La consommation mondiale d’énergie ne cesse d’augmenter, influencée par le développement technique, l’accroissement de la population et la croissance économique








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I. INTRODUCTION
La consommation mondiale d’énergie ne cesse d’augmenter, influencée par le développement technique, l’accroissement de la population et la croissance économique qui en résulte.

Ainsi le 20ième siècle a vu la population mondiale multipliée par 4 et la consommation énergétique multipliée par 20 !

Au niveau mondial, environ 14% de l’énergie primaire (voir annexe 1) sont fournis par des énergies renouvelables.

Comment fonctionnent-elles ? Quels sont leurs intérêts et leurs limites ?

Pourquoi les développer ? Pourquoi en parle-t-on tant aujourd’hui ?

Avant cela, voici d’abord quelques précisions concernant l’énergie.
II. L’ENERGIE
L’énergie est la capacité à fournir un travail.

Il existe 6 formes principales d’énergie :

  • l’énergie thermique, ou chaleur.

  • l’énergie électrique.

  • l’énergie chimique (dans les carburants ou batteries, par exemple).

  • l’énergie potentielle, due à la gravité.

  • l’énergie cinétique, dans les objets en mouvement.

  • l’énergie nucléaire.

L’unité de mesure de l’énergie est le Joule.
La puissance d’un système est l’énergie développée par ce système par unité de temps. Elle correspond donc à un débit d’énergie. Elle se mesure en watts (W).

1 Watt = 1Joule /seconde.
Pour mesurer l’énergie en terme de puissance, on utilise souvent les unités suivantes :

  • le kilowattheure (kWh) : 1kWh = 3,6 MJ (Mégajoules).

  • La Tonne d’équivalent pétrole (TEP) : 1 TEP = 42 GJ (Gigajoules).


L’énergie est principalement utilisée pour la production d’électricité, la production de chaleur et le transport.
Le système énergétique est l’ensemble des opérations effectuées sur l’énergie, depuis sa source d’approvisionnement jusqu’à son utilisation par l’homme.

On distingue 4 niveaux d’énergie :

  • l’énergie primaire : celle disponible dans la nature (renouvelable ou non).

Exemples : pétrole brut sortant du puits, chute d’eau au pied d’un barrage, énergie lumineuse arrivant sur un capteur solaire,…

  • l’énergie secondaire : celle obtenue après transformation de l’énergie primaire.

Exemples : l’électricité produite dans les centrales électriques, le carburant après raffinage du pétrole brut,…

  • l’énergie finale : celle qui est transportée et distribuée à son utilisateur.

Exemple : l’essence dans le réservoir, le gaz naturel dans notre cuisinière,…

Cette énergie finale n’est qu’une fraction (un peu plus de la moitié) de l’énergie primaire.

  • l’énergie utile : celle juste nécessaire à la satisfaction du besoin.

Exemples : le déplacement en voiture, la cuisson des aliments, l’éclairage des pièces,…

L’énergie utile ne représente qu’1/3 de l’énergie primaire mise en œuvre.

Deux tiers ont donc été perdus dans l’environnement (sous forme de chaleur).
La majeure partie de l’énergie primaire utilisée dans le monde provient de gisements de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) (80%) ou d’uranium (6,8%) (voir annexe 1).

Ces gisements, constitués au cours de millions d’années, sont en quantité limitée et donc épuisables.
Les énergies fournies par le soleil, le vent, les chutes d’eau, les océans, les marées, les végétaux, la chaleur de la Terre, n’ont pas de réserves limitées et se reforment constamment. Elles sont donc renouvelables.

La majorité de ces énergies renouvelables n’a en fait que deux sources : le soleil (qui est à l’origine du vent, du cycle de l’eau, de la croissance des végétaux) et la Terre.

Par extension, on assimile souvent l’énergie tirée des déchets à une énergie renouvelable : on peut en effet considérer que l’activité humaine ou animale est perpétuelle, et donc source de déchets sans cesse renouvelés.
III. POURQUOI DEVELOPPER LES ENERGIES RENOUVELABLES?
L’utilisation des énergies renouvelables n’est pas nouvelle. Depuis des millénaires, l’homme a utilisé la chaleur du soleil, a brûlé du bois ou des déchets, a utilisé la chaleur de la Terre dans les régions volcaniques, a fait tourner des moulins à vent ou à eau, a exploité la force des marées.

Mais, depuis deux siècles, ces énergies ont progressivement été supplantées par les énergies fossiles. La Révolution industrielle a en effet fait du charbon une source d’énergie prépondérante et la deuxième moitié du 20ième siècle a vu le pétrole s’installer comme énergie reine, suivi du gaz, tandis que commençait l’exploitation de l’énergie nucléaire.
Cependant, les 2 chocs pétroliers des années 70, suivis de la Guerre du Golfe dans les années 90, ont fait ressentir à certains pays leur dépendance, tant au niveau économique (augmentation du prix), qu’au niveau de l’approvisionnement, vis-à-vis des pays producteurs de pétrole.

64,8% des réserves prouvées de pétrole sont situées au Moyen-Orient…(voir annexe 1).


De plus,  au début des années 2000, la prise de conscience du réchauffement climatique et de ses conséquences a rendu urgent le recours aux énergies renouvelables.

La combustion des énergies fossiles conduit en effet à l’émission de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère. Ce gaz, naturellement présent en quantité infime, favorise le réchauffement de la surface terrestre en retenant la chaleur produite par les rayons solaires. C’est ce qu’on appelle l’effet de serre, sans lequel aucune vie ne serait possible. Malheureusement, l’émission de CO2 est telle qu’elle accroît dangereusement l’effet de serre, entraînant un réchauffement climatique (estimé de ± 1,8 à  ± 4°c au cours du 21ième siècle) dont les conséquences risquent d’être catastrophiques : augmentation, en nombre et en force, des précipitations, tempêtes et cyclones ; fonte des glaces ; augmentation de la sécheresse dans les régions subtropicales ; augmentation du niveau moyen des océans, entraînant des inondations,….
Certains pays (38 pays industrialisés), conscients de ces dangers, ont décidé de réduire les émissions de six gaz à effet de serre (le CO2, le N2O, le CH4, les HFC, les PFC, le SF6).

Ils se sont engagés, en signant le Protocole de Kyoto, à diminuer ces émissions d’au moins 5,2% par rapport au niveau de 1990 durant la période allant de 2008 à 2012. Chacun de ces 38 pays industrialisés se voit ainsi fixer un objectif de réduction spécifique. (voir annexe 2)
Par ailleurs, la combustion des énergies fossiles émet des particules qui, mélangées à l’humidité atmosphérique, forment des nuages toxiques (riches en acide nitrique et sulfurique) retombant en pluies acides, nocives pour l’environnement et pour la santé.
Si le nucléaire possède l’avantage de ne pas générer de gaz à effet de serre, il a néanmoins des inconvénients : émission de particules radioactives, déchets « encombrants », risque d’accidents.
La perspective d’épuisement des énergies fossiles (quelques dizaines d’années pour le pétrole et le gaz, 2 siècles pour le charbon) est un argument supplémentaire en faveur des énergies renouvelables.

IV. LES DIFFERENTES ENERGIES RENOUVELABLES.
1. L’énergie solaire.
Le soleil possède une température de surface de 6000°C, maintenue par de la fusion nucléaire qui s’opère en son sein. Une grande partie de cette énergie est perdue dans l’espace, mais les radiations qui parviennent sur Terre représentent une source constante d’énergie.

Ajoutons que l’énergie solaire est l’énergie renouvelable la plus importante.

Elle peut être convertie en chaleur ou en électricité.
A. L’énergie solaire convertie en chaleur pour la production d’eau chaude, à usage sanitaire ou pour le chauffage :

Pour ces usages, l’eau ne nécessite pas d’être chauffée à plus de 50 à 60° C.

Le rayonnement solaire est intercepté par des capteurs. Ceux-ci sont constitués d’une surface plane absorbante en métal, dans laquelle sont sertis des tubes où circule soit de l’air, soit de l’eau à réchauffer (dans les pays où il ne gèle pas), soit un liquide « caloporteur » (qui transférera sa chaleur à l’eau à travers un « échangeur »). La surface métallique est en général noircie pour absorber au maximum le rayonnement et en réémettre le moins possible .La plaque absorbante et ses tubes sont en général inclus dans un caisson vitré, de manière à emprisonner la chaleur dans ce caisson (effet de serre).

L’eau ainsi chauffée peut être dirigée vers :


  1. un ballon ou chauffe-eau  (voir annexe 3) :

La circulation de l’eau ou du fluide caloporteur vers le ballon peut se faire grâce à une pompe. Celle-ci n’est pas nécessaire si le ballon est situé plus haut que le capteur (en effet, le fluide chauffé monte, car il est plus léger).

Il existe aussi des systèmes où le capteur et le ballon forment un bloc. Ils sont généralement installés sur des toits-terrasses, dans des pays chauds, tels Israël, la Grèce, la Turquie,…

Dans les pays où les toits sont inclinés, ces systèmes monoblocs pèsent trop lourd sur la charpente et sont en outre jugés inesthétiques.

Quand le soleil n’est pas là, le chauffe-eau a besoin d’une énergie d’appoint pour fonctionner.

Sous notre climat, la surface de capteurs nécessaires à un chauffe-eau est de 3 à 5m² pour une maison moyenne (4 personnes).


  1. un plancher chauffant (voir annexe 3) :

Le fluide des capteurs solaires (en général de l’eau, mélangée à de l’antigel) est envoyé dans des tubes en plastique serpentant dans un épais plancher. Celui-ci chauffe non seulement pendant les heures d’ensoleillement, mais aussi durant les premières heures de la nuit, la chaleur ayant été stockée dans l’épaisse dalle (12 à 15cm).

Si cette dalle emmagasine plus de chaleur que nécessaire, celle-ci peut être dirigée vers un ballon d’eau chaude sanitaire. On parle alors de système combiné (chauffage + eau chaude sanitaire).

En l’absence de soleil, un chauffage d’appoint est nécessaire. Celui-ci peut être branché sur le plancher chauffant, à condition que ce dernier soit un plancher solaire à appoint intégré. On évite alors le coût de radiateurs, poêles, convecteurs, …

Cependant un tel plancher est coûteux (deux fois plus qu’un plancher solaire normal ou qu’un chauffage traditionnel).

La surface des capteurs nécessaires est d’1 m² pour 10 m² de surface habitable.


  1. une piscine

Des capteurs solaires, en général non vitrés, peuvent chauffer les piscines (individuelles ou collectives).
L’énergie solaire thermique ne représente, à l’échelle mondiale, au début du 21ième siècle, que 0,04 % de la consommation d’énergie.

B. L’énergie solaire convertie en électricité.
a) Indirectement après conversion en chaleur puis en énergie mécanique dans les centrales thermiques solaires.
La chaleur solaire est concentrée, par focalisation des rayons solaires, pour atteindre une température de plusieurs centaines de degrés.

Elle est ensuite convertie en énergie mécanique, elle-même convertie en énergie électrique, suivant le même principe de fonctionnement que celui d’une centrale électrique thermique classique (voir annexe 4) :

La chaleur est transmise à un circuit dont elle transforme l’eau en vapeur. Cette vapeur (à haute température et à haute pression) actionne soit un piston (qui est ainsi poussé), soit une turbine (qu’on fait ainsi tourner).

Le mouvement linéaire du piston (converti en mouvement rotatif) ou le mouvement rotatif de la turbine fait ensuite tourner un générateur électrique.

La chaleur a donc fourni une énergie mécanique, elle même convertie en énergie électrique.

Plus la chaleur fournie au départ est élevée, plus le rendement final de ces transformations est élevé.

Il existe différents types de centrales solaires se distinguant surtout par la manière dont les rayons solaires sont focalisés (voir annexe 3).
Le rendement des centrales solaires est de 15 à 20%. On estime qu’il pourrait atteindre 30% et donc se rapprocher du rendement des centrales à charbon ou à fioul, qui est de 35%.
Ces centrales solaires ne conviennent que dans des régions où le rayonnement du soleil est très important : Australie, Inde, pourtour de la Méditerranée, une bonne partie de l’Afrique et de l’Amérique,…Dans ces pays, elles semblent promises à un très grand développement.
De plus, ces centrales nécessitent de grandes et plates surfaces de terrain. Il faut aussi que ces surfaces ne soient pas trop loin des réseaux électriques existants ou des zones de consommation.

b) Directement par effet photovoltaïque.
L’effet photovoltaïque, découvert par le physicien Becquerel en 1839, permet la conversion directe du rayonnement solaire en électricité.

Lorsque les photons (particules de lumière) frappent certains matériaux, ils délogent et mettent en mouvement les électrons des atomes de ces matériaux. Or le courant électrique n’est rien d’autre qu’un mouvement d’électrons.
Des cellules photovoltaïques ou photopiles transforment directement la lumière du soleil en électricité.

Elles sont composées de matériaux semi-conducteurs (généralement du silicium) qui ont la propriété de convertir la lumière qu’ils reçoivent en charges électriques (voir annexe 3).

Des photopiles sont connectées en série. Ces séries de cellules sont montées en parallèle et intégrées entre deux feuilles de verre serties sur leur pourtour dans un cadre en aluminium ou en acier. Le tout forme un panneau rectangulaire : un module photovoltaïque.

Une installation peut en comprendre plusieurs.

Ces modules photovoltaïques doivent être installés dans des endroits où il n’y aura pas d’ombre.

L’énergie solaire étant intermittente, il faut pouvoir stocker l’énergie produite dans des batteries, ou être relié à un réseau de distribution électrique.
Avantages :

  • énergie disponible partout à la surface de la Terre.

  • usage non polluant.

  • les cellules n’ont pas de partie mécanique et ne nécessitent guère d’entretien.


Inconvénients :

  • le soleil est intermittent et on ne peut pas le stocker.

  • le coût de production des cellules photovoltaïques est très élevé. (En effet, le silicium est cher (et l’est de plus en plus en raison d’une forte augmentation de la demande)).

  • la fabrication des cellules dégage du CO2.


Les systèmes photovoltaïques sont principalement utilisés :

  • dans de petits appareils : montres, calculettes, gadgets,…(1% du marché).




  • dans des équipements électriques éloignés de tout réseau,

  • qu’il s’agisse d’équipements publics ou professionnels :

  • ex. : - l’éclairage de monuments isolés.

- l’électricité nécessaire à  :

  • des balises lumineuses (ex. : bouées maritimes).

  • des toilettes mobiles.

- des installations de chantiers mobiles.

  • ou qu’il s’agisse d’habitations ou de villages isolés, surtout dans les zones rurales des pays en voie de développement.

  • dans la production d’électricité raccordée à un réseau de distribution :

  • soit par des toits ou murs photovoltaïques.

  • ex. : mur antibruit près de l’aéroport d’Amsterdam.

  • soit par des centrales électriques photovoltaïques.

  • ex. : aux Etats-Unis, en Italie, au Japon, en Espagne, en Allemagne, en Suisse.

Ce marché est en pleine croissance depuis 20 ans.
Les principaux pays fabriquant des modules photovoltaïques (Japon, Allemagne, Etats-Unis, Espagne) ont veillé à développer chez eux des systèmes photovoltaïques reliés au réseau, qui leur servent ainsi de démonstration et de vitrine à l’exportation.
L’électricité photovoltaïque est 5 à 10 fois plus chère environ que l’électricité « traditionnelle ».
Le rendement énergétique des cellules photovoltaïques est de 10 à 15% en pratique, et presque de 30% en labo. 
En 2005, l’électricité d’origine photovoltaïque ne représentait que 0,02% de

la production mondiale d’électricité.
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