouvernements et régulateurs essaient de promouvoir ces techniques bien que beaucoup reste à faire. Une solution potentielle est l'utilisation massive de la gestion active des réseaux de transmission et de distribution d'électricité.
Un autre problème soulevé, c'est le fait que la fabrication des panneaux solaires utilise des métaux lourds qui, en étant produits à grande échelle, pourraient nuire à l'environnement, notamment s'ils ne sont pas recyclés.
Une autre méthode pour utiliser l'énergie solaire est le solaire thermique. Une centrale thermique solaire est un système de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un four, la chaleur résultante alors étant employée pour faire fonctionner des turbines. Le système de miroirs est habituellement orienté nord-sud dans une cuvette parabolique, il s'incline suivant la course du soleil. Un tube noir placé au point focal fait office de four et convertit le rayonnement solaire en chaleur (autour de 400 °C) qui est transférée dans un fluide tel que de l'huile synthétique. L'huile peut être employée pour chauffer les bâtiments ou de l'eau, ou elle peut être employée dans des turbines et générateurs conventionnels. Plusieurs installations de 80 MW fonctionnent à l'heure actuelle. Chaque installation exige environ 50 hectares de terre, et a besoin de technologies et de commandes très précises. Ces usines sont complétées par une chaudière à gaz qui assure la production d'énergie. Le gaz produit environ un quart de la puissance globale et garde le four chaud durant la nuit. Plus de 800 MWe sont produits dans le monde entier, ce qui représente environ 80 % de toute l'électricité solaire au milieu des années 1990.
Une projet d'usine électrique solaire est la tour solaire, dans laquelle une grande surface serait recouverte par une serre faite d'un simple film transparent, avec une tour légère très grande au centre, qui pourrait également se composer en grande partie de film transparent. L'air chauffé se précipiterait vers le haut de la tour, faisant tourner une turbine. Un système d'irrigation placé dans toute la serre permettrait l'utilisation de l'énergie thermique en excès, qui serait ensuite libérée durant la nuit et fournir de ce fait la production d'énergie 24 heures sur 24. Une tour de 200 MWe est en cours d'étude près de Mildura, Australie.
Il n'est pas toujours nécessaire de convertir l'énergie solaire en électricité. Beaucoup de besoins énergétiques dans le monde sont simplement des besoins de chaleur : chauffage d'espace, d'eau, de fours, et ainsi de suite. Le rôle principal de l'énergie solaire peut être à l'avenir celui du chauffage direct. Notre société a beaucoup de besoins énergétiques à température inférieure à 60 °C -- par exemple dans des systèmes d'eau chaude -- ou un peu plus élevée, en particulier dans l'industrie, où la gamme de température est de 60 à 110 °C. Ces utilisations représentent une proportion significative de la consommation d'énergie primaire dans les pays industrialisés. Ces besoins thermiques de base peuvent être assurés par l'énergie solaire dans de nombreux endroits, et la deuxième application n'est probablement pas commercialement si lointaine que cela. De telles utilisations diminueront, dans une certaine mesure, la demande d'électricité et de combustibles fossiles, en particulier si des mesures d'économie d'énergie telles que l'isolation sont appliquées.
Les systèmes solaires domestiques d'eau chaude étaient communs en Floride jusqu'à ce qu'ils aient été remplacés par du gaz naturel à la suite de campagnes de publicité importantes. De tels systèmes sont aujourd'hui communs dans les régions plus chaudes de l'Australie, et se composent simplement d'un réseau de tubes sombres fonctionnant sous un panneau de verre qui fait office de serre. Les systèmes classiques ont un dispositif de secours, électrique ou au gaz, pour les périodes de temps couverts. De tels systèmes peuvent réellement être justifiés purement pour des raisons économiques, en particulier dans quelques régions éloignées de l'Australie où l'électricité est chère.
Avec une bonne isolation, des pompes à chaleur utilisant le cycle de réfrigération conventionnel peuvent être utilisées pour chauffer et climatiser les bâtiments avec une consommation d'énergie par le compresseur bien plus faible que celle qui est transférée. Par la suite, jusqu'à 10 % de tous les besoins d'énergie primaire dans les pays industrialisés peuvent être assurés par des techniques thermiques solaires directes, et dans une certaine mesure cela remplacera l'énergie électrique de base.
Des centrales électriques thermiques solaires à grande échelle, comme mentionnées plus haut, peuvent être utilisées pour chauffer des bâtiments, mais, à plus petite échelle, des fours solaires peuvent être employés les jours ensoleillés. Ces fours solaires emploient des miroirs ou une sorte de grand objectif pour focaliser les rayons du soleil sur un récepteur de couleur sombre qui chauffe comme un four classique.
Des éoliennes ont été employées pour la production d'électricité domestique, couplées à des batteries, pendant des décennies dans des régions éloignées. Des unités génératrices de plus de 1 MWe fonctionnent maintenant dans plusieurs pays. Le rendement est une fonction du carré de la vitesse du vent, ainsi les éoliennes ont besoin d'un vent dans la gamme de 3 à 25 m/s (11 à 90 km/h), et dans la pratique relativement peu de secteurs sur terre ont les vents dominants significatifs. Comme le solaire, l'éolien a besoin d'énergies alternatives pour les périodes plus calmes.
Il y a maintenant des milliers d'éoliennes fonctionnant dans diverses régions du monde, avec des entreprises de service public ayant une capacité totale de plus de 39 000 MWe, et l'Europe représente 75 % (en 2003). Le reste est produit par des compagnies privées reliée ou non aux réseaux. L'Allemagne est le principal producteur de l'électricité produite par le vent avec plus de 14 600 MWe en 2003. En 2003 les États-Unis ont produit plus de 6 300 MWe d'énergie éolienne, seulement en seconde position derrière l'Allemagne.
De nouvelles fermes éoliennes en mer (offshore) sont projetés partout dans le monde. C'est la plus forte progression des productions d'électricité à la fin du XXIe siècle, et fournit un complément aux centrales électriques pour les besoins primaires. Le Danemark produit plus de 10 % de son électricité avec des éoliennes, tandis que les éoliennes produisent 0,4 % de toute la production de l'électricité globale (en 2002). La taille la plus rentable et la plus pratique pour les éoliennes commerciales semble être autour de 600 kWe à 1 MWe, groupées dans de grandes fermes éoliennes. La plupart des turbines fonctionnent avec un facteur de charge de 25 % par année, mais certaines arrivent à 35 %.
Là où la vapeur ou l'eau chaude souterraine peuvent être captées vers la surface, elles peuvent servir pour produire de l'électricité. De telles sources d'énergie géothermique offrent des possibilités intéressantes dans certaines régions du monde, comme par exemple en Nouvelle-Zélande, aux États-Unis, aux Philippines et en Italie. Les deux secteurs les plus en avant pour ces technologies sont dans le bassin du Yellowstone et dans le nord de la Californie, aux États-Unis. L'Islande a produit la puissance géothermique de 170 MWe et a chauffé 86 % de toutes les maisons en 2000. Quelque 8 000 MWe sont produits globalement.
Il y a également des perspectives dans d'autres secteurs, où l'eau serait envoyée dans le sous-sol, dans des régions très chaudes de la croûte terrestre, et la vapeur générée utilisée pour la production d'électricité. Une compagnie récente australienne, Geodynamics, propose de construire une usine dans la région de Coppen Basin dans le sud de l'Australie en utilisant cette technologie d'ici 2004. Il y a aussi des projets de ce type en Suisse.
L'eau ne contient pas d'énergie chimique, mais son énergie inhérente peut être employée sous forme d'énergie cinétique ou thermique.
Ce type d'énergie apparaît dans l'eau quand elle est pompée par les canaux minuscules. Voir l'électrocinétique.
L'énergie hydroélectrique ne produit pas de CO2, contrairement aux énergies fossiles, et ne contribue donc pas au réchauffement global. L'énergie hydroélectrique provient de l'énergie potentielle des fleuves. Les approvisionnements sont d'environ 715 000 MWe, soit 19 % de l'électricité mondiale. Indépendamment de quelques pays qui en ont en abondance, la capacité hydraulique est normalement utilisée pour répondre aux pics de charge parce qu'elle peut s'arrêter et démarrer rapidement. Ce n'est pas une option importante pour l'avenir dans les pays développés, parce que la plupart des sites offrant des possibilités intéressantes pour utiliser la pesanteur de cette façon y sont déjà exploités, ou sont indisponibles pour d'autres raisons, notamment environnementales.
L'avantage principal des systèmes hydroélectriques est leur capacité de gérer les charges maximales élevées saisonnières (quotidiennement aussi). Dans la pratique, l'utilisation de l'eau est parfois compliquée par les demandes de l'irrigation, qui peut se produire hors de la phase de demandes électriques maximales.
L'énergie marémotrice utilise les marées des océans, dans un compartiment ou un estuaire, comme en France (depuis 1966 avec l'usine marémotrice de la Rance) et en Russie, et pourrait être exploitée dans certains autres secteurs où il y a de fortes marées (comme dans la baie de Fundy, au Canada). L'eau emprisonnée peut être employée pour actionner des turbines, pendant qu'elle est libérée par le barrage de marée dans l'une ou l'autre direction. Au niveau mondial cette technologie semble offrir peu de possibilités intéressantes, en grande partie à cause de contraintes environnementales.
C'est un développement technologique relativement nouveau. Les hydroliennes tirent l'énergie des courants sous-marins plus ou moins de la même façon que les éoliennes sont actionnées par le vent. La densité beaucoup plus élevée de l'eau permet à un générateur simple de fournir des niveaux significatifs d'énergie. La technologie des hydroliennes en est à un stade expérimental, et demandera bien plus de recherches avant qu'elle puisse contribuer de manière significative aux besoins électriques.
Utiliser la puissance du mouvement des vagues est une possibilité qui pourrait rapporter beaucoup plus d'énergie que celle des marées. La faisabilité a été étudiée, en particulier en Angleterre, couplée à des dispositifs flottants ou des ballons déplacés par des vagues dans une structure en béton en forme d'entonnoir, produirait l'électricité. Les nombreux problèmes pratiques ont contrarié les différents projets.
L'OTEC (conversion thermique d'énergie océanique) est une technologie relativement improuvée, bien qu'elle ait été employée la première fois par l'ingénieur français Jacques Arsene d'Arsonval en 1881. La différence dans la température entre l'eau près de la surface et l'eau plus profonde peut être de 20 °C. L'eau chaude est employée pour faire s'évaporer un liquide tel que l'ammoniaque, qui se dilate. La force de dilatation du gaz est transformée dans des turbines, après quoi le gaz est condensé en utilisant l'eau plus froide, le cycle est ainsi bouclé.
La biomasse issue de la photosynthèse peut être employée directement comme carburant ou produire du biocarburant. Des carburants agricoles produits de la biomasse, tels que le biodiesel, l'éthanol et la bagasse (sous-produit de la culture de la canne à sucre) peuvent être brûlés dans les moteurs à combustion interne ou les chaudières.
L'effet de serre est ici nul, puisque le CO2 rejeté est seulement celui qui avait été pris au préalable dans l'atmosphère pour constituer la substance végétale considérée.
Les biocarburants liquides peuvent être des bio-alcools - comme le méthanol et l'éthanol ou le biodiesel. Le biodiesel peut être employé dans des véhicules diesel modernes avec peu ou pas de modification, et peut être obtenu à partir de l'huile et des graisses d'oléagineux, mais aussi d'origine animale, de rebut, et brutes. Dans quelques secteurs, le maïs, la betterave à sucre, la canne à sucre et les herbes sont cultivées spécifiquement pour produire de l'éthanol (également connu sous le nom d'alcool), un liquide qui peut être employé dans les moteurs à explosion et les piles à combustible.
L'utilisation habituellement directe est sous forme de solides combustibles, bois de chauffage ou cultures de plein champ combustibles. Des cultures de plein champ peuvent être développées spécifiquement pour la combustion ou peuvent être employées pour d'autres buts, et les résidus de transformation peuvent être employés pour la combustion. La plupart des sortes de biomasses, y compris les fumiers secs, peuvent être brûlées pour chauffer l'eau et pour produire de l'électricité. Les plantes utilisent partiellement la photosynthèse pour produire et stocker l'énergie solaire, l'eau et le CO2, le résidu de canne à sucre, les paillettes de blé, les épis de maïs et toute autre matière végétale peuvent être, et sont, brûlés avec succès. L'écobilan ne libère aucun CO2.
Les résidus animaux (lisier et fumier) libèrent du méthane sous l'influence des bactéries anaérobies, méthane qui peut également être employées pour produire de l'électricité. Voir le biogaz.
Un des grands problèmes avec l'énergie renouvelable, c'est le transport dans le temps ou l'espace. Puisque la plupart des sources d'énergie renouvelable sont périodiques, le stockage pendant des temps d'au loin-génération est important, et stocker pour transporter sont des enjeux critiques.
L'hydrogène comme carburant a été utilisé récemment comme solution dans les problèmes d'énergie. Cependant, l'idée que l'hydrogène est une source d'énergie renouvelable est un malentendu. L'hydrogène n'est pas une source d'énergie, mais une méthode pour stocker et transporter l'énergie parce qu'il doit être fabriqué par d'autres sources d'énergie pour être utilisé. Cependant, comme support de stockage, ce peut être un facteur significatif pour l'utilisation des énergies renouvelables. On le voit largement comme carburant possible pour des voitures à hydrogène, si certains problèmes économiques peuvent être surmontés. Il peut être employé dans des moteurs à combustion interne conventionnels, ou en pile à combustible qui convertissent l'énergie chimique directement en électricité sans flammes, de la même manière que le corps humain brûle son carburant. On peut produire de l'hydrogène soit en reformant du méthane avec la vapeur, du méthane issue de biogaz par exemple, ou par l'électrolyse de l'eau qui produit de l'hydrogène et l'oxygène. En reformant du méthane avec de l'eau cela produit du CO2, ce qui aggrave les effets de serre. Avec l'électrolyse, le fardeau des gaz à effet de serre dépend de la source d'énergie.
Avec de telles énergies renouvelables intermittentes solaire et vent, répondre aux besoins du réseau est très difficile, et au-delà d'environ 20 % de la demande, c'est impossible. Mais si ces sources emploient de l'électricité pour produire de l'hydrogène, alors elles peuvent être utilisées pleinement, à chaque fois qu'elles sont disponibles. Pour parler simplement, peu importe quand il est produit, l'hydrogène est simplement stocké, et employé et utilisé quand il y a un besoin.
Les avocats du nucléaire proposent également d'améliorer le rendement des centrales avec ce genre de technologies, une centrale ayant un meilleur rendement en fonctionnant à plein régime. Environ 50 kWh (1,8 MJ) sont nécessaire pour produire un kilogramme d'hydrogène par électrolyse.
Le soleil, le vent, les marées et les vagues ne peuvent pas être commandés, pour fournir directement la puissance de base, en raison de leurs natures périodiques, ou quand des pic de production sont nécessaire. En pratique, sans méthodes appropriées de stockage d'énergie, ces sources sont donc limitées à environ 20% de la capacité d'un réseau électrique, et ne peuvent pas directement être appliquées en tant que produits de remplacement des combustibles fossiles ou de l'énergie nucléaire, elles peuvent le devenir, en particulier des secteurs aux conditions favorables. S'il y avait de grandes quantités d'électricité produite de manière intermittente, comme par le solaire et l'éolien, et si cette énergie pouvait être stockée efficacement, la contribution de ces technologies pour fournir à la demande l'énergie de base permettrait une bien plus grande utilisation.
Le stockage par pompage est utilisé par endroits pour égaliser la charge quotidienne, de l'eau est pompée vers des barrages d'altitude durant les heures creuses et le week-end, en utilisant les excès de la production nominale d'origine thermique ou nucléaire; pendant les heures de pointe, cette eau produit de l'électricité hydroélectrique. Cependant, relativement peu d'endroits ont la place pour les barrages de stockage par pompage, près desquels la puissance est nécessaire.
Beaucoup de systèmes domestiques déconnectés du réseau sont basés sur l'utilisation de batteries, mais les moyens de stocker de grandes quantités de l'électricité, avec des batteries géantes ou par d'autres moyens, n'ont pas encore été utilisés à grande échelle. Les batteries sont généralement chères, ont des problèmes d'entretien, et ont une durée de vie limitée. Une technologie possible pour le stockage à grande échelle est basée sur les batteries à forte intensité. Les batteries NaS Sodium (Na) et soufre (S), peuvent être utilisé car elles sont économiques, et sont utilisées pour le réseau électrique au Japon.
Une méthode de stockage qui peut avoir une grande importance, ont proposé les promoteurs de l'énergie renouvelable, est de repenser entièrement la manière dont nous regardons l'alimentation d'énergie. La production électrique solaire est un processus de jour, tandis que la plupart des maisons ont leurs besoins en énergie la nuit. La génération solaire domestique peut fournir de l'électricité au réseau, et les systèmes domestiques peuvent alors tirer la puissance du réseau pendant la nuit où les charges globales du réseau sont en baisse. Ceci en employant le réseau comme système domestique de stockage d'énergie, et les compagnies peuvent seulement facturer la quantité de l'électricité utilisée dans la maison qui est supérieure à l'électricité produite et rétroagie dans le réseau. Beaucoup d'Etats ont maintenant des lois régulatrices qui incitent à ces initiatives.
Les équipements pour les pics de demande peuvent aussi être utilisés comme extension pour fournir la puissance de base d'un système basé majoritairement sur des énergies renouvelables. Les pics de puissance peuvent compléter des systèmes solaires ou éoliens, produisant de l'énergie quand il ne peuvent pas fournir. La capacité de prédire les intermittences de production du vent permet de mieux utiliser l'énergie produite par cette ressource. En Allemagne il est maintenant possible de prédire la puissance produite avec une fiabilité de 90%, et ce 24 heures à l'avance. Cela signifie qu'il est possible d'utiliser d'autres systèmes plus efficaces, ce qui permet d'améliorer sensiblement le rendement des ces installations.
La physique simple est la base de cette méthode de stockage. Un disque lourd tournant est actionné par un moteur électrique, qui agit en tant que générateur lorsque l'on a besoin d'énergie, ralentissant le disque et produisant l'électricité. L'électricité est stockée comme énergie cinétique du disque. Le frottement doit être gardé à un minimum pour prolonger le temps d'entreposage. C'est possible en plaçant le volant dans le vide, et à l'aide de roulements à lévitation magnétiques, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra résistants tels que des nanotubes de carbone pour résister aux forces centrifuges.
Une autre méthode est d'employer l'électricité pour comprimer de l'air, qui est habituellement stocké dans une vieille mine ou un autre genre de dispositif géologique. Et quand la demande d'électricité est importante, utiliser l'air comprimé pour faire fonctionner un moteur pour produire de l'électricité. Des projets de ce type ont été concluants en Alabama et en Allemagne.
La Cogénération ne permet pas de stoker de l'énergie renouvelable, mais permet de mieux la transformer notamment pour ce qui concerne l' énergie bois ou le biogaz, le principe étant d'utiliser la chaleur issue de la combustion pour produire de l'électricité et de chauffer les habitations par des réseaux de chaleur, permettant d'avoir des rendement de l'ordre de 90% de la combustion.
En Suède la ville de Kristianstad [1] essaye de développer un label autour du biogaz en cogénération, et de l'énergie bois aussi en cogénération.
Ces moteurs qui peuvent utiliser du carburant ainsi que de l'énergie solaire directe par simple chauffage, mais aussi de l'énergie géothermique ont un rendement élevé, de l'ordre de 40%, leur utilisation n'est encore qu'à l'état de prototypes.
L'Islande est le leader mondial de l'énergie renouvelable, c'est dû à ses sources d'énergie hydraulique et géothermiques abondantes. Plus de 99 % de l'électricité du pays est de sources renouvelables, et la majeure partie de son chauffage urbain ménager est géothermique. Le Danemark était le précédent leader, dans la génération d'énergie éolienne, et reste la nation qui produit les niveaux les plus élevés de la production de l'électricité à partir du vent. Mais l'Allemagne a commencé à construire sa capacité éolienne sérieusement au milieu des années 90 avec l'application des subventions généreuses, et des prêts bon marché, et a maintenant plus d'un tiers de toute la capacité de production éolienne du monde. L'Espagne a commencé récemment la production d'énergie éolienne, mais en 2002 a rattrapé les États-Unis pour devenir la nation avec le deuxième niveau le plus élevé pour la capacité installée d'énergie éolienne. Israël est également bien placé dans l'eau chaude solaire domestique. Les succès de ces pays sont en partie basés sur leurs avantages géographiques, bien qu'il vaille la peine de noter que l'Allemagne n'a pas de particulièrement bonnes ressources en vent (beaucoup plus mauvaises par exemple que l'Angleterre, où les politiques ont eu beaucoup moins de succès) et d'autres facteurs ont ainsi joué un rôle important dans son engagement dans l'éolien et les autres énergies renouvelables.
Pays leader dans la production d'énergie renouvelable électrique, (2000)
| Hydro | Geothermique | éolien | PV solaire | ||
| 1. | Canada | U.S. | Allemagne | Japon | |
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2. |
USA | Philippines | USA | Allemagne | |
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3. |
Brésil | Italie | Espagne | USA | |
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4. |
Chine | Mexique | Danemark | Inde | |
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5. |
Russie | Indonésie | Inde | Australie |
Part de la puissance totale d'énergie en Europe qui sont renouvelables.
| 1985 | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | 1994 | |
| EUR-15 | 5,61 | 5,13 | 4,92 | 5,16 | 5,28 | 5,37 |
| Belgique | 1,04 | 1,01 | 1,01 | 0,96 | 0,84 | 0,80 |
| Danemark | 4,48 | 6,32 | 6,38 | 6,80 | 7,03 | 6,49 |
| Allemagne | 2,09 | 2,06 | 1,61 | 1,73 | 1,75 | 1,79 |
| Grèce | 8,77 | 7,14 | 7,63 | 7,13 | 7,33 | 7,16 |
| Espagne | 8,83 | 6,70 | 6,56 | 5,73 | 6,49 | 6,50 |
| France | 7,24 | 6,34 | 6,75 | 7,54 | 7,32 | 7,98 |
| Irlande | 1,75 | 1,65 | 1,68 | 1,59 | 1,59 | 1,63 |
| Italie | 5,60 | 4,64 | 5,16 | 5,19 | 5,34 | 5,50 |
| Luxembourg | 1,28 | 1,21 | 1,14 | 1,26 | 1,21 | 1,34 |
| Pays-Bas | 1,36 | 1,35 | 1,35 | 1,37 | 1,38 | 1,43 |
| Autriche | 24,23 | 22,81 | 20,99 | 23,39 | 24,23 | 23,71 |
| Portugal | 25,07 | 17,45 | 17,03 | 13,88 | 15,98 | 16,61 |
| Finlande | 18,29 | 16,71 | 17,02 | 18,10 | 18,48 | 18,28 |
| Suède | 24,36 | 24,86 | 22,98 | 26,53 | 27,31 | 24,04 |
| Angleterre | 0,47 | 0,49 | 0,48 | 0,56 | 0,54 | 0,65 |
Source : [2]
Comme toute chose, même l'énergie renouvelable produit des polémiques.
La recherche et le développement dans des énergies renouvelables a été sévèrement entravée dans beaucoup de nations dues à l'attribution d'une fraction minuscule des budgets de R&d sur l'énergie, avec les sources d'énergie conventionnelles qui obtiennent la part du lion. D'après l'Agence internationale de l'énergie, 7,7 % des aides publiques de RD sont allés aux énergies renouvelables de 1987 à 2002. En Europe en 2001, 5,3 milliards d'euros ont bénéficié aux énergies renouvelables.
Fréquemment l'électricité d'origine renouvelable est désavantagée par les lois et réglementations de l'industrie de l'électricité qui préfère les systèmes « traditionnels » de production à grande échelle une production à une échelle plus petite et plus distribuée. Si la production d'énergies renouvelables et distribuées devaient être répandue, les opérateurs d'énergie électrique ne seraient plus les distributeurs principaux d'énergie électrique mais, ne fonctionneraient que pour équilibrer les besoins en électricité. Ceux qui ont des surplus le vendraient aux secteurs en ayant besoin. Quelques gouvernements et régulateurs essayent de promouvoir ces techniques bien que beaucoup reste à faire. Une solution potentielle est l'utilisation massive de la gestion active des réseaux de transmission et de distribution d'électricité.
Quelques défenseurs du nucléaires clament que l'énergie nucléaire devrait être considérée comme énergie renouvelable.
Les arguments souvent proposés :
Ces réclamation sont rejetées par la plupart des défenseurs de l'énergie renouvelable, en raison principalement des pollutions dues aux difficultés de stocker les déchets correctement, et des dangers qu'implique le fonctionnement des centrales (voir Tchernobyl et Sellafield). Que:
Le différent pays et régions, ont utilisé une gamme de dispositifs pour encourager la capacité en énergie renouvelable. Ceux-ci utilisées à travers une gamme de différentes techniques. Une partie considérable des discussion restent parmi des politiciens, les universités et d'autres acteurs, notamment associatifs, pourrait être plus approprié - ou la combinaison des dispositifs - pour que les buts des politiques des énergies renouvelables, soit réalisées.
Réduction des risques: les générateurs reçoivent un prix fixe pendant une période fixe, cela réduit le volume et les risques des investisseurs. De plus, les générateurs ne sont pas sujets au risque d'équilibrage alors que des compagnies de réseau sont obligées de prendre toute l'électricité. Cela réduit aussi le risque des régulateurs en comparaison avec d'autres dispositifs, une fois la centrale opérationnelle, le prix est garanti pendant une période future fixée.
Efficacité dynamique: les différentes technologies se développent à différents niveaux. Si un gouvernement souhaite soutenir une nouvelle technologie, il peut offrir un tarif spécial à cette technologie, et se rapprocher ainsi du marché. L'équilibre de l'évidence suggère de fournir les avantages à long terme pour développer des technologies plus concurrentielles.
Possibilités prouvées: Les dispositifs tarifaires ont été largement utilisés en Allemagne, au Danemark et en Espagne. Leur emploi a mené à des augmentations significatives des capacités en électricité renouvelable, en particulier dans l'énergie éolienne.
Cher: Avec le temps le prix rigide signifie qu'il est difficile de transmettre les avantages de l'efficacité technologique accrue aux consommateurs. Au lieu de cela les avantages s'accroissent au niveau du propriétaire d'installation de production, qui accèdent à des taux de rendement élevés. Une solution possible est par la dégression, c.-à-d., abaissant les tarifs avec le temps. Les réductions du tarif doivent être transparentes pour assurer à l'investisseur une incertitude réduite au minimum, et il n'y a aucune garantie que les réductions assortiront les améliorations réelles des technologies.
Imprévisible: Tandis que les mécanismes de tarif fixent le prix disponible aux producteurs d'énergie renouvelable, le niveau de la capacité est sujet au marché, c.-à-d., il n'y a aucune manière de prévoir combien d'investisseurs seront attirés par la production,en fonction du prix proposé. Ceci signifie qu'il n'est pas possible de prévoir les coûts globaux du mécanisme dans le court ou le long terme. Ceci peut être problématique pour les gouvernement et les consommateurs contribuables.
Équilibrage du Réseau: Les distributeurs sont contraints d'accepter toute l'électricité des producteur d'énergie renouvelables, indépendamment de la demande d'électricité, aux heures de production. Ceci peut mener à des problèmes d'équilibrage de réseau, et ceux-ci tendent à augmenter avec un niveau de production intermittentes sur le réseau. Ceci mène au potentiel croissant pour des problèmes technologiques et augmentent les coûts des l'opérateur de réseau.
Marché prioritaires: Les opérateurs de réseau son obligé d'accepter toute l'énergie renouvelable, cela veut dire que l'électricité des énergies renouvelables est toujours la première à être acheté. Cela interfère efficacement avec tout marché libre pour la production d'électricité générale, et impacts sur la capacité des générateurs 'traditionnels' concurrencer dans le secteur de l'électricité. Ceci peut être problématique où des gouvernements sont investis dans maximiser la concurrence sur les marchés.
Un mécanisme de Quotas, permets aux gouvernement d'avoir des engagement sur une compagnie d'approvisionnement en électricité ou sur des consommateurs (habituellement manifesté les compagnie d'approvisionnement) leur demandé une partie de électricité produite avec des sources d'énergie renouvelable. Des compagnies qui n'arrivent pas à atteindre l'engagement doivent payer des pénalité pour chaque l'électricité qu'elles n'ont pas produite conformément à leur engagement. Le dispositif agit en créer un marché pour l'électricité, permettant la concurrence parmi les producteurs d'énergie renouvelables pour satisfaire les besoins de ce marché. La théorie fondamentale est que la concurrence dans ce marché entraînera une réduction les coûts d'assurer l'électricité renouvelable et réduira au minimum ainsi les coûts au consommateur.
Le marché permet à un gouvernement de placer la capacité qui est exigée, et permet au marché de définir le coût. Le niveau auquel du prix de pénalité permet au gouvernement de placer une limite supérieure sur les prix pratiqués au consommateur.
Le mécanisme est en place dans un certain nombre d'états des USA aussi bien que le qu'en Angleterre, l'Italie et la Belgique unis entre autres pays européens. Aux mécanismes de quotas les USA aident par l'application intermittente d'un crédit d'impôts fédéral de production.
Les producteurs sont en concurrence pour des contrats, et entraîne une réduction des coûts dans un dispositif qui peut transmettre ces coûts au consommateur. Théoriquement, ceci signifie que les coûts au consommateur sont réduits au minimum.
Risque accru: Dans la pratique, les producteurs sont vulnérables a des risques considérables, y compris le risque concernant le volume (vu qu'il n'y a pas de la garantie qu'ils pourront vendre toute leur électricité), le prix (dépendant du marché de l'électricité et les certificats commercialisables), équilibrage des coût (une fonction d'intermittence de production) et le règlement (le retrait des l'appuie politiques casse le marché complètement). Ces problèmes entraînement une augmentation, des besoin en capitaux, et ainsi du coût global de production, ayant pour résultat une augmentation du prix pour les consommateurs.
Efficacité dynamique: Le mécanisme tend à soutenir seulement les technologies qui sont près de marché. Les technologies en dehors du dispositif sont susceptibles de devenir de moins en moins concurrentielles, et ne soient ainsi jamais développées. Ceci peut s'avérer plus coûteux en long terme. Une solution est de proposer en dehors du dispositif, des aides et des subventions, sinon les coûts globaux des énergies renouvelables serait plus important.
Le gouvernement place une obligation sur des compagnies d'approvisionnement d'accepter l'électricité des producteurs d'énergie renouvelable qui ont signé des contrats avec gouvernement. Les producteurs gagnent ces contrats en participant à un processus d'adjudication concurrentielle, organisé le gouvernement ou un agent indiqué du gouvernement. Historiquement, la concurrence a lieu habituellement dans la technologie 'réunie ', c'est-à-dire, tels que des offres de concurrence sont seulement comparées entre les producteurs utilisant la même technologie. Par exemple, éolien contre éolien. Essentiellement, ceci signifie qu'il y a habituellement, différents concours en cours en même temps pour chaque technologie. D'une façon générale, les plus basses offres se voient attribuées des contrats si elles répondent à tous les critères établis par le gouvernement en tant qu'élément du processus concurrentiel. Les exemples d'un tel mécanisme incluent dans la pratique l'engagement de carburant du Non-Fossile en Angleterre (NFFO), la condition de l'énergie alternative de l'Irlande (AER) et EOLE en France.
Les crédits d'impôts de production soutiennent l'introduction des énergies renouvelables en permettant les compagnies qui investissent dans les énergies renouvelables pour amortir cet investissement contre d'autres investissements qu'elles font. Un CIP peut être employé comme dispositif central pour l'appui des énergies renouvelables en tant qu'élément d'un dispositif national ou régional, ou il peut être employé pour appuyer d'autres mécanismes, tels qu'un mécanisme de quotas. Des crédits d'impôts de production ont été assurés au niveau fédéral aux USA; ils ont tendu à être les plus efficaces dans les états qui fournissent également une autre forme d'appui, le plus notamment un mécanisme de quota.
Se sont avérés stimuler la capacité à côté des mécanismes de quotas. Ils peuvent fournir une manière utile d'apporter la stabilité aux producteurs quand ils sont utilisés de cette façon, réduisant l'incertitude et ainsi les frais financiers.
Dans la pratique ils tendent à être vulnérables au conflits politique concernant leur entretien dans le long terme.
Les crédits d'impôts tendent à limiter l'investissement dans les énergies renouvelables, dans les grandes compagnies, avec un portefeuille significatifs, contre lesquelles ils peuvent amortir les crédits d'impôts qu'ils gagnent.
