Les Énergies Renouvelables

1. Les Énergies Renouvelables

2. Les Énergies Renouvelables • Aujourd'hui, la consommation d'énergie pose de nombreux problèmes : la plupart des énergies utilisées sont polluantes, et les plus utilisées ne sont pas renouvelables à l'échelle humaine (gaz, pétrole, charbon...) ; enfin elles sont la principale source d'émission de gaz à effet de serre(GES) donc la principale cause du réchauffement globale. C'est à ce dernier problème que nous allons nous intéresser. Par la suite, nous étudierons les solutions envisagées par l'homme afin de pallier au réchauffement climatique, plus précisément les énergies renouvelables. Enfin nous essayerons de répondre à la question : le développement des énergies renouvelables permettra-t-il d'enrayer le réchauffement climatique? Comme le montre ces graphiques, l'homme est responsable de plus de 70% des émissions de CO2 qui est le gaz contribuant le plus à l'effet de serre malgré sont PRG de 1(potentiel de réchauffement global) du fait de sa non polarité, celui-ci peut rester jusque 200 ans dans l'atmosphère, c'est donc le gaz à effet de serre le plus présent dans l'atmosphère.

3. Le réchauffement climatique Le réchauffement climatique ou réchauffement global est un phénomène naturel d'augmentation de la température des océans et de l'atmosphère sur plusieurs années via l'effet de serre. L'effet de serre fonctionne de la façon suivante : lorsque les rayons solaires atteignent la Terre, une partie de ces rayons (~30%) est directement renvoyée dans l'espace notamment par les nuages et par la calotte glaciaire (l'albédo détermine quelle fraction des rayons solaires incidents sont renvoyés). Une deuxième partie est absorbé par l'atmosphère (~20%) et une troisième par la surface de la Terre (~50%). Les rayons absorbé amènent alors de la chaleur à la Terre que celle-ci renvoie sous forme de rayonnement infrarouge. Le rayonnement infrarouge ne retourne pas entièrement vers l'espace, il est piégé dans l'atmosphère par les GES, ce qui augmente la température de celle-ci et par conséquent celle de la Terre. Comme nous l'avons vu précédemment, l'activité humaine renforce la teneur en GES de l'atmosphère. La production d'énergie requiert par exemple l'utilisation de combustibles fossiles à hauteur de 80% au niveau mondial, ce qui entraîne un dégagement important de GES en particulier de dioxyde de carbone. Or comme nous l’avons vu précédemment le CO2 joue un rôle majeur dans le réchauffement climatique ; l'étude de carottes glaciaires a montré qu'il y a 10 000 ans le taux de CO2 dans l'atmosphère était de 280ppm contre 360ppm aujourd'hui, soit une augmentation de presque 30% de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

4. Les conséquences de ce réchauffement • A long terme, ce réchauffement aura des conséquences désastreuses : • La fonte des glaciers qui est une des manifestations les plus spectaculaires de ce réchauffement, elle fait monter constamment le niveau des mers et plusieurs îles telles les Maldives et les Tuvalu seront bientôt englouties par les eaux si cette fonte continue de s'accroître. Cette fonte des glaces va de plus augmenter la température car l'albédo (Rr/Ri) de la Terre qui est aujourd'hui en moyenne de 0,39 va diminuer, ceci résultera d'une plus grande absorption des rayons du soleil... De plus la fonte des pergélisols (sol gelé en permanence) est aussi inquiétante, ceux-ci renfermant des quantités importantes de méthane qui est comme nous l’avons vu un GES avec un PRG de 23 c’est-à-dire 23 fois plus puissant que le CO2 bien que sa durée de séjour dans l’atmosphère ne soit que de 12 ans. • Les continents, quant à eux, risquent de s’assécher peu à peu, l’Afrique est le premier continent touché et bientôt l’eau douce déjà rare sera quasi-inexistante. En Europe, les canicules comme celles de 2003 seront de plus en plus fréquentes. • Certaine espèces ont de plus en plus de mal à survivre comme par exemple les ours polaires (fonte des glaces), la biodiversité de notre planète est donc menacée. • Au contraire, certaines espèces vont proliférer comme les rats et les moustiques, or ces espèces sont vecteurs de maladies(peste/paludisme) pour l'homme et l'on risque d'être confronté dans le futur à des épidémies plus fréquentes, voir des pandémies... • Le réchauffement de l’Atlantique tropical semble également doper les ouragans comme Katrina en 2005. • Devant toutes ces menaces dont l'Homme a pris conscience qu'il en était le responsable, celui-ci doit agir. • Les énergies renouvelables propres sont une des réponses de l'Homme face à ce problème. Recul de glacier au Groenland (2001-2005)

5. Les énergies renouvelables Il existe 5 types d'énergies renouvelables : l'énergie solaire, l'énergie géothermique, l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne et la biomasse (combustion de matière organique tel que bois ou biocarburant... cette énergie est considérée comme renouvelable tant que la quantité brûlée n'excède pas la quantité consommée; cependant nous ne nous intéresseront pas à cette énergie car elle n'est pas propre et émet notamment des GES). Bien que n'étant pas une source d'énergie il est intéressant de parler de l'hydrogène qui est un vecteur d'énergie (réservoir d'énergie, permettant de stocker et transporter cette énergie); il pourrait à thermes remplacer les vecteurs d'énergies produits à partir du pétrole comme l'essence, le kérosène, le diesel... L'hydrogène pourra contribuer avec les énergies renouvelables à la lutte contre le dérèglement climatique. Nous allons étudier en détail deux types d'énergies renouvelables : l'énergie solaire et l'énergie géothermique, afin de voir ce que donne ces énergies en pratique. Panneau photovoltaïque Pompe à chaleur (géothermie) Éolienne Barrage hydraulique

6. L'énergie solaire Il existe 2 types d’énergie solaire : 1. L'énergie solaire photovoltaïque L'énergie solaire photovoltaïque est une forme d'énergie renouvelable permettant de produire de l'électricité par transformation d'une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont nécessaires pour produire une quantité conséquente d’énergie, c’est pour cela qu’elles sont regroupées en module; les installations de ce type, pour être rentable, même pour le particulier demandent plusieurs modules. Installation photovoltaïque dans une maison : Une cellule photovoltaïque est composée d’un semi-conducteur généralement à base de silicium, lors que ceux-ci sont exposés à des photons(lumière) qui ont une certaine longueur d’onde, donc une certaine énergie, ceux-ci transmettent leur énergie aux électrons ainsi une tension continue est générée(~0.5V par cellule). Le courant produit étant continu, il est nécessaire de posséder un onduleur afin de transformer ce courant en un courant alternatif qui pourra être utilisé par le réseau. Centrale photovoltaïque : Une centrale solaire photovoltaïque produit à l’heure actuelle de 120 MWh pour les plus petites à 12GWh par an pour les plus grandes comme Solarpark en Allemagne. (plus de 100 fois moins qu’une centrale nucléaire moyenne) En moyenne un mètre carré de panneau produit environ 3 kWh en Europe et jusqu’à environ 6 kWh par jour entre les tropiques (variation en fonction de la saison et du panneau utilisé). Centrale solaire "Bavaria Solarpark" en Allemagne ; actuellement le plus grand parc d’Europe avec 250 000m² de panneaux. Un ménage moyen consomme en moyenne 3 000 kWh tout au long de l’année.(hors chauffage)

7. L'énergie solaire 2. Énergie solaire thermique On désigne par énergie solaire thermique la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique. La production de cette énergie peut être soit utilisée directement (pour chauffer un bâtiment par exemple) où indirectement (comme la production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir une énergie électrique). Principe de fonctionnement : La chaleur est récupérée grâce à un fluide (mélange eau/antigel ou air) caloporteur, qui s'échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un vitrage. Celui-ci laisse pénétrer la lumière solaire et minimise les pertes par rayonnement infrarouge de l'absorbeur en utilisant l'effet de serre. Ce vitrage permet en outre de limiter les échanges de chaleur avec l'atmosphère. Fonctionnement : Le Capteur solaire thermique (1) a pour rôle de recevoir le rayonnement solaire et d’échauffer le fluide circulant à l’intérieur.(le fluide atteint une T° de 80°) Le circuit primaire (2) transporte la chaleur. Ce circuit contient de l’eau additionnée d’antigel qui s’échauffe en passant dans les tubes du capteur et se dirige vers un ballon de stockage. L’échangeur thermique (3) cède les calories solaires à l’eau sanitaire. Le liquide primaire, refroidi, repart vers le capteur (4), où il est chauffé à nouveau tant que l’ensoleillement le permet  Le ballon solaire (5) constitue la réserve d’eau sanitaire. L’eau chaude soutirée est immédiatement remplacée par de l’eau froide du réseau (6), réchauffée à son tour par le liquide du circuit primaire.  La circulation du liquide primaire est assurée par une pompe électrique (7). Un dispositif de régulation (8) met en marche la pompe lorsque la sonde du capteur (9) est plus chaude que celle du ballon (10).  Enfin, lorsque l’apport solaire ne suffit pas, un dispositif d’appoint prend le relais. Il peut s’agir d’une résistance (appoint électrique) ou d’un serpentin (11) (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière.  Panneau solaire thermique Ce système de panneau solaire thermique se combine avec une chaudière classique auxiliaire qui sert d’appoint . Cela permet de chauffer son eau à hauteur d’environ 50-70%. Principe de fonctionnement d’une installation solaire thermique chez un particulier.

8. L'énergie solaire Centrale solaire thermique : Les centrales solaires thermiques fonctionnent de la même manière que les installations présentent chez certains particuliers précédemment décrites, sauf qu’il s’agit de faire converger plus de lumière vers un point pour permettre de chauffer un fluide caloporteur atteindre des température allant de 400 à 1000°C, afin que l’eau atteigne sa température d’ébullition se transformant ainsi en vapeur qui entraine ainsi un alternateur qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique(courant électrique alternatif). Cette photo montre la centrale solaire thermique Nevada Solar One située près de Las Vegas; avec sa puissance de 62 MW, cela fait d’elle la plus puissante centrale de ce type. Des projets sont a l’étude, notamment de tours solaires pouvant atteindre une puissance théorique de 200 MW(Projet de Buronga en Australie)

9. L'énergie solaire Ce que donne l’utilisation de l’énergie solaire en pratique : exemple de l’Allemagne L'Allemagne est le numéro un mondial de l'énergie solaire, elle représente 55 % de la production d'énergie solaire mondiale et 75 % de la production mondiale : en 2006, l’Allemagne a produit plus de 2500 MW d’électricité photovoltaïque et 4700 MW thermique. Ce chiffre impressionnant est grandement dût au particulier, qui produis à eux seul 1000 des 2500 MW produites par l’énergie solaire photovoltaïque. Comme nous le montre ce graphique, lorsque l’on rapporte l’électricité solaire fournit par le pays au besoin de celui-ci, on se rend compte que à l’échelle du pays, l’électricité fournit par ce type de production ne représente qu’une infime partie de l’énergie consommée. De plus, elle est comptabilisée dans les énergies renouvelable qui ne à eux seul que 9% de la production ; en outre il ne faut pas perdre de vue que le solaire est de loin distancé en Allemagne par l’énergie hydraulique éolienne et la biomasse… Cependant, il est important d’avoir un regard critique sur la chose et donc de prendre en compte que cet élan de l’Allemagne pour l’écologie n’est pas si vieux et est soumis à une croissante très importante : l’Allemagne voudrait que les énergies renouvelables couvrent 50% de ses dépenses en 2050… (ceci étant possible à la vu de la croissance des différentes énergies renouvelables en Allemagne) Ainsi, l’énergie solaire à l’heure actuelle même si elle présente de nombreux avantages reste trop chère pour être développée dans tout un pays, mais la forte croissance présent dans ce domaine va sans doute faire changer les choses et rendre cette énergie plus abordable et donc largement plus développée, engendrant donc une production qui pourrait devenir significative…

10. L'énergie géothermique La géothermie désigne l’utilisation de l'énergie géothermique issue de la Terre (énergie accumulée lors de l’accrétion de celle-ci, la désintégration des isotopes radioactifs du manteau et rayonnement du soleil) qui est convertie ou non en électricité. Il existe 3 types de géothermies : 1. La géothermie à très basse énergie et basse énergie a. Très basse énergie La géothermie très basse énergie est définie par l’exploitation d’une ressource présentant une température inférieure à 30°C (source peu profonde : moins de 80m de profondeur), qui ne permet pas, dans la plupart des cas, une utilisation directe de la chaleur par simple échange. Elle nécessite donc la mise en œuvre de pompes à chaleur qui prélèvent cette énergie à basse température pour l’augmenter à une température suffisante ; ce système est surtout destiné à être utilisé dans les maisons. Une pompe à chaleur est un dispositif permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que spontanément la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. Ce type d’installation permet d’assurer le chauffage d’une maison partiellement voir totalement et ne consomme que peu d’électricité. Pour une consommation de 1kwh, ce système en restitue 4 sous forme de chaleur. Principe : Il s'agit d'extraire la chaleur contenue dans le sous-sol pour l'utiliser comme chauffage et utiliser cette chaleur directement ou de la transformer en électricité. 1) le condenseur : le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l'habitation en passant de l'état gazeux à l'état liquide. (liquéfaction entrainant un échauffement) 2) le détendeur : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide. (refroidissement) 3) l'évaporateur : la chaleur prélevée à la source froide vaporise le fluide frigorigène. 4) le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression du fluide frigorigène en le comprimant. Fonctionnement d’une pompe à chaleur

11. L'énergie géothermique b. Basse énergie On parle de « géothermie basse énergie » lorsque le forage permet d'atteindre une température de l'eau entre 30°C et 100°C dans des gisements situés entre 1500 et 2500 m de profondeur. Cette technologie est utilisée principalement pour le chauffage urbain collectif par réseau de chaleur. Il s’agit du même système que celui précédemment décrit, sauf qu’il s’étend à partir d’un seul forage sur tout un quartier en raison de la quantité d’énergie thermique dégagée. Ce système permet par exemple d’assurer les besoin d’eau chaude et de certains quartiers de Paris. 2.La géothermie à moyenne et haute énergie Dans ces deux types de géothermie sont assez proches, il va s’agir d’exploiter l’eau chaude profonde contenue dans les nappes phréatiques pour entraîner directement ou indirectement une turbine qui fait fonctionner un alternateur. Moyenne énergie Dans ce cas de figure, l’eau est à une température élevée mais insuffisante pour être gazeuse(pression importante en profondeur), on utilise en général un échangeur de chaleur : l’eau réchauffe le liquide d’un circuit secondaire et le porte à ébullition. C’est le gaz ainsi produit dans le circuit secondaire qui fera tourner une turbine et produira l’électricité(alternateur), avant d’être de nouveau liquéfié est renvoyée sous Terre pour se réchauffer de nouveau. b. Haute énergie Dans cette situation, l’eau est à une température très élevé et donc sous forme gazeuse malgré la pression, elle est envoyée directement dans la turbine(il peut être nécessaire de séparer la vapeur d’eau des éventuelles gouttelettes d’eau avant l’envoie dans la turbine pour ne pas l’endommager), puis une fois liquéfiée elle rejoint la nappe pour y être réchauffer et ainsi réutilisée. NB : Toutes les installations ne renvoient pas l’eau, mais il est préférable de la faire pour augmenter la durée de vie de la nappe phréatique.

12. L'énergie géothermique Schéma Explicatif : (ici pour une installation a moyenne énergie)

13. L'énergie géothermique Ce que donne l’utilisation de l’énergie géothermique en pratique : exemple de l’Islande L'Islande est le pays par excellence de la géothermie. Trois cents sites exploitent cette technique sur des zones à basse ou à haute température. L'énergie consommée dans le pays est à 40 % d'origine géothermique, 85 % des maisons et la quasi-totalité des bâtiments publics utilisent les ressources géothermiques pour le chauffage. Ces chiffres s’expliquent du fait que l’Islande se situe entre les deux plaques lithosphériques (Nord Américaine et Eurasienne) et est donc sur une dorsale, et l’Islande est également réchauffée par la présence de point chauds, il en résulte un très fort gradient géothermique, d’où l’efficacité de ce mode de production. Ainsi, on peut voir que la géothermie correctement développée et courante permet une production d’énergie étonnante. Alors, certes l’Islande est favorisée par sa position géographique ce qui lui permet une production bien supérieure à n’importe quelle autre endroit du globe, mais leurs très bon résultats ne sont pas dût qu’aux conditions extrêmes, mais aussi à la percée de l’énergie géothermique. L’Islande est donc un pays propre, du point de vue du réchauffement global, elle doit se statut grâce à ses condition exceptionnelles et grâce à la combinaison des différentes énergies renouvelable (géothermique + hydraulique).

14. Conclusion Rappel de la problématique : Le développement des énergies renouvelables permettra-t-il d'enrayer le réchauffement climatique? • Au terme de cette analyse, il apparaît clairement que l’on ne peut pas répondre par un simple oui ou non à la problématique que nous nous étions fixé. • Certains éléments apparaissent comme positifs à la lutte contre le réchauffement climatique : • la croissance des différents énergies renouvelables est plus qu’encourageante, elle gagne du terrain sur les énergies fossiles. • la technologie ne cesse de progresser et le rendement devient de plus en plus intéressant au fil du temps. • Le prix des différentes technologies devient de plus en plus accessible. • L’Islande, pays développé le plus propre au monde nous donne un jour l’espoir de tendre vers ce modèle énergétique où les énergies renouvelables sont très nettement majoritaires. • Au contraire, d’autres élément laisse plus place au pessimisme : • La population ne cesse d’augmenter, ceci augmente notre besoin en énergie. • Notre confort qui ne cesse également d’augmenter et gourmant et chaque année dans les pays développés on constate une augmentation de la consommation d’énergie. • De nombreux pays vont ou ont déjà engagés leur phase de transition démographique, donc d’industrialisation et de pollution • Les forêts s’amoindrissent chaque année et donc de moins en moins de dioxyde de carbone est absorbé • Devant tous ces points délicats il est impossible de dresser une image certaine de notre avenir, mais plusieurs choses sont certaines ou fortement probables : tout d’abord il est clair que nous ne pouvons pas continuer à vivre comme nous le faisons en gaspillant de l’énergie (la science va dans ce sens : par exemple le remplacement des ampoules à incandescence par des ampoules économiques, appareils maintenus en veille inutilement…), enfin il est probable que le nucléaire cohabite pendant un certain temps avec les énergies renouvelables, celui-ci ne participant pas au réchauffement climatique(le nucléaire pose qu’un problème majeur : le traitement des déchets).

15. Bibliographie : • Source pour le réchauffement climatique : • Science et Vie HS n°240 (article sur le climat) • http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9chauffement_climatique • http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_de_serre • http://fr.wikipedia.org/wiki/GES • http://www.cea.fr/jeunes/themes/le_climat • http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_renouvelable • Source pour l’énergie solaire : • Science et Vie HS n° 241 (article sur la maison du XXIe siècle) • http://www.ciele.org/filieres/solairephotovoltaique.htm • http://www.ciele.org/filieres/solairethermique.htm • http://fr.wikipedia.org/wiki/Energie_solaire • http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_solaire_photovolta%C3%AFque • http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_solaire_thermique • http://www.waechter-energies.com/thermique.htm • http://voltaique.nuxit.net/index.php?option=com_content&task=blogcategory&id=13&Itemid=35 • http://www.eosolar.fr/solaire-photovoltaique-vendee.php • http://www.renewables-made-in-germany.com/fr/ • http://fig-st-die.education.fr/actes/actes_2003/deshaies/article.htm • Source pour la géothermie : • Science et Vie HS n°241 (article la maison du XXIe siècle) • http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9othermie • http://www.planete-energies.com/contenu/energies-renouvelables/geothermie/electricite-geothermique.html • http://www.ciele.org/filieres/geothermie.htm • http://www.actu-environnement.com/ae/news/islande_energie_renouvelable_geothermie_3245.php4