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Quel est le potentiel d’innovation des technologies existantes ?

Posté le par La rédaction dans Entreprises et marchés

Les nouvelles technologies de l’énergie ont permis, depuis quelques décennies, d’envisager un futur décarboné. Non pas que l’environnement et sa préservation ne soient devenus des enjeux vitaux. La problématique concerne surtout les énergies fossiles et leur plus gros défaut : ces ressources sont finies. Quoi qu’il arrive, il faudra donc, tôt ou tard, produire de l’énergie 100 % renouvelable.

Ainsi, l’émergence des productions d’énergies :

Toutes ces technologies de production d’énergie ont vu leurs rendements  s’améliorer au fur et à mesure, jusqu’à devenir des solutions économiquement envisageables. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour autant, aucune de ces technologies n’a aujourd’hui remplacé le pétrole, le gaz ou le nucléaire. Les raisons sont nombreuses, mais deux explications se dégagent : les prix de revient, et les investissements à consentir ne permettent pas aujourd’hui, de construire de modèles économiques satisfaisant par rapport à l’existant.

Il est également compliqué de remettre en cause un modèle bâtit et intégré pour consommer des énergies fossiles. 

Il est donc indispensable, pour généraliser l’usage des énergies renouvelables, de proposer un modèle présentant un modèle économique voisin voire meilleur que celui existant aujourd’hui, ainsi que des performances en termes de rendement révolutionnaires par rapport à ceux offerts par l’exploitation des énergies fossiles. 

La production d’énergie éolienne est à la mode depuis plusieurs décennies.

L’innovation autour de cette technique de production d’énergie n’a cessé depuis plus de vingt ans et a permis de créer des éoliennes exploitant l’énergie du vent sur terre, sur mer. Et même sous la mer, avec le développement des hydroliennes.

Malheureusement, l’industrie éolienne  souffre de deux défauts majeurs :

  • La productivité : déjà relativement faible, elle est totalement dépendante de la continuité et de l’intensité du vent. Le recours à d’autres énergies est alors souvent nécessaire.
  • Les matériaux : l’installation d’un mât requiert une grande quantité de matériaux et le bilan carbone de l’opération n’est pas toujours très positif (surtout si l’on compte le démantèlement). Enfin, on accuse les éoliennes, qu’elles soient sur terre ou en mer, de générer une pollution visuelle dans les paysages, voire une pollution sonore susceptible de déranger les habitations alentours.

Les projets concernant l’éolien visent donc à faire de ce type de production d’énergie une voie d’avenir, en s’affranchissant de ces deux limites.

Deux entreprises américaines, Joby Energy et Makani Power, ont trouvé la solution pour rendre l’éolien plus productif, plus économique, et moins gênant à mettre en place physiquement : il s’agit d’installer des éoliennes… dans le ciel.

En effet, ces sociétés viennent de présenter des prototypes d’éoliennes semblables à des cerfs-volants, et qui auraient la capacité de s’élever à plus de 400 mètres pour capter des vents plus constants et plus puissants. Les estimations en termes de gains de production laissent penser un doublement par rapport aux techniques actuelles.

L’électricité, elle, serait transmise via des câbles attachés à l’édifice aérien.

Autre atout : les coûts en matériaux seraient drastiquement réduits (absence de travaux). Makani Power estime que sa machine serait cinq à dix fois moins chère qu’une éolienne classique. Et Joby Energy annonce des dépenses 20 fois moindre.

Ces innovations offriraient en outre l’avantage d’être facilement déplaçables, ce qui permettrait de suivre les vents et de répondre à d’éventuelles plaintes pour nuisances visuelle ou sonore. Les premiers produits devraient être commercialisés en 2015.

L’énergie osmotique est pour le moment une source de production d’énergie sous exploitée de par le monde. Mais cela pourrait changer.

En effet, l’énergie osmotique, qui utilise les différences de concentration entre deux milieux pour créer de l’énergie, est tout ce qu’il y a de renouvelable.

L’exemple le plus connu est l’utilisation de la différence de concentration en sel entre l’eau de mer et l’eau douce pour générer de l’énergie.

Mais dans un avenir proche, les nanotechnologies pourraient permettre de casser une barrière technologique et d’atteindre des rendements compétitifs, ce qui n’est pas du tout le cas aujourd’hui.

En effet, des physiciens de l’Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l’Institut Néel (CNRS), ont pu, pour la première fois, mesurer l’écoulement osmotique traversant un nanotube unique de Bore-Azote. 

C’est en séparant l’eau salée de l’eau douce avec cette technique qu’ils ont pu produire à travers le nanotube un courant électrique d’une intensité d’un nanoampère, c’est-à-dire mille fois plus puissant que celui produit par les autres méthode d’exploitation de l’énergie osmotique.

Si on rapporte ces données à une échelle plus importante, il apparaît qu’une membrane de 1 m2 de nanotubes de Bore-Azote pourrait, en théorie, produire 30 000 kWh, c’est-à-dire de quoi alimenter en électricité une dizaine de foyers (hors chauffage). Il suffirait donc d’un hectare de ce type de membranes osmotiques pour alimenter en électricité tous les foyers d’une ville comme Toulon !

Mais pour l’heure, reste à évaluer la faisabilité d’une production industrielle de ce type de membrane en nanotubes de Bore-Azote.

La production hydroélectrique. Quelques chiffres : les centrales hydrauliques fournissent environ 16% de l’électricité mondiale, mais cette part varie selon les pays. Elle atteint :

  • 80% au Brésil ;
  • 99% pour cent en Norvège ;
  • 6% aux États-Unis
  • En France, la puissance installée vaut 25 400 MW et la production environ 68 térawattheures (TWh) par an, soit 12 % du total. 

La France se place donc au 8ème rang mondial en termes de puissance installée et au 9ème pour l’énergie produite. Le parc français d’EDF est constitué de 447 centrales hydroélectriques et de multiples STEP ; ces dernières avaient en 2008 une capacité de 4 300 MW. Cependant, cette puissance fournie ne peut l’être que pendant quelques heures. Il y a donc une intermittence dans la production d’électricité qui n’est pas sans rappeler les limites que l’on touche avec l’énergie éolienne par exemple.

Mais ces limites technologiques ne semblent pas irrémédiables. Les experts estiment que le potentiel de développement de cette technique de production est 3 fois supérieur à son niveau actuel ! Si l’investissement nécessaire ainsi que les impacts humains et écologiques pèsent sur les projets de grands barrages, l’avenir semble prometteur pour la petite hydroélectricité.

L’énergie hydraulique exige peu de frais d’exploitation et d’entretien. Sa durée de vie est exceptionnelle et son exploitation très fiable grâce une technologie bien éprouvée. Rien qu’en France, parmi la soixantaine de grands barrages encore en activité, nombreux sont ceux à avoir été construits avant 1960. Le plus ancien, situé dans la Nièvre, a été achevé en 1858.

L’énergie hydraulique répond aux besoins d’ajustement de la production électrique lors des brusques fluctuations de la demande. 

Elle apporte également une réponse aux besoins d’ajustement de la production électrique lors  des pics de consommation ou de brusques fluctuations de la demande d’électricité. Car, si l’on ne peut stocker l’électricité à grande échelle, on peut en revanche retenir l’eau dans de grands réservoirs au moyen de barrages ou de digues. Une façon simple et efficace d’emmagasiner de l’énergie potentielle. D’autant plus qu’une centrale hydroélectrique peut atteindre sa puissance maximale en quelques minutes. À titre de comparaison, une dizaine d’heures sont nécessaires à une centrale thermique pour monter à sa pleine puissance. Un délai multiplié par quatre pour un réacteur nucléaire.

A priori, l’énergie hydraulique semble réunir tous les atouts. Mais l’implantation d’ouvrages colossaux et la création de retenues d’eau ne sont pas sans conséquences sur l’environnement et l’activité humaine :

  • si elles ne sont pas prises en compte, certaines conséquences de la création d’un barrage peuvent se révéler graves sur un plan écologique : blocage de la migration de certaines espèces aquatiques, affection du niveau des nappes phréatiques, transferts de matières en suspension et sédiments, pollution sonore, etc. En outre, les structures écologiques en place sont perturbées par la création de la retenue d’eau en amont et la baisse du débit en aval ;
  • Pour retrouver un équilibre écologique durable, plusieurs décennies peuvent être nécessaires. Dans tous les cas, des études longues et coûteuses s’imposent pour mesurer l’impact écologique de l’édification d’un barrage ;
  • outre des impacts écologiques, l’implantation d’une retenue d’eau a des conséquences sur l’activité humaine. Un déplacement de populations ou d’activités économiques (agricoles par exemple) peut parfois se révéler nécessaire : en amont, en raison de la création d’une étendue d’eau, et en aval, en raison de l’assèchement de certaines zones limitrophes au cours d’eau. 

Par ailleurs, les grands et moyens barrages coûtent très cher : les gouvernements cherchent de plus en plus à faire appel à des fonds privés ou aux grands organismes internationaux comme la Banque mondiale pour les financer. Mais jugés trop longs à amortir et rentabiliser, les projets hydroélectriques peinent à convaincre les investisseurs.  

L’avenir de l’hydroélectricité dépend donc, pour une bonne part, de la force de persuasion des États et de potentiels accords public / privé.

 

La géothermie exploite la chaleur de la Terre pour produire du chauffage ou de l’électricité. Écologique, mais encore peu exploitée, elle pourrait représenter une piste intéressante pour le développement durable des énergies.

Plus on descend en profondeur dans la croûte terrestre, plus la roche est chaude. La géothermie est l’utilisation par l’homme de cette chaleur pour produire de l’énergie.

Les ressources mondiales en géothermie haute température (production d’électricité) se concentrent dans un nombre limité de pays, autour des zones volcaniques actives du globe. Elles sont surtout localisées en Asie, dans les îles du Pacifique, en Afrique de l’Est et des Grands Lacs, en Amérique du Nord, dans les Pays Andins de l’Amérique du Sud, en Amérique Centrale et aux Caraïbes. Au total, une vingtaine de pays dans le monde produisent de l’électricité géothermique, pour une puissance d’environ 10 926 MW. Celle-ci joue un rôle essentiel dans certains pays comme les Philippines, où elle représente 17 % de l’électricité produite, ou l’Islande (30 %).1 On prévoit pour 2020 un quasi doublement de la puissance mondiale installée.2 

Pour la production de chaleur (géothermie basse énergie) la puissance installée est estimée à 27 000 MW. En 2005, plus de 70 pays déclaraient utiliser la géothermie pour produire de la chaleur, notamment le Japon, la Chine, l’Islande, les États-Unis et les pays d’Europe (2 500 MW)

Toutefois, le potentiel géothermique de la planète reste largement sous-exploité, en particulier dans de nombreux pays en développement. Mais dans ce cas, comme souvent pour les énergies renouvelables, le frein au développement est le manque de capitaux. Un puits géothermique coûte cher ; son étude préliminaire, son exploitation et sa surveillance nécessitent du personnel compétent et bien formé. Les pays en développement restent pour la plupart dépendants d’une aide extérieure…

En outre, la disponibilité de l’énergie géothermique est limitée géographiquement. Le transport de la chaleur sur de longues distances génère en effet d’importantes pertes thermiques. Il en résulte une difficulté à faire correspondre lieux de production et lieux de consommation pour couvrir les besoins en énergie. 

 

Par Pierre Thouverez

Sources : planète énergie, CNRS, RTflash, L’expansion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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