Voici donc la suite de la publication en ligne de l’ouvrage consacré aux énergies renouvelables. Ce livre est rédigé par la commission énergie du collectif Toutes Nos Énergies – Occitanie Environnement, il est coordonné par Marcel Caron.
Plusieurs d’entre vous ont déjà fait des remarques et des commentaires. Merci de votre intérêt et de vos suggestions. Les auteurs en tiendront compte et les intègreront dans la version finale. (Ici en PDF)

Il y aurait bien une solution à l’intermittence de l’éolien et du solaire, à savoir la possibilité de stocker l’électricité à grande échelle. Mais apparemment, ça ne sera pas possible avant bien longtemps. Voyons ce qu’il en est.

Chapitre 2 Les énergies intermittentes

3ème partie : Le stockage de l’énergie

L’idée est répandue que, si l’on parvenait à stocker convenablement l’électricité, alors il suffirait de stocker la production des énergies alternatives lorsqu’elle est excédentaire pour la réutiliser lorsqu’elle redeviendrait utile et améliorer ce faisant sa valorisation et donc la compétitivité de la filière considérée. Malheureusement cette façon de voir relève assez largement du sophisme.

« Le stockage a nécessairement un coût : coût d’investissement, coût d’exploitation et renchérissement du kWh restitué lié à une efficacité toujours inférieure à 1 et oscillant selon les technologies entre 25 et 95 %. Ce coût s’ajoute au prix de l’électricité stockée et vient donc le renchérir.
La panoplie des solutions de stockage comprend les stations de pompage/turbinage (STEP), les stockages thermodynamiques (CAES (Compressed Air Energy Storage)) à air comprimé et systèmes dérivés), les batteries, les super-condensateurs, les piles à combustible rechargeables, les bobines supraconductrices (SMES), les volants d’inertie, etc. sans oublier les modes de stockage indirects et hybrides : chauffe-eau à accumulation et autres stockages thermiques, hydrogène, lingots d’aluminium ou autres produits finis ou semi-finis. » (Jean-Pierre Hauet, article extrait de la Revue de l’électricité et de l’électronique)…

Il faut savoir, d’emblée, qu’il n’y a qu’une seule solution de stockage de l’électricité utilisée intéressante à l’échelle industrielle : ce sont les STEP (Stations de Transfert d’Energie par Pompage ) qui représentent la plus grande partie du stockage (99 % de la capacité de stockage de l’énergie électrique dans le monde). Elles complètent des barrages-réservoirs (ou barrages-lacs). Elles sont composées de deux réservoirs séparés verticalement. L’eau du réservoir aval est pompée jusqu’au réservoir amont durant les périodes creuses, donc souvent de nuit) afin de stocker sous forme gravitaire l’électricité prélevée.

Cette solution bien entendu n’est possible que près des barrages de montagnes. En France, la possibilité d’en installer de nouvelles est très réduite.

De nombreux autres moyens de stockage de l’électricité à l’échelle collective existent, à l’état de projets, et au mieux, au stade expérimental. Leur mise en oeuvre pose de nombreux problèmes techniques et/ou environnementaux.
Ils sont donc inutilisables aujourd’hui à l’échelle collective pour parer à l’intermittence de l’éolien et du solaire.

Citons-les :

Le stockage de l’électricité

• Le stockage par air comprimé : Les installations s’appellent des CAES (Compressed Air Energy Storage). Il en existe trois sortes selon qu’on stocke l’air comprimé en sous-sol ou en surface et selon les techniques utilisées (avec chaleur ou isotherme). Il existe très peu d’installations dans le monde, le stockage dans des cavités souterraines ou dans des anciennes mines n’étant pas simple, et pour celles qui sont envisagées en surface, elles prennent beaucoup de place.
• Le stockage inertiel : c’est un système de stockage d’électricité sous forme d’énergie cinétique. L’énergie est stockée par le biais d’un disque ou d’un rotor, tournant sur son axe dans un environnement visant à minimiser les frottements : enceinte sous vide et utilisation de paliers généralement magnétiques pour la liaison rotor/stator. Le couplage de la masse tournante à un générateur/alternateur permet de stocker et produire l’électricité. Mais l’énergie disponible n’est pas très élevée. En revanche, le coût d’investissement l’est.Le transfert d’énergie par lest : Un lest est relié à une plateforme flottante, à l’aide d’un câble. Pour stocker de l’énergie, le lest est remonté à la surface (de la mer), entrainé par un moteur électrique ; pour déstocker l’énergie, le lest descend en entrainant une génératrice. Pas simple non plus en raison de la profondeur nécessaire et du coût de la transmission de l’énergie.Une variante terrestre : une grue à six branches lève des blocs de béton de 35 tonnes et les empile comme dans un Lego géant pour former une tour. Pour restituer l’énergie et produire de l’électricité, la grue redescend les blocs de béton un par un pour reformer une seconde tour à l’extérieur de la première. L’inconvénient est que la grue et la tour de béton d’une hauteur de 120 mètres ne passeront pas inaperçues dans le paysage.
• Le stockage par pompage thermique : Le stockage de l’électricité est réalisé grâce à deux enceintes de matériaux réfractaires, respectivement à haute (entre 500 °C et 800 °C selon les technologies) et à basse température (entre -160 °C et -80 °C selon les technologies), qui servent de source chaude et de source froide à un cycle thermodynamique. Le stockage d’énergie est réalisé sous forme de chaleur sensible, en exploitant des variations de température dans le matériau. Faible maturité. Aucun retour d’expérience.-
• Le stockage électrostatique : Conçus sur le principe de base des condensateurs, les supercondensateursstockent l’énergie sous forme de champ électrique créé entre deux électrodes, avec comme différence de pouvoir atteindre des densités d’énergie et de puissance bien plus importantes, proches de celles des batteries, tout en bénéficiant d’un temps de recharge très court. Mais le temps de décharge étant court (24-48 h), l’énergie disponible est faible et ce type d’équipement est cher.

Font aussi partie de ces exemples de stockage peu productifs (à l’échelle collective) 

Le stockage électrochimique (les batteries) :

Il en existe de multiples : plomb-acide, nickel-zinc, zinc-air, sodium-soufre, zebra, lithium-ion et des batteries « à circulation » : zinc-bromine et vanadium-vanadium…
Nous ne pouvons faire un exposé complet sur chacune d’entre elles. Les batteries lithium-ion sont les plus efficaces, remportent les suffrages les plus nombreux, à telle enseigne que le coût du lithium est en augmentation constante au fil des ans, ce qui fait qu’on comprend mal les prédictions de baisse de coût des batteries de l’ordre de 50 % d’ici à 2030 par certains bureaux d’études et institutions, dont l’ADEME. Y aura-t-il assez de lithium dans le monde pour satisfaire les besoins ? Il est permis d’en douter puisque le prix qui était de 2920 $ la tonne en 2002 et de 6995 $ en 2015, est passé à 16 550 $ en 2018 : selon la

US Geological, avec une production globale de 37 tonnes par an, le monde aurait assez de réserves pour 365 ans (mais à condition que la demande reste la même). Or les experts prédisent que vers 2040, le monde aurait besoin de 800 tonnes par an, rien que pour la production de batteries (c’est-à-dire sans compter les smartphones, tablettes et nombreux autres objets « connectés ») !

En fait, des réserves existent, mais sont disséminées dans la nature. Le problème est surtout qu’il n’y a pas suffisamment de mines ouvertes.
Actuellement, du fait de l’insistance des gouvernements à mettre en oeuvre la mobilité électrique, il y a un décalage entre la demande et l’offre.

Notons qu’à Soulz-les-Forêts, lieu d’expérimentation de la géothermie profonde par excellence, où des forages existent à des profondeurs d’environ 1600 m pour produire de l’électricité, du lithium a été découvert en grande quantité, ce qui n’était pas prévu. Une capacité d’1/10 ème de la demande française.

Nous savons qu’actuellement les constructeurs automobiles envisagent de privilégier les voitures électriques à batterie (25 millions en 2025 selon les prévisions) au détriment des véhicules à hydrogène (piles à combustible).
On sait qu’il sera très difficile d’obtenir une autonomie des voitures supérieure à 400 km, sauf si les chercheurs réussissaient à mettre au point les batteries lithium tout-solide (auquel cas cette autonomie pourrait être portée à 800 km), mais selon eux, rien n’est sûr et on ne le saura pas avant 2030 dans le meilleur des cas. On reste donc dans une grande incertitude quant à l’efficacité des batteries dont l’utilisation pour le stockage à grande échelle est de ce fait quasi inexistante.

Pour être plus précis, des progrès considérables ont été obtenus en laboratoire, pour des solutions diverses comme les batteries nickel-cadmium, d’autres au nickel-métal hydrure, au fluorure (10 fois plus denses et plus autonomes), au lithium-air (plus légères et aux performances supérieures), ou encore au sodium-ion qui aurait l’avantage de poser moins de problème pour l’approvisionnement en matière première, de même, comme déjà indiqué, que la batterie lithium-ion solide, mais on est encoreloin de la fabrication industrielle et de la mise sur le marché, ce qui laisse de beaux jours à l’actuelle batterie lithium-ion (liquide).

La batterie lithium-soufre s’annoncerait également. Par rapport à celle au lithium-ion, elle pourrait stocker 5 fois plus d’électricité à poids égal, mais là encore, la mise au point demandera du temps Puisque nous venons de l’évoquer, le poids des batteries joue un rôle. La voiture Tesla, réputée avoir une autonomie de 800 km, a des batteries qui pèsent deux fois plus que celles de la Zoé.

La révolution technologique en matière de batterie tarde à venir.

L’Hydrogène est l’élément le plus simple et le plus abondant dans l’univers : 93% de la matière.

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Nous avons lu avec attention les remarques formulées sur l’avant-propos et l’introduction. Elles nous paraissent pertinentes et nous en tiendrons largement compte pour une rédaction ultérieure. En particulier, il est juste qu’il n’est pas nécessaire de faire le travail d’un scientifique et qu’il vaut mieux se borner à la formulation de questions.
Sur le premier chapitre, la formulation à l’emporte-pièce qui a déclenché des réactions (sur le « manque de bonne volonté » des citoyens à propos de sobriété) était extraite d’une revue qui voyait les choses dans les grandes masses et qui négligeait le fait qu’une bonne partie des populations sont astreintes à une sobriété forcée. Cette formulation sera donc nuancée. 
Voici maintenant ce qui concerne les énergies intermittentes. Nous aimerions connaître vos réactions sur ces deux textes. Ici le texte en PDF.

Quelles sont les énergies renouvelables ? Comment peut-on les classer ?

On distingue les énergies intermittentes, variables et aléatoires et les énergies pilotables, réglables et pérennes (fonctionnant en permanence ou à la demande). Nous traiterons donc d’abord les énergies intermittentes.

Et d’abord l’éolien et le solaire qui ne fonctionnent, pour l’un que lorsqu’il y a du vent, pour l’autre que lorsqu’il y a du soleil.

Pourquoi focaliser sur l’intermittence ? d’abord parce que lorsqu’il y a interruption de production, et qu’on doit se passer d’électricité, il y a un manque difficile à supporter pour la plupart des êtres humains. Cela prend même vite l’allure d’une catastrophe lorsqu’il y a un black-out, surtout lorsqu’il dure plusieurs heures (problème de congélateur, de chauffage…). L’habitude a été prise depuis des décennies de ne jamais manquer de courant électrique. Des coupures seraient vite insupportables pour l’immense majorité de la population.

Et donc, pour compenser le manque dû à l’interruption quand le vent cesse et que le soleil vient à manquer, il faut disposer de moyens de production de substitution (qui sont très souvent polluants et générateurs de CO2) et le jonglage entre les énergies intermittentes et les énergies de substitution ne laisse pas de poser des problèmes pour le gestionnaire du réseau français RTE.

Le problème avec les renouvelables intermittentes est aussi que leur production est aussi parfois trop abondante, quand il y a beaucoup de vent et un ensoleillement important. Les réseaux se retrouvent ainsi avec trop d’électricité renouvelable dont ils ne savent que faire, qu’on vend donc à perte, et qu’il est aujourd’hui difficile et coûteux de stocker. On reviendra sur ce sujet plus loin.

De plus, les EnR intermittentes seules sont loin de pouvoir produire les quantités nécessaires d’électricité pour couvrir les énormes besoins actuels (8000 éoliennes, c’est seulement 7% de la production française)

Le handicap de l’intermittence pourrait-il trouver une solution dans le stockage de l’énergie ? Où en est-on dans ce domaine ?

Puis nous présenterons les autres sources d’énergie renouvelables que nous appellerons pilotables, par opposition aux intermittentes.

• Ce sera d’abord l’hydroélectricité, bien connue.
• Puis la géothermie sous toutes ses formes et tout ce qui s’y rattache, dont les pompes à chaleur. 
• Et enfin la biomasse avec ses aspects très divers.

Chapitre 2 Les énergies renouvelables intermittentes 

1ère partie : L’éolien terrestre, un vecteur d’énergie électrique

C’est le vent qui en est l’énergie primaire, une énergie intermittente, variable et peu prévisible. L’énergie éolienne n’est pas nouvelle : les moulins à vent existent depuis des siècles, et ont fait très longtemps partie des paysages et du patrimoine, jusqu’au début du 19ème siècle. .

Jusqu’à l’apparition des machines à vapeur, les meuniers se sont contentés du vent qu’il pouvait y avoir et cela leur allait très bien. Mais cette énergie « renouvelable » a été vite abandonnée au profit du charbon et par la suite, d’autres combustibles fossiles utilisables à tout instant. A la fin du vingtième siècle, on a imaginé d’utiliser à nouveau cette source d’énergie pour produire de l’électricité.

Evoquons d’abord le petit éolien domestique : il est très peu souvent choisi par les par culiers, parce que les aides ou subven ons de l’Etat ne su sent pas à a eindre une rentabilité économique dans la majorité des cas. Il a un faible potentiel, est sensible à la foudre et surtout dérange le voisinage. Enfin, si on les installe sur toiture, il est patent que les éoliennes domestiques font vibrer les bâtiments.

L’éolien terrestre industriel.

Très souvent, les éoliennes industrielles, qui atteignent à certains endroits 200 m de haut et s’élèveront sans doute dans l’avenir jusqu’à 300 m, symbolisent les EnR dans leur ensemble :on en voit sur le bureau de tel ministre, on les situe en arrière-plan de beaucoup de documents publicitaires, de sujets à la télévision. Ce sont comme des messages subliminaux. C’est ce à quoi pense d’abord l’homme de la rue lorsqu’on lui parle d’énergies renouvelables.

Et pourtant, aucune EnR n’a rencontré autant d’opposition : il y a en France des milliers d’associations qui luttent contre des projets d’installation d’aérogénérateurs, notamment par des recours juridiques (la plupart des projets sont suivis de recours par des centaines d’associations adhérentes à des fédérations nationales) Notons aussi que de nombreux recours sont déposés par les opérateurs mécontents d’avoir essuyé un refus. Cela gêne les pouvoirs publics et les opérateurs. Que penser de cet aspect des choses ? Nous verrons plus loin pourquoi ce type d’énergie est rejeté, bien plus que les autres.

Objectivement, une éolienne peut produire de l’énergie, sous certaines conditions qu’il y ait du vent, que celui-ci soit à une bonne vitesse (50 km/h et jusqu’à 90 km/h, mais pas davantage parce qu’on est obligé d’arrêter les machines : ce serait trop dangereux). Il arrive souvent qu’il n’y ait pas de vent et même parfois sur des périodes un peu longues, de quelques jours à une quinzaine.

Pour être plus précis, la relation entre la vitesse du vent et la production éolienne est loin d’être linéaire. Schématiquement, la production d’une éolienne évolue de la façon suivante

• Si le vent est inférieur à la vitesse de démarrage (environ 10 km/h), la production est nulle
• Entre la vitesse de démarrage et la vitesse nominale (environ 50 km/h), la production augmente rapidement avec la vitesse du vent,
• Au-delà de la vitesse nominale, la production reste approximativement constante…jusqu’à la vitesse de coupure (autour de 90 km/h) alors l’éolienne se met en drapeau et la production cesse.

La variabilité du vent, quand il y en a, constitue aussi un problème. Une modification même mineure du régime des vents va avoir un impact disproportionné sur la production.

• Si la vitesse moyenne du vent baisse de 1%, la production d’électricité baissera de 3% environ,
• Si le vent baisse de 5%, la production chutera de 14%….
• Donc, à chaque fois que le vitesse double, la puissance est multipliée par 8, idem pour l’inverse.

La variabilité signifie que quand y a du vent, la quantité d’électricité varie suivant le cube de la vitesse du vent ! Donc, très souvent, les trois quarts du temps, il n’y a pas de vent ou pas assez et les machines produisent peu ou pas du tout d’électricité et en période de temps stable, de hautes pressions l’été et l’hiver, elles restent immobiles, en berne.

Les variations de la météo produisent donc d’énormes déficits, mais aussi d’énormes surplus. Un exemple très caractéristique nous est fourni par RTE avec le graphique de la production d’électricité par les éoliennes pendant plus de deux mois en 2019 : 4 % de sa capacité nominale pour tout le territoire français !

Il arrive aussi que la production des éoliennes coïncide avec les besoins du pays, avec les périodes de travail, avec les moments forts de l’économie, de la vie quotidienne. C’est donc utile, mais d’une manière très ponctuelle. Dans ces cas-là, les centrales nucléaires sont obligées de baisser leur production, car l’énergie éolienne est, selon la règlementation, prioritaire sur le marché européen de l’électricité. Du coup, le matériel de ces centrales nucléaires s’use plus rapidement du fait de la fréquence de la baisse de production et de sa relance en fonction du vent et bien sûr, EDF gagne moins d’argent (on reviendra plus loin sur ce sujet), ce qui peut avoir un impact à long terme sur ses dépenses de sécurité.

Ainsi la plus grande partie du temps, il faut recourir à une puissance fossile ou fissile d’urgence, de réserve, déclenchée en cas d’absence de vent.

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Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur les énergies renouvelables pour tous, de 9 à 119 ans…

Nous avons évoqué le projet de la commission énergie de notre collectif d’écrire un livre consacré aux énergies renouvelables. Ce petit livre – dont la réalisation est coordonné par Marcel Caron – est destiné à toute personne qui s’intéresse à toutes les énergies renouvelables, même celles qui ne se voient pas et dont on parle moins. Un livre pour les curieux qui ne veulent pas être affrontés à trop de détails techniques, pour les débutants dans ce domaine, un livre de base utile pour les élèves aussi.

En voici en PDF le sommaire et l’introduction. N’hésitez pas à réagir, vos commentaires, vos remarques et vos suggestions nous aideront à améliorer cet ouvrage.

Introduction

L’énergie, c’est quoi ? De quoi parle-t-on lorsqu’on évoque les énergies renouvelables ?

Les énergies renouvelables soulèvent un grand nombre de questions. Mais avant tout, pour comprendre ce petit document, il faut rappeler ce qu’est une énergie et pourquoi elle peut être renouvelable.

“En physique, l’énergie quantifie le changement. Dès que quelque chose change de forme, de position, de vitesse, de composition chimique ou atomique, rayonne, etc. il y a un transfert énergétique“.

Compliqué ? C’est normal, on va le dire autrement :

L’énergie, c’est un indicateur que quelque chose change.
On peut également dire que, dès qu’il y a eu un changement de quelque chose en autre chose, c’est qu’il y a eu un transfert d’énergie. Mais avant d’entrer dans le détail, rappelons qu’il existe plusieurs types d’énergies :

• L’énergie primaire : c’est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Les principales énergies primaires sont : le soleil, le vent, les marées, l’eau en mouvement, les courants marins, la chaleur des sols et des sous-sols, les réactions chimiques des matières organiques vivantes, la méthanisation, la combustion, le charbon, le pétrole, le gaz naturel, la désintégration atomique…
• L’énergie secondaire ou vecteur énergétique : Une telle énergie est considérée comme un « véhicule » entre l’énergie primaire et l’énergie finale.
  (Ex : le pétrole qu’il faut transformer pour faire de l’essence. L’essence est bien un vecteur énergétique qui une fois dans le moteur lui permettra de fonctionner.)
• L’énergie finale : C’est l’énergie au stade final de la chaîne de transformation, c‘est-à-dire au stade de son utilisation par le consommateur final.
  (Ex : La voiture avance grâce au mouvement mécanique donné par l’explosion de l’essence dans les cylindres du moteur qui le fait tourner.)

Le processus a donc été :

• Transformer une énergie primaire : le pétrole en essence (vecteur énergétique).
• Transformer l’essence en énergie mécanique donc en mouvement, c’est l’énergie finale (la voiture avance).

On a parlé d’énergie primaire, secondaire et finale, mais pas de renouvelable ?

On dit qu’une énergie est renouvelable si à notre échelle de temps, en l’utilisant, nous n’en diminuons pas la quantité initiale existante.

Exemple : Le vent, qui est issu de la rotation de la terre et des courants de convection dus au soleil à notre échelle est inépuisable. Lorsqu’il souffle, on peut donc récupérer son énergie par divers équipements indéfiniment. L’électricité produite par la force mécanique du vent sur les pales d’une éolienne est considérée comme une énergie renouvelable.

Par opposition :
Le pétrole qui provient de la décomposition d’organismes marins (principalement de plancton) accumulés dans des bassins sédimentaires, au fond des océans, des lacs et des deltas, est limité en quantité. Ce pétrole, a notre échelle, n’est donc pas renouvelable. On l’a nommé énergie fossile du fait de sa provenance.
Avant le début des années 1850 (début de l’ère préindustrielle), l’ensemble des civilisations de notre monde utilisait presque uniquement des équipements fonctionnant grâce aux énergies renouvelables utilisant le vent, le soleil, l’eau en mouvement et le feu. La seule autre énergie connue était l’énergie musculaire des animaux ou des humains ! On ne connaissait rien d’autre.

Tout change avec le début de l’ère industrielle.
Lorsque l’on a découvert et commencé à utiliser les énergies dites fossiles, essentiellement le charbon dans un premier temps (la machine à vapeur) et le pétrole. Elles ont bouleversé notre façon d’être par leur très grand pouvoir énergétique.
Il a fallu toujours plus d’énergie, et sous toutes les formes. Elles ont permis de faire avancer les tracteurs, les voitures ou les camions mais aussi les trains, de faire voler des avions, de s’éclairer, faire fonctionner les moteurs électriques utilisés dans l’industrie, se chauffer et tellement d’autres choses aujourd’hui considérées comme indispensables…, comme de faire fonctionner notre Internet, nos ordinateurs, les centres de données (data center), nos téléphones portables, etc.

Mais, tout n’est pas si simple.

Depuis les années 30 (loi Morizet), les problèmes de pollution sont bien connus. On sait que les énergies fossiles sont émettrices de particules et de gaz à effet de serre (GES) dont le fameux CO2.
Si dans les années 1950/60 on se préoccupait uniquement de nettoyer les façades parisiennes noircies par la suie des chauffages au bois et/ou au charbon, ou de s’inquiéter de l’émission des fumées noires s’échappant par les grandes cheminées de l’industrie ou même de la pollution des autos qui à l’époque n’étaient pas performantes et qui étaient surtout très consommatrices, on sait aussi depuis les années 1970, que les combustibles fossiles ne sont pas inépuisables.

La Terre, étant une entité finie, ne pourra pas donner plus de pétrole, de gaz ou de charbon qu’elle n’en contient

(rapport Meadows 1972 pour le club de Rome).

Évidemment, l’évolution de notre société et la croissance économique sont essentiellement dues à l’augmentation de la consommation des énergies qui, quelles qu’elles soient, génèrent beaucoup d’avantages. Mais alors que l’on est seulement dans les années 60/70, on parle déjà de pollution et de pénurie.

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