EnR - Partie 3 - la géothermie

Après l'éolien et le solaire passons à la géothermie. Ne voyez aucun ordre d'importance dans ce dévoilement des différentes sources d'énergie. Simplement une curiosité sur le moment à propos de telle ou telle énergie. Nous discuterons lors des prochaines notes sur ce thème de la biomasse comme de l'hydraulique par exemple.

1) Historique

L'utilisation de l'énergie thermique du sol est très ancienne et remonte à des milliers d'années "avant Jésus Christ". Des humains exploitaient d'ores et déjà les sources thermales chaudes. Autre façon de voir la géothermie, au moyen-âge, on conservait nos aliments dans la fraicheur du sol par exemple. Mais la géothermie dont nous allons discuter dans ce billet traite de l'utilisation de la chaleur du sol pour le chauffage, la climatisation d'un quartier tertiaire ou résidentiel.
La géothermie occupe en France la 3ème place des énergies renouvelables, en terme d’énergie produite, derrière la biomasse et l’hydraulique.

2) La géothermie, ça consiste en quoi ??

Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer cette chaleur. La plus grande partie de la chaleur interne de l'eau (87%), est produite par la radioactivité des roches qui constituent le manteau et la croûte terrestre (désintégration naturelle de l'uranium, du thorium et du potassium). La croûte terrestre présente elle-même un gradient de température, en clair, la température augmente d'environ 3 °C par 100 mètres. Ainsi, cette chaleur se dirige vers la surface et réchauffe les nappes phréatiques souterraines, la géothermie consiste alors à capter la chaleur de l'air ou de l'eau présent dans la croûte terrestre. La géothermie se propose d'exploiter cette chaleur afin de se chauffer tout simplement ou pour climatiser l'intérieur du logement plus généralement. Les échanges thermiques pouvant être inversés dans certains cas. On considère qu'en dessous de 4,50m, la température du sol est en moyenne de 12 °C et constante toute l'année.

La technique géothermique basique est de type verticale consiste donc à forer un trou d'une profondeur variable selon le fluide caloporteur utilisé, il faut compter au minium des puits de -30 (frigorigène) à -120m (eau).
- Le fluide en question peut être de l'eau ou de l'eau glycolisée ou un fluide frigorigène.
- La pompe à chaleur elle varie d'un constructeur à un autre
- Le forage pour la géothermie à l'eau peut être unique (pas de réinjection dans la nappe), ou en doublet qui, malgré son coût plus important à l'achat, est plus rentable et augmente la durée d'utilisation de l'échange thermique avec la nappe phréatique.

Pour les installations à plus grande échelle (chauffage urbain collectif, réseau de chaleur, stations thermales et de balnéothérapies et autres industries) les forages peuvent aller jusqu'à plus de 3 km de profondeur. On distingue ainsi plusieurs types de géothermies verticales:
- La géothermie très basse énergie jusqu'à -120m pour une température allant jusqu'à 30°C
- La géothermie basse énergie jusqu'à 120°C
- La géothermie moyenne et haute jusqu'à 350°C
- La géothermie profonde est toujours en cours d'étude mais pose des soucis de risques sismiques plus importants. L'idée est d'injecter de l'eau dans les roches à haute température, de la laisser chauffer puis de la repomper.
Les deux derniers types de géothermies peuvent permettre aussi la production d'électricité.

Enfin, il est à noter que la géothermie s'est adaptée ces dernières années et sait utiliser la chaleur que le sol emmagasine la journée. La géothermie horizontale consiste ainsi à capter cette chaleur via un réseau de tuyaux enterrés sur une surface quasiment similaire à celle du logement. Si le rendement est moins intéressant (dépendant du soleil), la réalisation de cette technique est moins couteuse aussi et permet d'être réalisé sur tout terrain à la différence de la géothermie qui dépend des horizons terrestres à forer, de la présence de nappes etc...


3) L'intérêt de cette énergie renouvelable

Il est difficile de comparer cette énergie renouvelable aux barrages hydroélectriques, éoliennes ou panneaux photovoltaïques du fait qu'on se trouve ici sur une énergie calorifique et non électrique à moins de descendre à plus de 150m. Toutefois, même sur ce fait, la géothermie présente l'avantage indéniable de ne pas dépendre des conditions météo et est donc de ce fait en production continue (sauf dans le cas de la géothermie horizontale).
Si la durée de vie des panneaux photothermiques est de l'ordre de 20-30 ans, celles des installations gétohermiques sont de l'ordre de 30 à 80 ans en moyenne.

Les inconvénients de l'utilisation de la géothermie ne sont que peu nombreux mais il est à noter que la réalisation de forages grandes profondeurs modifiaient la pressions dans les sous-sols et que cela augmentait la fréquence des tremblements de terre mais aussi leur puissance. Cet inconvénient est important et rejoint la problématique des autres forages initiés par l'activité humaine pour la recherche de ressources fossiles (pétrole, gaz) par exemple.

L'électricité en surplus créée par la géothermie est, en tant qu'énergie renouvelable, obligatoire d'être achetée par EDF au tarif fixé par l'Etat. En 2010, ce tarif était de 20c€/kWh ce qui est plus important que l'éolien offshore (13c€/kWh) mais moins que le solaire (30c€/kWh au sol).

En espérant vous avoir appris quelque chose, on se retrouvera plus tard pour une autre EnR ;-)

EnR - Partie 2 - le solaire

Après l'éolien, nous allons nous attarder quelque peu de la deuxième énergie renouvelable la plus installée en ce moment, le panneau solaire.

1) Historique
L'utilisation de l'énergie solaire comme source de production thermique est vieille comme le monde mais son utilisation pour produire de l'électricité est finalement assez récente. En 1839, un physicien français découvre l'effet photvoltaïque. En 1954, des panneaux photovoltaïques ont été conçus tout d'abord pour les programmes spatiaux afin que les satellites puissent communiquer avec la Terre. Cette application s'est ensuite étendue aux sites isolés des réseaux de distribution électrique. Et nous connaissons en ce moment, une course à l'industrialisation du principe de la cellule photovoltaïque autrment appelée photopile pour diminuer son coût, augmenter son rendement et la rendre accessible à tous.


2) Un panneau solaire, c'est quoi??
Un panneau solaire peut servir à la production de deux types d'énergie: l'électricité et la chaleur.
- Pour ce qui est du panneau photovoltaïque:
La technologie n'est pas encore jugée parfaitement mature dans le sens où le secteur découvre très régulièrement de nouvelles possibilités technologiques pour exploiter au mieux l'énergie solaire et que la taille et le coût de l'installation pour produire ne serait ce qu'1 MW est encore assez élevé (2.5 à 5ha)
Pour l'instant, on peut observer des panneaux solaires faits de deux plaques de verre protecteurs entre lesquelles sont situées une ou plusieurs couches de cellules faites de silicium mono ou polycristallin. Le procédé s'est aussi développé en couche mince vaporisable sur des matériaux très différents. Ces couches minces utilisent d'autres matières que le silicium et peuvent se permettre un rendement quasi similaire en utilisant d'autres longueurs d'onde de la lumière que le silicium.
Une cellule photovoltaïque est composée de plusieurs couches de silicium. La couche supérieure appelé semi conducteur N est composé de silicium et d'un autre élément contenant plus d'électrons. La couche inférieure nommé semi conducteur de type P est faite d'une couche de silicium "dopé" d'un élément avec moins d'électrons. Le contact des deux couches permet un passage des électrons d'une couche à l'autre. Lorsque la lumière arrive sur le panneau, des électrons passent de la couche N à la couche P. Les charges des deux couches sont modifiés, il y a différence de potentiel et donc formation d'un courant électrique.
L'ensemble du panneau contribue à créer un courant continu qu'il suffit de transformer en courant alternatif pour qu'il soit accepté sur le réseau d'où la présence d'onduleurs pour chaque installation. Toute ligne électrique étant enterrée pour les énergies renouvelables, un cable part en souterrain de l'onduleur pour rejoindre un poste de livraison où est comptabilisé et lissé le courant électrique. Le tout est ensuite transféré à un poste source EDF qui distribue le courant aux consommateurs.
Les nouvelles technologies mises en place consistent à suivre le soleil durant la journée. Le rendement augmente alors de 25% en moyenne mais le coût du mécanisme faisant suivre le soleil est assez élevé.
- Les panneaux photothermiques
Un panneau photothermique a une surface absorbante soit de simple couleur noire soit traités au chrome permettant le captage de l'énergie solaire en termes de chaleur. Le traitement au chrome a ceci d'intéressant qu'il permet d'avoir un rayonnement dans l'infra rouge beaucoup plus faible que la couleur noire seule. L'absorption du spectre optique varie de 60 à 80% selon l'absorbeur utilisé. Sous le panneau se trouve un réseau doté d'un fluide antigel à un ballon d'eau situé généralement à l'intérieur de la maison. Ce ballon est rempli par de l'eau froide et chauffer via un système échangeur de calories. Selon les possibilités architecturales et financières, on peut imaginer un système au sol (moins résistant l'hiver), un thermosyphon ou une pompe afin de faire circuler l'eau.

3) L'intérêt de cette énergie renouvelable
Le potentiel solaire Français varie énormément d'un endroit à un autre selon l'exposition du site. Toutefois, on peut noter qu'une bonne moitié sud de la France (en traçant une ligne entre St Nazaire jusqu'à Genève) a une capacité théorique de plus de 5kWh/m².
Cela ne signifie pas pour autant qu'une installation solaire au nord de cette ligne soit inintéressante mais le rendement sera plus faible (3 kWh/m² dans le nord) et le retour sur investissement par conséquent plus long. Il convient donc d'étudier le potentiel solaire très finement.
Les capacités des panneaux sont mesurées selon un ensoleillement standard de 1000W par m² à 25°C, d'où l'utilisation de l'unité Watt crête (Wc). Avec un rendement maximal observé de 14%, et sachant que la puissance nominale d'1m² de panneau est de 100 Wc. Ce même m² délivrera ainsi en moyenne 130kWh auxquels il faut déduire les pertes dues au transport et à l'installation en elle-même (pertes de 20 à 30%) Le m² de panneaux solaires produit donc entre 0.25 et 0.4kWh et évitera ainsi l'émission de 50kg de CO2 par an par rapport à une production électrique de source pétrolière.
Le coût de l'électricité d'origine solaire est élevé par rapport au coût de l'électricité classique ou même par rapport à d'autres énergies renouvelables soit 30c€.kWh lorsque les panneaux sont installés au sol et 55c€/kWh lorsque les panneaux sont imbriqués à la charpente. Le coût de cette énergie est calculé en prenant en compte la recherche, la technologie mise en place, le matériel mais aussi le démantèlement. Un panneau a une durée de vie estimée de 20 ans environ. Une fois l'installation démontée, la terre ou le toit est de nouveau utilisable comme avant.


En espérant vous avoir appris quelque chose, on se retrouvera plus tard pour une autre EnR ;-)

EnR - Partie 1 - l'éolien

Suite à la pénurie annoncée des sources d'énergie fossile, les énergies renouvelables sont vouées à se développer de façon importante dans les années à venir. L'Union Européenne (UE) s'est engagée en faveur du développement de ce type d'énergie afin de montrer l'exemple au reste du monde. La France, en tant que deuxième gisement éolien d’Europe, est destinée à développer cette source d'énergie plus qu'aucune autre. En 2006, la France atteint le troisième rang européen en terme de puissance installée dans l'année. Le développement de l'éolien français prend enfin la pente de croissance capable de se rapprocher sensiblement des objectifs donnés par l'UE.

Nous parlerons donc, dans cette première de l'éolien.


1) Historique

Les éoliennes telles qu'on les connait aujourd'hui ne sont que la reprise industrielle des anciennes et plus petites éoliennes qu'utilisaient des particuliers en Egypte pour des besoins domestiques comme le pompage de l'eau dès le 17éme siècle avant J.C. et dès le 12éme siècle en Europe. Ces petites éoliennes existaient même avant l'apparition des premiers moulins. Ces moulins à vent, utilisés notamment par les meuniers pour transformer le blé en farine, sont en effet, devenus courant qu'à partir de 1439 en Hollande. Vers 1870, on voit apparaître les premières roues éoliennes des américains tandis que les éoliennes Bollées de conception française commencent à se développeur dans la région des Pays de la Loire et du Centre. Enfin, c'est vers 1880 que naissent les premiers aérogénérateurs couplant une éolienne à un générateur d'électricité. (Trehin, 2005)

La principale différence entre ces anciennes éoliennes et les contemporaines sont, outre leurs hauteurs, leur capacité de se connecter au réseau électrique. La première éolienne en France à se connecter au réseau date de 1994 (3).

2) Une éolienne, techniquement c'est quoi?

Une éolienne est constituée (de bas en haut):

• d'une base en béton et d'une virole en acier
• d'un mât de 60 à 120m de haut
• de trois pâles reliés entre elles par un moyeu fixé à la nacelle
• d'une nacelle possédant les éléments permettant la transformation de l'énergie cinétique en électricité. On retrouve principalement, dans ce dernier, un frein ainsi qu'un multiplicateur allié à un générateur. La nacelle contient de plus des anémomètres pour mesurer le vent et un mécanisme d'orientation (figure 2).

Les éoliennes contemporaines atteignent 150m de hauteur totale avec les pâles. Cette hauteur est vouée à augmenter au fur et à mesure de la maturité des technologies afin d'atteindre des vents plus purs (plus réguliers et plus forts) et donc, des rendements plus élevés. Toutefois, la hauteur n'est pas le seul critère qui rentre en compte, la taille des pales, le profil de ces dernières. De telles éoliennes permettront l'implantation de projets sur les sites où le vent était jusqu’alors considéré comme non rentable.

Lorsque le vent devient suffisant, un automate, renseigné par les anémomètres, commande au mécanisme d’orientation de placer l’éolienne face au vent. Le vent entraine les pales, entre 10 et 25 tours par minute, qui font tourner un arbre lent. Le multiplicateur augmente la vitesse de rotation et fournit cette accélération à l'arbre rapide qui transmet le mouvement rotatif au générateur produisant alors l'électricité. Le fonctionnement d'une éolienne dépend donc principalement de la vitesse du vent.
Généralement, on accorde qu'à partir de 3-4 m.s^-1, on atteint la vitesse d'amorçage où l'éolienne délivre l'énergie compensant l'alimentation des auxiliaires. A plus de 4m.s^-1, on atteint la vitesse de fourniture où l'énergie devient disponible pour l'utilisateur. L'éolienne a aussi une limite haute de fonctionnement nommée vitesse de coupure, elle est généralement située à 25m.s^-1, et sert à protéger la machine de vents violents. Le rendement énergétique des éoliennes est fonction de la vitesse du vent au cube.
Cependant, il est à noter que les éoliennes ne pourront jamais récupérer 100% de la puissance du vent. En effet, si toute cette énergie était captée, il n'y aurait plus de vent derrière les pales de l'hélice. La loi de Betz (1926) démontre que le maximum d'énergie récupérable est égal à 16/27 de la puissance théoriquement récupérable, c'est-à-dire environ 59%.

3) Coupons un peu d'herbe sous le pied...

L'opposition en France contre les éoliennes est farouche et assez bien organisée. Derrière cette opposition, on ne retiendra qu'une seule chose: "l'éolien, c'est moche". Argument subjectif au possible que personne ne pourra retenir comme pertinent. Voici les autres arguments:

- "Les éoliennes, ça fait du bruit."

La France a la législation la plus stricte d'Europe et celle-ci s'est encore renforcée en 2007. Il est appliqué la loi du bruit sur le voisinage. Les éoliennes ne doivent pas créer un "+" de bruit de 3dB(A) la nuit et 5dB(A) le jour. La meilleure façon de se faire une idée est d'aller un jour de vent, au pied d'une éolienne et de s'en éloigner de 200, 500, 700m.

Il a été révélé via un sondage fait en 2 temps (avant et après l'implantation d'éoliennes) que les plaignants par rapport au bruit avaient déjà une dent contre les éoliennes...

- "La France produit déjà plus d'électricité qu'elle n'en consomme. On a fait des centrales nucléaires qui sont productrices d'énergie non carbonnée..."

La France a construit beaucoup plus de centrales que nécessaire au départ. Mais la consommation électrique augmente chaque année de 1 à 2% et l'état de centrales demande une maintenance de plus en plus lourde. Quelles énergies doit-on développer pour répondre à cette augmentation de la consommation ? De plus, la France est de plus en plus importatrice d'électricité (chauffage en hiver et climatiseurs en été) et les centrales nucléaires ne sont pas aussi réactives que les barrages ou les centrales thermiques.

L'énergie nucléaire est une énergie non carbonnée certes mais elle reste productrice de déchets et la France est le réceptacle des déchets nucléaires de l'Europe...

- "Lorsqu'on implante des éoliennes, il nous faut installer une puissance équivalente en centrales thermiques"

Les centrales thermiques nécessaires à la réactivité de la production d'électricité en cas de pertes de productivité éolienne, on les a déjà; nous avons même assez de capacités thermiques pour les objectifs du développement éolien de la France. La société de transport d'électricité RTE estime les émissions de CO2 évitées à 300g/kWh. il a ainsi été évité la production de 900 000 T de CO2 pour l'année 2006. L'installation d'éoliennes réduit les besoins en équipement thermique. L'éolien est donc appelée énergie de substitution par RTE.

- "La valeur immobilière des maisons environnantes diminue"

Les agences immobilières ne constatent pas de diminution de la valeur immobilières des maisons environnants les parcs éoliens. On voit aussi la création de nouveaux lotissements bien après la création de parcs éoliens. Enfin, il est à noter qu'un parc éolien crée une manne financière pour les communes sur lesquelles il est implanté permettant ainsi un meilleur entretien des routes, l'ajout de services tels qu'une maison de la santé, etc..

- "On les fait tourner car sinon elles ne fonctionneraient pas, c'est que du vent, elles ne servent à rien et ne produisent qu'un quart du temps"

La rentabilité d'un parc éolien dépend du potentiel éolien local. C'est pour cela qu'un mât de mesures de vent est disposé sur chaque site étudié. Les investisseurs demandent des données précises pour que le parc éolien puisse avoir une productibilité forte. EDF achetant l'électricité produite, les investisseurs achètent un parc éolien lorsque celui-ci va être rentable. Bref, les éoliennes sont donc construites après des études de vent poussées, sur des sites où il y a du vent! Elles produisent un quart du temps à pleine puissance certes mais ceci est dû à la variabilité du vent tout simplement. A côté de ça, elles produisent de l'électricité 80% du temps. A titre de comparaison, une centrale nucléaire a un rendement qui tourne autour des 30% du temps pleine puissance.

Si on faisait tourner les éoliennes, cela consommerait de l'énergie et ne serait pas rentable du tout.

- "On veut bien de l'éolien mais pas ici, ici ce serait moche"

Ceci est l'argument classique connu sous le nom de NIMBY ("oui mais pas dans mon jardin"). Il n'est pas recevable mais reste malgré tout la critique la plus souvent posée devant l'éolien. On ne peut que la relativiser: Vous préférez des lignes haute tension? de l'énergie fossile qui coûte de plus en plus chère car se faisant de plus en plus rare? dépendre d'un autre pays pour vous éclairer? revenir à la bougie? râler encore et toujours contre la mairie qui ne peut subvenir à toutes les demandes de ces concitoyens? Quand on est pour, on se doit d'assumer ses idées. La peur de l'inconnu a toujours bougé les foules. Si on devait prendre un tableau d'art abstrait. Vous pouvez le trouver moche. Si on vous explique pourquoi, comment, ce qu'il représente etc..., vous allez le trouver intéressant. Le côté beau n'est pas le seul intérêt de l'art et la beauté n'est pas que apparente. Pour l'éolien c'est pareil, il faut apprendre à regarder. Renseignez-vous!

- "De toute façon l'éolien c'est qu'une affaire de gros sous"

Les bilans des exercices de plusieurs développeurs sont disponibles sur leur site internet. Les bénéfices sont loin d'être extravagants. Tous les projets éoliens n'aboutissent pas, il faut pourtant à chaque fois, investir dans des études couteuses pour s'assurer de la potentialité ou non. Le prix de l'éolien (8,2 cents par kWh) a été construit comme celui de l'énergie solaire (30 à 50 cents par kWh). Il comprend tous les coûts des projets : la recherche technologique, le raccordement électrique, le démantèlement.. La Commission Européenne conclut suite à un travail de recherche que l'énergie éolienne est, toutes externalités confondues, la moins chère de toutes les sources d'énergie.

- "Pourquoi entends t-on parler que de cette énergie?"

Certainement la faute aux opposants eux-mêmes aujourd'hui... (ironique). L'éolien est la forme d'énergie renouvelable la plus mature technologiquement et industriellement parlant. Elle n'est pas là pour faire de l'ombre aux autres formes d'énergie. On ne développe pas l'éolien pour répondre à 100% de la consommation électrique française mais pour diminuer la production de gaz à effet de serre de nos centrales thermiques.

- "Une éolienne est un vrai hachoir à oiseaux et ne parlons pas des chauve-souris"

Un bon projet tient compte des avis de tous (propriétaires des terrains, exploitants, mairies, développeurs, services de l'Etat, préfet, paysagiste, Bureau d'études, ..) et via une pré étude et l'étude impact, les flux migratoires des oiseaux, les espèces rares ou protégées, les endroits sensibles sont repérés. Les oiseaux ne sont pas non plus aussi bêtes que l'ont pourrait croire; une bonne partie de l'avifaune dévie de son chemin lorsqu'elle rencontre un parc éolien. Les éoliennes ne représentent qu'une infime part de la mortalité des oiseaux à l'année due surtout aux impacts sur les vitres d'immeubles, aux lignes électriques, aux chats sauvages. De plus, via les mesures compensatoires propres à chaque parc, il est possible de financer l'achat de parcelles et un suivi faunistique fort afin de préserver voire d'améliorer la conservation des espèces.

La mortalité des chauve souris s'explique par une dépression et surpression trop élevés au passage d'un pâle pour les poumons de ces petits animaux. Mais, sachant que les chiroptères ne sortent pas de leurs "nids" lorsqu'il y a trop de vent, il peut être envisagé d'augmenter la valeur de la vitesse de démarrage des éoliennes.

4) L'intérêt de l'éolien

Il existe une énergie renouvelable qui est le vent. Cette énergie est propre et naturelle. De plus on sait l'utiliser donc...autant le faire, non?

Une éolienne rembourse son cout écologique en 4 à 6 mois. Le vent est variable mais il est prévisible et cette variabilité peut être compensé tout simplement en répartissant des parcs éoliens sur plusieurs régimes de vent. La France a le deuxième gisement éolien d'Europe et 4 régimes de vent majeurs (océanique, sud, nord et continental). Il nous faut donc utiliser cette énergie.

Une grande éolienne permet d'alimenter 2000 personnes (hors chauffage électrique) et n'oublions pas non plus la possibilité d'implanter des petites éoliennes pour les sites isolés (fermes, maisons isolées, iles etc..) qui à moindre hauteur fournissent moins d'électricité mais permet d'abaisser grandement la facture d'électricité et permet toujours de consommer propre.