Mieux vivre, en ville et ailleurs

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emmissions Réduire les émissions des gaz à effet de serre : le rôle des villes

Pour atteindre les objectifs de réduction de 75% des émissions de gaz à effet de serre en 2050, il ne suffit pas de faire attention à éteindre les lumières quand on sort d’une pièce, ni même de remplacer  les lampes pour des modèles à basse consommation. Le problème est plus vaste.

En général, en France,  les transports (de personnes et de marchandises) et le bâtiment ( chauffage, éclairage, cuisine et salle de bain, multimédia) sont les principaux émetteurs de gaz à effet de serre (Voir par exemple le cas de Nice,  dixième plus grande ville de France). C’est là qu’il faut agir en priorité pour atteindre une réduction massive  (75%). Pour atteindre un tel niveau de réduction dans le futur, il faut changer les modes de transports et l’organisation des villes,  la construction et le chauffage des bâtiments,  la production d’énergie  et de biens, le recyclage, et même les habitudes alimentaires, … 1

Les  villes ont un rôle important à jouer : 50 % de la population mondiale vit dans les villes. Elles se sont développées  sans se soucier  de consommation d’énergie ou d’émission de gaz à effet de serre.  Aujourd’hui 70 % des gaz à effet de serre viennent des villes. En contrepartie, c’est dans les villes que les mesures  de réduction des émissions ont le plus d’impact et devraient permettre de réduire considérablement les émissions de CO2. Les grandes villes y travaillent déjà, en France et dans le monde 2. Ces objectifs sont atteignables,  avec de l’électricité, des  transports, des infrastructures plus propres,  et avec  de petites modifications du mode de vie.

La première étape consiste à effectuer des mesures pour identifier exactement les activités les plus émettrices de gaz à effet de serre.

performancePerformance énergétique des bâtiments.

thermal imaging of a multi-story building

Pour réduire la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre  des bâtiments  on peut réduire leur besoin de chauffage et de climatisation, et leur consommation d’électricité.

La réduction massive des émissions de gaz à effet de serre dues au chauffage  demande :

1-      d’isoler thermiquement le logement de façon à réduire la consommation d’énergie. Ceci permet aussi des économie l’été sur la climatisation dont l’usage va devenir plus fréquent avec le réchauffement climatique.

2-      de remplacer le système de chauffage (surtout  s’il  est au fioul) par une chaudière à  bois, une pompe à chaleur ou un chauffage géothermique.

Le coût total d’une telle opération de rénovation  est  de plusieurs dizaines de milliers d’euros par logement, une somme trop importante pour de nombreux propriétaires.  Au coût actuel de l’énergie, une transformation totale d’un logement est rarement rentable financièrement en moins de 10 ou 20 ans. Pour 30 000 000 de logements au niveau de la France entière, le coût peut atteindre environ 1 000 milliards d’euros.  Par comparaison, la facture des énergies fossiles est de 80 milliards par an. Il s’agit donc d’investir des sommes gigantesques pour effectuer des transformations nécessaires, mais qui seront rentables en général seulement à long terme. Il s’agit donc d’un très gros problème économique auquel il faut trouver des solutions.

De façon générale, il est nécessaire de consommer moins d’énergie.  C’est pourquoi les radiateurs électriques sont remplacés par des pompes à chaleur, et les nouveaux appareils ménagers consomment moins d’énergie que les précédents.

transportsLes transports

Dans de nombreuses villes moyennes ou grandes,  la voiture est toujours la  reine des moyens de transport. Pourtant la plupart des trajets  en voiture sont des trajets courts (moins d’un ou deux km ) et on peut penser que  la ville peut offrir une grande variété de moyens de transports  capable de la remplacer : bus, tramway , métro, voitures électriques, vélos, rollers, trottinettes …

Mais on s’aperçoit que la création de nouveaux services de transports en commun ne fait pas forcément diminuer la circulation automobile : les habitudes ne changent pas facilement.

Pour provoquer un changement d’attitude des usagers, ces nouveaux moyens de transport doivent être accompagnés de services ou d’avantages qui peuvent contrebalancer un confort moindre : rapidité, prix, …3.  Certaines mesures ci-dessous par exemple, pourraient inciter les particuliers à utiliser une combinaison de transport en commun et de vélo électrique pour se rendre au travail :

  • Accepter les vélos et vélos électriques dans les parking gardés près des gares, pour faciliter leur utilisation entre domicile et gare.
  • disposer  d’une case près du parking  à vélo pour y ranger son casque est un vrai plus avant de poursuivre son voyage avec un autre moyen de transport
  • Les informations arrivant sur les smartphones à propos de l’état du trafic ou du remplissage des parkings permettent aussi aux usagers de se diriger vers la meilleure solution et font gagner du temps.
  • Des vélos ou vélos électriques en libre service disponibles à la sortie des gares pour achever le trajet rapidement, lorsque gare et lieu de travail sont séparés d’un kilomètre ou plus.

D’autre part,  même avec un réseau dense de moyens de transports diversifiés, les voitures ne peuvent pas être remplacées facilement pour certains usages, par exemple pour aller dans les supermarchés qui se sont développés en périphérie des villes. Alors, les voitures vont elles disparaître des villes ? Cela suppose de changer d’habitude, et de changer aussi l’organisation de la ville. L’arrivée de voiture hybrides et voitures électriques permettra aussi de faire baisser les émissions de CO2

A noter que l’énergie stockée dans les  batteries des véhicules électriques sera bientôt  loin d’être négligeable.  Elles pourraient  servir à stocker l’énergie pour la restituer au réseau en cas de surcharge, permettant de compenser leur prix élevé.

organisationL’organisation de la ville

Au cours des 50 dernières années, la plupart des villes se sont développées en s’étalant : en périphérie des villes les centres commerciaux et de nouvelles zones d’habitations ont vu le jour, très mal desservies par les transports en commun. La possession d’une voiture  y rend de tels services qu’elle est devenue une priorité, rendue possible par le prix bas des carburants. 4. Cette organisation est à l’origine de bien des pollutions de l’air, de l’eau, et de l’occupation de bonnes terres agricoles par les villes.

Il s’agit dans le futur d’organiser différemment la ville pour qu’il ne soit pas utile de posséder une voiture. L’idée est de rapprocher logements, services (crèches, écoles, magasins) et loisirs (jardins,  lieux de culture et  loisirs).   C’est sur ce  modèle que sont conçus les écoquartiers qui voient le jour à travers le monde. Cette transformation de la ville est une opération de longue haleine,  qui se construit petit peu par petit peu. Ces transformations de la ville prennent des années,  mais elles auront des conséquences importantes pendant des dizaines d’années.

Utiliser les énergies renouvelables

Actuellement, l’électricité est produite essentiellement par des centrales nucléaires qui n’émettent pas de gaz  à effet de serre.  Néanmoins, lors des pics de consommation, le soir, ou lors de vagues de froid ou de chaleur, la production d’électricité est assurée par des centrales thermiques classiques qui fonctionnent avec des combustibles fossiles. Des recherches sont menées pour stocker le CO2 émis par ces centrales thermiques de façon à ce qu’il ne soit pas envoyé dans l’atmosphère. Pour  rendre l’électricité moins carbonée, les collectivités (villes, régions)  peuvent aussi produire des énergies renouvelables :

– de l’électricité dans des centrales solaires ou éoliennes adaptées à leur territoire et leurs besoins. Elle est  vendue au réseau. Une gestion intelligente de celui-ci permet de distribuer cette électricité  en fonction des besoins locaux.

– de la chaleur par géothermie, ou lors du  traitements des déchets.

Valoriser les déchets

En moyenne, un Français produit près de 300 kg de déchets par an, soit environ 1 kg de déchets ménagers par jour … En 2050 ce chiffre aura diminué;  mais la collecte des déchets et leur valorisation restera une préoccupation majeure des agglomérations.   Traiter les déchets, permet  d’éviter les pollutions, de réduire l’impact de la consommation de matières premières, de réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Les déchets peuvent être valorisés de plusieurs façons :
  • Le recyclage  consiste à fabriquer de nouveaux produits ou nouveaux emballages à partir des emballages récupérés, ce qui préserve des ressources naturelles. Par exemple une tonne de canettes d’aluminium recyclée évite l’extraction de deux tonnes de bauxite.  En 2010, le recyclage des déchets ménagers s’est élevé à 3  millions de tonnes permettant une limitation d’émission de presque 2 millions de tonnes de CO2.
  • La combustion des plastiques permet de produire de l’énergie. Par exemple,  le recyclage d’une tonne de plastique permet d’économiser 650 kg de pétrole.
  • les cartons, papiers et végétaux peuvent être transformés en compost
  • Certains déchets demandent des traitements particulier comme les batteries, les médicaments…5.

Par exemple, dans l’éco-vallée du Var, le Syndicat Mixte d Élimination des Déchets6 a pour missions principales de trier les déchets du tri sélectif et de produire du compost à partir des ordures ménagères comme on le voit ici http://www.valleeduvar.fr/fiches/trier_valoriser_dechets/Presentation_usine_smed_broc.pdf

compost-au-brocalpes-maritimes

.Pour ce qui est de l’incinération, les anciennes installations ne se préoccupaient pas de récupérer chaleur et énergie. Par exemple dans la vallée de Chevreuse (175 000 habitants), la chaleur n’est récupérée que sur un seul des deux  fours de l’usine SIOM (avant travaux en 2012), la chaleur du four le plus ancien ne servant qu’à chauffer l’air.  A l’avenir une efficacité énergétique de plus de 65 % est recherchée, et la rénovation de l’usine vise la production de 18 GWh/an d’électricité, dont la moitié consommée par l’usine, et une production de chaleur récupérée  et valorisée de 100 GWh/an. Ces activités sont rentables puisque linvestissement réalisé permet de vendre chaleur  (1,3 M€ par an) et électricité (0,66 M€ par an), en économisant de l’eau (0,26 M€ par an). L’investissement sera donc  remboursé en environ 13 ans 7

mesurerLes smart grids pour une gestion intelligente de l’énergie

Dans les bâtiments et les villes, des ensembles de capteurs permettent de ne distribuer l’énergie que là où elle est utile : capteurs de présence pour éteindre ou baisser le chauffage de pièces inoccupées, l’éclairage des bâtiments publics,  des bâtiments et des rues …

Si ces données sont centralisées sur un ordinateur qui s’en sert pour piloter la distribution d’énergie, on parle de « smart Grid », c’est à dire, mot à mot  « réseau intelligent ». L’énergie est distribuée en fonction des besoins,  des pics de consommation,  … et de la production disponible. Le point important est d’abord l’information  fournie par une multitude de capteurs. L’ordinateur n’est pas très « intelligent » puisqu’il ne fait que piloter le réseau selon les scénarios qu’on lui a fourni. Les prévisions de la météo permettent d’anticiper la demande, de prévoir les pics de consommation, réagir à temps.

Les expériences en cours montrent que l’on peut ainsi atteindre des réductions de 10 à 30 % de  la consommation électrique, selon les villes et les installations.  Ces systèmes permettent de passer plus facilement les pics de consommation, qui sont les plus coûteux et les plus polluants. Cela rend aussi le réseau plus sûr, et moins cher.

Des projets démonstrateurs voient le jour en Europe8, en France en particulier le projet Nice Grid  dans la plaine du Var9, qui inclut une production décentralisée d’énergie par panneaux solaires, des systèmes de stockage électrique par des batteries, et environ 1500  consommateurs, qui sont à la fois des particuliers, des bureaux et des installations collectives. L’ensemble peut aussi recevoir  de l’électricité du réseau, ou lui en fournir10
Nice Grid

Mesurer pour pouvoir réduire

Comment réduire sa consommation d’énergie, ou ses émissions de CO2 si on ne connait pas  les gestes ou les appareils qui émettent le plus ?

En l’absence de compteurs il faut se fier à quelques règles générales :

  • Utiliser de l’électricité la plus décarbonée possible, en dehors de heures de pointe :  limiter  les dépenses d’énergie électrique entre 18 et 21 h.
  • Pour le transport : en voiture, favoriser  le covoiturage, sinon les autres transports terrestres.
  • Pour l’habitat : dans le futur l’énergie coutera plus cher, penser à prévoir des travaux. Savoir aussi que rideaux et volets limitent la fuite de calories en cas de froid. Si la chaudière est à changer, favoriser le bois.
  • Nourriture : produits de saison locaux, moins de surgelés, moins d’emballages, et moins de viande rouge.
  • Favoriser le recyclage, trier les déchets.

Les émissions de CO2 aujourd’hui et en 2050

emissions-co2-2050

L’exemple donné ci-dessus, en 2010, est celui du cas particulier, qui n’est pas forcément représentatif d’un français moyen. Il s’agit de l’émission de CO2 par un membre d’une famille de 4 personnes, qui habite un logement chauffé au fioul et mal isolé, dont un membre utilise une voiture tous les jours, et prend l’avion de façon exceptionnelle. L’émission de CO2 pour chaque personne est de 4,7 tonnes par an, ce qui est plus faible que la moyenne française : selon les études, celle-ci se situe entre 7,5 et 10 tonnes équivalent CO2 par an en France en incluant les autres gaz à effet de serre, comme le méthane émis dans l’agriculture.11

Le graphe montre comment les émissions de CO2 auront pu être réduites en 2050 par une famille similaire. En remplaçant la chaudière par une chaudière au bois, en utilisant un véhicule hybride ou électrique ou plus souvent les transports en commun, l’émission de CO2 est réduite de 2,8 tonnes par an, soit plus de la moitié des émission actuelles. Les biens de consommation et la production de nourriture produisent aussi moins de CO2, car l’énergie utilisée a été rendue moins productrice de carbone.  Les cantines de collèges ont par exemple été transformées pour ne pas utiliser de cuisson au gaz, ou de produits surgelés.A la maison, l’eau chaude sanitaire et l’électricité n’émettent quasiment pas de CO2, sans doute par l’usage d’électricité produite par des énergies renouvelables. Des panneaux thermiques fournissent peut être l’essentiel de l’eau chaude sanitaire.Le recyclage des déchets par la collectivité permet aussi d’abaisser le niveau d’émission de CO2.Dans cet exemple, en 2050, les émissions de CO2 atteignent 1,8 tonnes de CO2 par an, ce qui est encore un peu dessus de la moyenne de 1,5 tonne requise par les accords internationaux. Descendre au dessous de cette valeur demanderait à cette famille de- réduire encore les émissions dues au transport, par exemple en utilisant moins l’avion ou à condition que celui ci utilise des carburants non fossiles.

– réduire les émissions liées aux biens de consommation, soit en faisant plus attention à sélectionner des produits à basse émission, soit en différant les achats. Pour ce qui est de l’alimentation, éviter les viandes rouges permet de réduire les émissions de CH4.

L’énergie grise de construction de la maison, a été aussi très diminuée : la famille a emménagé dans un habitat construit selon de nouvelles normes qui prennent en compte les émissions de CO2 dues à la construction.

Exemples d’écoquartiers

ecoquartier-de-bonne-vue-panoramique

Références

  1. En France, en moyenne,  47% de l’énergie produite est utilisée par les ménages pour leur usage domestique.  Tout le monde croit que c’est le chauffage de l’eau qui consomme le plus d’énergie. En fait la consommation d’une résidence principale se répartit en moyenne de la manière suivante : 69% pour le chauffage,  et seulement 12% pour la production d’eau chaude sanitaire, 12% aussi pour des besoins spécifiques en électricité comme l’éclairage ou le réfrigérateur, et 7% pour la cuisson des aliments. []
  2. voir les plans climat énergie des villes de plus de 50 000 habitants  http://observatoire.pcet-ademe.fr/ []
  3. voir  les recherches sur l’usage du  vélo à assistance électrique à l’IFSTARR, et le site http://www.cleanenergyplanet.com/ []
  4. Dans une jolie petite ville du sud de la France, Lambesc (10 000 habitants), en PACA,  il a été calculé que les parents parcouraient chaque jour 6 500 km en voiture pour accompagner leurs enfants  à l’école ! La cause était que les établissements scolaires étaient tous regroupés au même endroit de la ville.  L’ouverture d’écoles dans d’autres quartiers a entrainé la diminution de ce nombre de kilomètres journaliers []
  5. voir http://www.smed06.fr/index.php?id=3396  dans l’Eco Vallée du Var ou : http://www.siom.fr/search/node/Upload   dans la vallée de Chevreuse dans la région parisienne []
  6. le site  http://www.valleeduvar.fr/index.php?page=dechets  contient de nombreux documents sur le traitement des déchets et le SMED []
  7. source : Présentation du fonctionnement de l’UION du Syndicat Intercommual des Ordures Ménagères de la Vallée de Chevreuse, par Yves Faure et http://www.dailymotion.com/video/xmjpx1_table-ronde-3-yves-faure-president-du-siom-91_news#.UdGDGqy0P50 []
  8. http://www.grid4eu.eu/ []
  9. http://www.nicegrid.fr/grid4eu-14.htm []
  10. voir un schéma de Nice Grid ici :http://www.nicegrid.fr/scripts/tinymce/uploaded/schemademonstrateur.png et un film de présentation http://www.youtube.com/watch?v=qsvaRarvV-E&feature=player_embedded []
  11. Pour les statistiques globales concernant nos émissions de gaz à effet de serre,  voir
    http://www.ipsos.fr/ipsos-public-affairs/actualites/2011-03-28-l-observatoire-bilan-carbone-menages
    -Carbone 4 http://www.carbone4.com, dans  La Lettre du Carbone N°2 de septembre 2011, donne des chiffres supérieurs de 10,5 tonnes par an et par personne, tous gaz à effet de serre confondus : http://www.carbone4.com/download/lettre_du_carbone/La_Lettre_du_Carbone_2.pdf []

Les transports de demain

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14litres Batteries et agro-carburants pour les transports

Le moteur à explosion est une invention du 19 ème siècle, place aux nouvelles inventions !

Rien qu’en France 150 000 tonnes de pétrole partent chaque jour en fumée dans les moteurs ! Dans le monde, 8 milliards de litres !  Et le nombre de voitures dans le monde ne cesse d’augmenter ! De plus, dans un moteur à explosion seuls 25% environ de l’énergie contenue dans l’essence ou le gasoil sert à faire tourner le moteur. L’essentiel de l’énergie part en chaleur, alors que chaque litre d’essence libère 1 200 litres de CO2.

A l’avenir comment remplacer ce pétrole (et autres fossiles) ?

  • Par de l’électricité : de nombreux véhicules seront électriques si le prix des batteries devient compétitif. Mais il faudra alors augmenter la capacité de production d’électricité : si on remplaçait tous les réservoirs d’essence par des batteries,  la consommation d’électricité augmenterait de180 TWh d’électricité  par an, rien qu’en France1 , c’est-à-dire  qu’il faudrait augmenter d’un tiers la production électrique française actuelle.
  • Par des agro-carburants, de l’hydrogène ou du méthane, produits massivement de façon durable. Cela sera peut-être possible par l’utilisation de micro-algues.

Mais dans tous les cas, la solution sera plus facile à trouver si la consommation d’énergie diminue, en baissant la part de la voiture dans nos déplacements avec des transports en commun par exemple !

velo electrique Le vélo électrique

Il y a plus de 100 millions de vélos électriques en Chine !

La bicyclette est le moyen de transport le plus économique.  Elle utilise la force musculaire. Avec une assistance électrique, elle reste faite pour les petits trajets. Par définition sa vitesse est limitée à 25 km/h. La batterie (2 à 3 kg) possède une autonomie proche de 50 km, elle est capable d’absorber les côtes les plus raides, et le prix de l’électricité est inférieur à 1 euro les 1000 kilomètres.  En comptant le prix du vélo et de la batterie, le prix du  km est inférieur à 3 centimes ! Elle est utile à la campagne et zones peu denses, par les chemins et petites routes. En ville, il faut des adaptations : parkings sécurisés, bornes de recharge, voies aménagées pour les cycles.

voiture basse consommation La voiture basse consommation

Une automobile consomme entre 20 et 40 fois ce que consomme un vélo pour parcourir la même distance, à cause de son poids et de sa vitesse bien plus grande.

Plus la voiture est légère, moins elle a d’inertie,  et moins elle a besoin d’énergie à l’accélération. Réduire la masse des voitures permet de réduire leur consommation. Mais ce n’est pas la seule façon de la réduire.

Par exemple les pneus dissipent de l’énergie en changeant de forme quand ils roulent, les pneus « verts » permettent une réelle économie. L’arrêt du moteur aux feux rouges constitue aussi un gain en ville. Mais l’hybridation permet d’envisager des réductions encore plus importantes de la consommation2

voiture hybride La voiture hybride

Une voiture hybride électrique possède deux moteurs : un moteur à essence et un moteur électrique.

La  Prius de seconde génération, qui fait référence dans le domaine rejette environ 90 grammes de CO2 dans un circuit urbain : son moteur électrique prend le relais dans les embouteillages, dans les accélérations, … et la batterie qui l’alimente se recharge au freinage : l’énergie de la vitesse, plutôt qu’être perdue en chaleur dans les freins, est convertie en électricité et recharge la batterie. Pour ceci,  il n’est besoin que d’une batterie capable de stocker 2 ou 3 kWh. En technologie NiMH, elle ne pèse que 30  kg.  Elle offre une autonomie très réduite de quelques kilomètres, mais l’intérêt est ailleurs :  la gestion astucieuse de l’énergie permet de réduire la consommation de carburant d’un facteur 2 en ville ainsi que les émissions de CO2.

Mais sur l’autoroute seul, le moteur thermique fonctionne, et l’hybridation n’apporte aucun avantage sur la consommation ou le rejet de CO2.

La voiture hybride chargeable

Les batteries faisant encore des progrès, elles  permettront, pour quelques kilogrammes de plus, une autonomie de 30 à 40 km. Les voitures hybrides pourront être rechargées à l’arrêt, pour ne rouler que sur batterie, en ville. Ce sont les hybrides chargeables ou hybrides « plug-in ».

La voiture hybride à air comprimé

Une variante de la voiture hybride consiste à utiliser l’air comprimé pour stocker l’énergie perdue au freinage. La capacité d’une bombonne de 80 litres pouvant supporter une pression de 300 bars (environ 300 fois la pression atmosphérique), est de l’ordre de  3 kWh3. Mais lorsque l’on comprime l’air, il chauffe, et lors qu’il se détend il refroidit, et seule une partie de l’énergie peut être convertie en énergie de mouvement, pour quelques kilomètres.  L’autonomie d’une voiture fonctionnant uniquement à l’air comprimé est très réduite. Mais dans un système hybride elle permet d’économiser plus de 30 % de carburant en ville.

Pour ce qui est du prix,  pour l’instant, les véhicules hybrides, quel que soit leur nature, sont plus chers que les véhicules conventionnels.

voiture electrique La voiture électrique est-elle propre ?

En France, 80 % des trajets sont inférieurs à 80 km. La voiture électrique y est très bien adaptée. Mais est-elle vraiment plus propre ?

D’abord combien consomme-t-elle ? Une voiture consomme entre 20 et 40 fois l’énergie d’un vélo. Pour les trajets inférieurs à 150 km, un réservoir de 30 kWh suffit, comme une batterie au lithium-ion de 200 kg.  Par contre l’autonomie décroit si les phares, ou surtout le chauffage, sont utilisés. Le rechargement de la batterie s’effectue sur une prise électrique, et prend entre 6 à 8 heures à cause de la limitation du réseau électrique. Les batteries pourraient être chargées en moins d’une heure avec des bornes « flash » de 40 kW de puissance, mais le réseau ne serait pas capable de supporter que des dizaines de milliers de voitures se chargent à la même heure.  De plus ce type de charge rapide détériore la batterie (pour en savoir plus, à ce sujet, voir les recherches menées à l’IFFSTAR ).

Pour ce qui est du CO2, combien une voiture électrique en émet-elle  ? En fait, cela dépend de comment l’électricité est produite : avec du charbon, qui émet 1 000 g de CO2 par kWh électrique produit, une voiture Li-ion émet presque 250 g au kilomètre, contre moins de 160 g pour une voiture à essence moderne, et encore moins pour une voiture hybride, en ville.  En France et dans d’autres pays où la fabrication d’électricité émet peu de  CO2 (entre 45 et 85 g de CO2 en France selon l’heure), la voiture électrique a un impact positif.

Quant à l’ensemble du CO2 émis durant la construction et le recyclage, il représente des centaines de kilos de CO2 par an sur toute la durée de vie de la voiture, pour une voiture à essence comme pour une voiture électrique. Allonger la durée de vie des véhicules permet d’amortir l’impact de leur construction.

Le prix des voitures électriques est encore très élevé, à cause du prix des batteries. Diminuer la masse des batteries, allonger leur durée de vie, permettra de baisser leur prix et être compétitif.

Enfin un autre avantage de la voiture électrique est l’absence de rejets de polluants comme les oxydes d’azote ou les particules, en particulier en ville.

fille Le covoiturage

N’utiliser qu’une voiture, et voyager ensemble, c’est plus sympathique. Cela demande plus de souplesse, un peu plus d’organisation, mais quelle économie ! Une seule voiture qui se déplace au lieu de deux ou trois, ça fait une vraie différence à la longue !

bus Le casse tête des transports en communs

Un trajet en bus consomme 3 fois moins d’énergie qu’en voiture, et un trajet en train 6 fois moins.

L’usager se satisfait des transports collectifs lorsque le réseau est dense, dans des très grandes villes comme Paris. Ainsi il peut plus ou moins rapidement atteindre sa destination. Cela suppose de nombreux équipements qui, forcément, circuleront à vide, ou presque, aux heures creuses. Or un autobus, par exemple, qui ne circule qu’avec un ou deux passagers, consomme plus d’énergie et pollue plus qu’une voiture particulière transportant ceux-ci.

Dans les périphéries des villes, en grande banlieue – l’habitat est dispersé et un réseau de transports en commun est peu rentable. Il est plus intéressant d’utiliser un système mixte,  dans lequel le voyageur se rend par lui-même à la gare la plus proche, puis effectue le reste du trajet en transport en commun.

A la station d’arrivée,  il doit pouvoir trouver un moyen de transport (bus, minibus, vélo, …) pour rejoindre rapidement sa destination finale,  s’il en est encore à quelques kilomètres. D’où l’idée aujourd’hui de transformer certaines gares en grands centres multimodaux.

avion Quelles solutions pour les avions ?

Les avions consomment presque autant d’énergie par passager qu’une voiture 4.  Et pour un aller retour Paris – New York, c’est une tonne de CO2 qui est émise par passager !

Les émissions de CO2 de l’aviation représentent 2,5 % de toutes les émissions fossiles, et 12 % de celles liées au transport. La question semble donc moins cruciale que pour le transport terrestre. Mais, d’une part le trafic aérien est en forte hausse, d’autre part, l’ensemble des émissions des avions ( CO2 et autres) ont un effet double au niveau de l’effet de serre (http://elib.dlr.de/59761/1/lee.pdf)

Pour limiter l’impact de l’aviation sur le climat,  les améliorations sur les moteurs et les avions seront essentielles.  Mais développer des solutions  pour remplacer à terme les combustibles fossiles va être nécessaire : les agro-carburants liquides et l’électrification ( batteries ou piles à combustible à l’hydrogène) sont les deux options les plus prometteuses .

Les agrocarburants de seconde génération ont déjà été testés sur des avions.  C’est la solution la plus simple, mais elle n’empêche pas une augmentation de l’effet de serre, car  l’ajout de CO2 en altitude a un impact plus important. L’avantage des réacteurs à hydrogène est de ne pas polluer du tout si l’hydrogène est produit par électrolyse utilisant de l’électricité produite sans émission de CO2 ou dans le futur, il est produit par des microorganismes de façon durable. Le problème qui limite  l’utilisation de l’hydrogène dans les transports est celle du poids des réservoirs (voir plus loin).

bateau Le transport de marchandises

Par km parcouru,  les trains, les porte-conteneurs, les péniches et les semi-remorques sont les modes de transport les plus efficaces du point de vue énergétique : chaque tonne transportée ne coûte que  quelques grammes de pétrole (entre  5 et 20 grammes). Les camionnettes et les avions consomment plus de 10 fois plus. Les trajets effectués en voiture personnelle consomment encore plus : environ de 3 à 5  kg de pétrole par km et par tonne de marchandises transportée. ( Voir la consommation des différents moyens de transport de marchandises)

Par exemple, pour livrer des marchandises (des tomates, des boissons, du riz, etc.), dans un magasin à 500 km du lieu de production, il faut 10 kg de gazole par tonne de marchandise voyageant dans un gros camion bien rempli de 30 tonnes (soit 300 kg de gazole  pour le moteur du camion) . Si  cette marchandise est achetée par 3 000 personnes (10 kg de marchandises chacune), devant faire 10 km en voiture aller-retour pour s’approvisionner au magasin, ces petits  trajets cumulés consomment en tout 1 500 kg de pétrole. Au niveau du transport, finalement, cette étape liée au consommateur est tout sauf négligeable dans le cycle de vie de l’objet. C’est le problème des centres commerciaux  qui ne sont accessibles qu’en voiture, loin des zones d’habitation. Ils ont été conçus quand on n’avait pas bien pris conscience des inconvénients des combustibles fossiles : on a laissé les zones commerciales s’installer à la périphérie des villes, et les villes s’étaler. Pour favoriser les économies d’énergie, des systèmes de livraison aux particuliers ou un retour au commerce local pourraient voir le jour, sous contrainte de présenter un coût peu élevé pour le consommateur.

ferroutage Et le ferroutage ?

Les émissions de CO2 sont de l’ordre de 100 fois plus faibles que celles d’un camion.

Le ferroutage, c’est à dire le transport associant le rail – sur les longues distances – et la route – sur les petites distances au départ et à l’arrivée – est intéressant en termes énergétiques et de pollution. Bien développé en Europe (il est en particulier très utilisé sur de longues distances entre l’Allemagne du Nord et les pays du Sud) ce mode de transport a du mal à s’imposer en France. En effet, 80 % du transport de marchandises en France se fait par la route et le rail ne contribue qu’à la hauteur de 12 %.

En 2007 une liaison quotidienne entre Perpignan et le Nord de la France a été mise en place. Cette liaison permet de transporter 30 000 remorques par an, soit environ 10% du trafic allant de la frontière Espagnole au Luxembourg. Elle réduit le coût du transport d’environ 10 % ainsi que la durée du trajet (14h30 au lieu de 17 à 22 heures). L’objectif est d’atteindre 300 000 camions par an à l’horizon 2012-2014 avec une dizaine de trajets quotidiens.

routes Routes, ponts et infrastructures

Routes, ponts, voies ferrées,  bâtiments … leur construction demande de l’énergie  et des ressources.

L’essentiel du bitume utilisé en France l’est sur les routes et les 2/3 des bétons sont destinés aux bâtiments et ouvrages d’art. La construction des infrastructures consommera-t-elle moins d’énergie dans le futur ? Il s’agit de diminuer les ressources nécessaires à leur construction, et surtout d’allonger leur durée de vie.

Par exemple,  un pont actuel a une durée de vie d’environ 100 ans. Au bout de 100 ans il faut pouvoir le modifier ou le détruire pour en construire un nouveau. A ce moment on est face à un casse-tête car la démolition n’a pas été prévue au départ, et  l’opération coûte très cher. Certes, les vieux matériaux de construction peuvent  être valorisés. Mais surtout, on réaliserait une économie importante  si l’on prévoyait  comment déconstruire les ouvrages d’art au moment de leur construction.

batterie Les batteries  du futur.

Les batteries stockent l’énergie sous forme chimique et la rendent sous forme électrique. Il s’agit de faire des batteries plus respectueuses de l’environnement.

Une voiture devant rouler entre 150 et 200 km a besoin d’au moins 30 kWh d’énergie utile. Environ 200 kg de nouvelles batteries (batteries au lithium) peuvent stocker cette énergie, avec une durée de vie autour de 100 000 km. Les batteries au Plomb par contre représentent une masse bien trop importante pour être utilisées ainsi.

Mais les  procédés actuels de production des batteries sont énergivores : la fabrication et le recyclage d’un kWh de batterie demandent environ 380 kWh, et libèrent 100 kg de CO2 !5. Pour l’avenir, il existe de nombreuses pistes de recherche : Par exemple actuellement, ce sont les électrodes des batteries qui sont les pièces les plus coûteuses en énergie à fabriquer. Il faudrait réussir  à les fabriquer en utilisant la chimie verte à partir de la biomasse : par exemple, un matériau composé de fer de phosphore et d’oxygène (FePO4) utilisé actuellement pourrait être, un jour, réalisé de façon biologique par des bactéries.

Un autre objectif qui est poursuivi dans les laboratoires de recherches aujourd’hui est de concevoir des batteries à base de végétaux. Elles utiliseraient des électrodes entièrement organiques, donc plus facilement recyclables, pour un coût faible. Peut-être verront-elles le jour dans 10 ou 20 ans ?

hydrogeneL’hydrogène dans les transports

L’hydrogène et les véhicules à pile à combustible.

Dans les véhicules à hydrogène, une pile à combustible produit de l’électricité qui est utilisée pour alimenter le moteur électrique du véhicule avec une batterie tampon.

L’avantage de l’hydrogène est que dans une « pile à combustible »6 le rendement pour fournir de l’électricité peut atteindre 50 %. En outre la pile fournit de la chaleur et de l’eau, produits par la réaction entre hydrogène et oxygène, mais pas de gaz à effet de serre ni autre polluant.

Il y a quand même quelques problèmes … le principal est que pour effectuer cette réaction entre hydrogène et oxygène, la pile a combustible utilise un « catalyseur », qui pour l’instant est en platine, un métal excessivement cher. Si toutes les voitures roulaient à l’hydrogène, elles utiliseraient presque 300 fois la production annuelle actuelle de platine …  il faudrait donc vraiment trouver d’autres matériaux catalyseurs. D’autre part, il faudrait aussi  produire l’hydrogène par électrolyse : de l’ordre de 250 à 300 TWh par an, ce qui représente 25 à 30 réacteurs nucléaires de 1 GW électrique ou 50 000 ou 60 000 éoliennes d’une puissance de 2 MW. Il faudrait aussi installer des distributeurs d’hydrogène partout sur les routes et en ville, en plus ou à la place des pompes à essence. On voit combien les investissements à réaliser sont importants.

Malgré ces difficultés, la voiture la hydrogène va-t-elle s’imposer pour remplacer l’essence ?  L’hydrogène est un gaz très léger, mais le principal problème à ce jour réside dans le réservoir ! Pour contenir de l’hydrogène sous pression il faut une bonbonne (en acier ou matériau composites) solide et  lourde de plusieurs dizaines de kg devant de plus offrir des garanties de sécurité en cas d’accident.  D’autres types de réservoirs sont envisagés dans le futur,  l’hydrogène étant stocké dans des matériaux servant en quelque sorte d' »éponges », ce qui éviterait ce défaut important. Pour l’instant ils sont encore peu adaptés aux contrainte d’une voiture. (Pour en savoir plus sur les réservoirs pour l’hydrogène, cliquer ici)

Renault-Nissan, Damler et Ford ont signé un accord début 2013 pour développer ensemble des voitures à hydrogène d’ici 20177. C’est que la pile à combustible apporte l’autonomie dont ne dispose pas le véhicule électrique équipé de batterie

s, tout en gardant les mêmes qualités (absence de pollution et limitation du bruit), un argument intéressant pour les consommateurs si le coût ne se révèle pas prohibitif.

ressources Recyclage des batteries et des matériaux

Nous entrons dans la société du recyclage.

L’utilisation de  batteries à grande échelle dans les transports implique un recyclage à grande échelle aussi du lithium, du cobalt et autres métaux utilisés dans les batteries. Des projets et des développements sont aujourd’hui en cours pour répondre à cette question.

D’ailleurs c’est l’ensemble de notre consommation qui est concernée par le recyclage : les déchets contiennent des ressources, qui ne doivent pas être gaspillées, celles-ci étant limitées sur notre Terre. C’est le principe général de l’économie circulaire.

Références Références

  1. 150 000 tonnes * 11 600 (kWh/tonne) * 365 j * 0,25  / 0,9 sous forme électrique []
  2. http://changement-climatique.ifpen.fr/dans-le-transport-faire-le-plein-d-economies []
  3. Le moteur hybride à compression http://www.lepoint.fr/auto-addict/innovations/tout-savoir-sur-l-hybrid-air-de-peugeot-et-citroen-23-01-2013-1619225_652.php []
  4. aujourd’hui un peu moins, grâce aux progrès faits sur les réacteurs []
  5. Les recherches sur  les batteries :http://www.celluleenergie.cnrs.fr/IMG/pdf/14-jean-marie_tarascon.pdf []
  6. Une présentation de Pragma industries sur les piles à combustible (cliquez ici) []
  7. voir http://www.afh2.org/fr/accord_daimler_ford_et_nissan et  le film en anglais sous titré : http://blog.alliance-renault-nissan.com/content/strategic-cooperation-between-daimler-and-renault-nissan-alliance-forms-agreement-ford-accel []

Moins d’énergie, moins de CO2, plus de confort

Poster 8

futur_possible Habitat malin, à consommation réduite

futur_possible

Il a trois acteurs principaux dans un habitat : l’habitant, les sources d’énergie, et l’enveloppe, c’est à dire le bâtiment lui même. Quand ces trois éléments sont pris en compte dès la conception, la consommation d’énergie descend, le confort augmente. Par exemple, cette jolie  maison, ne consomme que 8000 kWh par an, tout compris, pour une surface de 200 m2 ! C’est  entre 5 et 10 fois moins que les maisons construites avant 1975.

Et pour arriver à une telle diminution de la consommation  d’énergie des habitants, le bâtiment utilise des techniques simples. Celles-ci peuvent encore être améliorées : il y a encore beaucoup d’imagination à avoir pour concevoir les enveloppes thermiques (notamment  pour la rénovation des bâtiments anciens), pour développer de nouvelles techniques de construction, pour avoir de bons diagnostiques thermiques, pour modéliser les bâtiments.

orientation Profiter de la lumière pour se chauffer

Un bâtiment bien orienté par rapport au soleil  peut profiter de l’énergie apportée par la lumière pour son chauffage. En été la circulation de l’air peut réaliser une climatisation naturelle. Les nouvelles maisons devraient utiliser ces principe plutôt que compter sur les radiateurs et climatisations énergivores 1.

isolation Isoler  le bâtiment et garder la chaleur

De façon spontanée un objet chaud refroidit et un objet froid se réchauffe. Un isolant thermique permet de limiter ce phénomène : ce qui est chaud reste chaud plus longtemps, et de même pour ce qui est froid.

Empêcher la chaleur de s’échapper d’un logement permet de réduire la consommation d’énergie de chauffage et/ou de climatisation.

Certains matériaux de construction sont naturellement de bons ou de mauvais isolants2. Par exemple, une chambre d’appartement séparée de l’extérieur par un simple mur de béton (épaisseur 10 cm, surface 10 m2 ) est très mal isolée : quand il fait froid dehors, pour une différence de température de 20°C entre l’extérieur et la pièce, la fuite de chaleur est de 2 kWh chaque heure.  Pour contrer cette fuite, et maintenir la température,  il faut  fournir ces 2 kWh à la pièce, en faisant fonctionner en permanence un radiateur puissant3.

Si ce mur est protégé par 20 cm de laine de roche ou de liège, la fuite de chaleur est réduite 40 fois. Le radiateur n’est pas nécessaire : un ordinateur allumé ou les occupants pourraient même dégager assez de chaleur pour chauffer la pièce !

pompe Le futur du chauffage électrique : les pompes à chaleur

La pompe à chaleur permet de faire passer de l’énergie thermique d’un endroit froid à  un endroit chaud ! C’est le contraire de ce qui se passe spontanément.

C’est le système de chauffage le plus performant : on s’aperçoit que quand on utilise  1 kWh électrique  (pour le compresseur), on arrive à  pomper 3 à 4 kWh de chaleur qui passe de l’endroit froid vers l’endroit chaud.

Toutefois, plus l’écart de températures est grand, moins le système est efficace, et certains systèmes doivent être réchauffés pour fonctionner sous 0 °C.

L’inconvénient de la pompe à chaleur est qu’elle est beaucoup plus chère à l’achat qu’un simple radiateur électrique (mais celui ci reviendra plus cher à l’usage) : il faut investir pour faire ensuite des économies.

equipement Choisir des équipements efficaces

En choisissant des appareils ménagers performants, on économise de l’énergie. Des progrès considérables ont été faits. Un réfrigérateur d’aujourd’hui consomme environ 300 kWh/an, soit environ 37 fois moins qu’un frigidaire des années 60. Toutefois il y a beaucoup plus de réfrigérateurs aujourd’hui qu’il y a cinquante ans 4 .

L’étiquette énergie, que l’on peut voir sur les appareils ménagers indique leur efficacité énergétique. Par exemple, un lave-linge ou un lave-vaisselle utilisant peu d’eau utilisent aussi moins d’électricité pour la chauffer. Ils peuvent être encore plus économes s’ils acceptent l’eau chaude d’un panneau solaire thermique, chauffée gratuitement.

puits_canadien Puits canadien, VMC et renouvellement de l’air

Dans les maisons très bien isolées, les échanges d’air sont limités. L’air est renouvelé par un système de ventilation naturel ou mécanique. Avant d’entrer dans l’habitat l’air extérieur est mis à température par un système peu énergivore : « puis canadien », VMC double flux, pompe à chaleur.

Le « puits canadien » est un conduit enterré de plusieurs dizaines de mètres de long. L’air y passe en hiver avant d’entrer dans la maison. A l’issue du trajet, l’air n’est plus glacial, et le chauffer avant qu’il n’entre dans l’habitat coûte moins cher. En été, l’air est rafraîchi par son passage sous terre, et l’air qui rentre par ce moyen dispense de climatisation. Au printemps, si la terre est fraiche, il n’est pas utilisé.

Un puits canadien doit être réalisé selon des règles précises, pour que l’eau de condensation ne puisse s’y accumuler. Sinon il devient un nid à bactéries.

eclairage Il y a lumière et lumière

Les lampes aussi doivent faire l’objet d’un choix judicieux. Les modèles à incandescence (lampes dites ordinaires qui disparaissent progressivement) produisent 5% de lumière et 95% de chaleur. C’est pourquoi elles sont bouillantes lorsqu’elles sont allumées. Les lampes fluocompactes (dites aussi basse consommation) émettent au contraire 80% de lumière et seulement 20% de chaleur. Elles sont plus chères mais durent en théorie plus longtemps (6 à 7 fois) si on ne les éteint et allume pas trop souvent (dans la pratique leur durée de vie dépasse rarement 5000 heures contre 2000 à 3000 heures pour une lampe halogène). Ainsi, une lampe à incandescence de 100 W peut être remplacée par une lampe fluocompacte de 15 W qui, sur sa durée de vie, permettra une économie théorique de plus de 300 kWh. Toutefois il ne faut les jeter n’importe où en fin de vie car elles comportent du mercure, un poison pour l’homme et l’environnement.

L’avenir est aux lampes utilisant des LED (en Anglais « light emission diodes », ou en français DEL : diodes électroluminescentes) qui consomment encore moins que les lampes fluorocompactes,  durent beaucoup plus longtemps (15 000 à 30 000 heures en pratique).  Leur rendement est proche de 15-20%, elles utilisent donc 5 fois moins d’électricité. La difficulté avec ces dispositifs est de produire une  lumière agréable, dont la teinte est proche de la lumière naturelle.

La lumière du jour, lorsqu’on peut l’utiliser, est encore plus économique … Bien aménager  un espace c’est aussi exploiter au maximum la lumière du jour : placer le plan de travail sous une fenêtre, opter pour des couleurs claires, bien orienter le bureau, etc.

transport_velo Éviter les transports énergivores

Selon l’endroit où l’on habite un véhicule est nécessaire ou non.

En France, les automobiles produisent en moyenne une tonne de CO2 par habitant et par an.  Une petite  voiture effectuant 60 km par jour produit 3  tonnes de CO2 par an, et une grosse voiture, 6 tonnes.

Les véhicules de l’avenir émettent beaucoup moins de CO2 : voiture, vélo, scooter électriques, par exemple.

D’autre part, un véhicule électrique possède une batterie qui pourrait fournir quelque centaines de Watt-heures d’électricité à toute la maison en cas de besoin.

fenetres Le secret des fenêtres isolantes

Le verre n’est pas un bon isolant thermique. Pour qu’une fenêtre soit néanmoins isolante, elle possède deux vitres séparées par une fine couche d’air. C’est elle qui procure l’isolation. C’est le principe des fenêtres à « double vitrage ». L’air  peut être remplacé par un autre gaz, encore meilleur isolant thermique.

Une fenêtre double vitrage d’un m2, soumise à une différence de température de 20°C, laisse fuir environ 0,03 kWh de chaleur par heure 5.  Les fenêtres à « triple vitrage » permettent de gagner encore un facteur 2 si nécessaire.

Mais des mesures simples permettent d’éviter les fuites de chaleur la nuit : les rideaux, les  volets  constituent de très bons moyens supplémentaires de réduire la fuite de chaleur.

casquette Une « casquette » pour faire de l’ombre

Un bon moyen de ne pas avoir trop chaud en été est de se mettre à l’ombre. Au sud, un toit qui dépasse fait de l’ombre à la fenêtre, en pleine journée, tout en laissant la lumière entrer le soir quand le soleil est plus bas.

Un arbre bien placé peut aussi faire de l’ombre au bon moment l’été. En hiver, s’il a perdu ses feuilles, il laisse passer la lumière.

panneaux Utiliser  l’énergie renouvelable disponible

Un panneau solaire thermique et un panneau photovoltaïque sur le toit permettent de produire chaleur et  électricité, pour obtenir un habitat autonome du point de vue énergétique, et utilisant une électricité sans carbone.Cette électricité peut aussi être cédée au réseau électrique, surtout en été.

L’électricité est fournie par le panneau solaire en courant continu, et il doit être transformé en courant alternatif de tension 220 V. Cette transformation fait perdre de l’énergie. Il faudrait que les appareils électroménagers puissent être alimentés directement avec du courant continu de 24 Volts !

energie_positive Innovation : les bâtiments à énergie positive

Ces bâtiments pilotes démontrent qu’il est possible de concevoir des bâtiments très peu consommateurs d’énergie,  avec des matériaux contenant peu d’énergie grise. Leurs faibles dépenses de fonctionnement peuvent amortir sur la durée le surcoût de leur fabrication.

Les BEPOS, bâtiments à énergie positive, ce sont des « Bâtiments Basse Consommation »(BBC) 6 qui possèdent sur le toit des panneaux photovoltaïques dont production d’électricité couvre en moyenne la consommation d’énergie annuelle du batiment.

fr_maison-zenLa Maison Zen, dans les Alpes est la première maison construite en France7 selon cette exigence. Exposition, ouvertures, isolation, pompes à chaleur, circulation d’air, échanges avec l’extérieur ont été pensés pour minimiser les besoins en énergie, avec un confort élevé. Elle a été construite avec des matériaux ayant une faible empreinte CO2. Sa surface est de 200 m2.

Les panneaux photovoltaïques qui constituent le toit sont des panneaux à couche mince. Ils   sont disposés sur les deux cotés du toit, donc y compris la face nord pour une production de 3000 kWh contre 7000 kWh au Sud, pour une surface un peu moindre au nord.

La maison est occupée par des bureaux (14 personnes en 2011). « Sur trois ans, du 12 Nov. 2007 au 11 Nov. 2010, la production photovoltaïque s’élève à 29 460 kWh (soit 9 820 kWh/an) et la consommation totale d’énergie (relevés compteur EDF) s’élève à 26 760 kWh (soit 8 920 kWh/ an) et 44,6 kWh/m².an. L’objectif de départ a donc été rempli. »8.

Ce bilan repose en premier lieu sur l’efficacité énergétique du bâtiment et des appareils électroménagers et informatiques. Mais elle repose aussi sur la manière de vivre des occupants, car dans une maison à si faible consommation,  l’impact des comportements devient prépondérant.

La sobriété énergétique des occupants  implique une plus grande attention aux dépenses d’énergie dans l’utilisation des appareils domestiques, le chauffage et l’aération des pièces.

annees_60 Rénovation des anciens bâtiments : la tour Bois le Prêtre

Une astuce à la base de cette rénovation qui fait économiser beaucoup d’énergie : la couche extérieure d’isolant thermique n’est pas posée sur le mur de l’immeuble. C’est une vaste enveloppe de verre, qui entoure le bâtiment en créant des jardins d’hiver pour tous les logements.

tour-bois-le-pretre-avantEn général, la rénovation de l’habitat ancien vise  plusieurs objectifs :

  • Un confort accru pour les occupants ;
  • Une consommation énergétique moindre, ce qui permettra d’amortir le coût des travaux ;
  • une réduction des émissions de gaz à effet de serre, pour se conformer aux engagements de la France.
  • La prise en compte d’exigences environnementales diverses, pour un habitat durable.

En général, le coût de la rénovation est inférieur au coût de la démolition reconstruction, qui exige de plus de loger les habitants durant les travaux.

La rénovation de la Tour Bois le Prêtre9 (Paris) a valu l’Équerre d’argent à leurs auteurs en 2011. Elle comporte 100 logements.

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Le bâtiment datant de 1962 étant encore sain du point de vue de la structure,   mais ne correspondait plus du tout aux besoins des familles y habitant : isolation, installation de chauffage, nombre d’ascenseurs. Cette rénovation a été effectuée en maintenant les habitants dans leur logement. Elle réorganise l’espace, apporte des améliorations techniques. Elle offre plus de surface aux habitants par l’ajout de jardins d’hiver : la surface passe de 8 900 m2 à plus de 12 000 m2. Le confort été comme hiver est amélioré.

La performance énergétique passe à  82 kWh/m2, ce qui réduit de plus de la moitié  la facture énergétique. Le site de Druot (voir références) offre de nombreux documents sur cette rénovation.

futur_possible Innovation : le futur possible de l’habitat urbain 

Un projet d’habitat écologique innovant porté par une équipe d’étudiants  ingénieurs,  architectes, designers de Rhône Alpes a remporté  le Solar Decathlon Europe 2012 à Barcelone.

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Le projet « Canopea » a remporté ce concours international  proposé à des universités du monde entier. Le but du concours qui a lieu tous les deux ans, est de construire la maison de demain,  n’utilisant que le solaire comme source d’énergie.  Un genre de « Concept House », un démonstrateur,  très en avance sur son temps mais qui permet de tester les idées et les techniques.

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Le projet de la Team Rhône-Alpes10 était le seul à proposer  un habitat collectif de petits immeubles, appelés « Home-towers », qui s’inscrit dans un quartier.  Le coordonateur de l’aventure Pascal Rollet, enseignant à l’école d’architecture de Grenoble raconte11 :   «C’est un habitat simple, l’antithèse de la maison d’architecte ! Surtout, Canopea n’est pas un bâtiment seul mais un écosystème urbain, en relation avec des voisins, des transports. Qui a nécessité un travail collectif de Recherche & Développement de haut niveau pendant quatre années. Avec des milliers de règles, comme dans la réalité.»

Les dix critères étaient : architecture, ingénierie/ construction, fonctionnalité énergétique, balance énergétique, confort, fonctionnement, liens avec le social, industrialisation et marchés, innovation et développement durable. «C’était une folie, Pour ce marathon de deux semaines, nous avons piloté numériquement notre prototype comme un bateau à voile, en fixant des caps. Afin d’ajuster notre stratégie en direct pour répondre à dix épreuves.»

L’intérêt de cette recherche ne se limite pas à un bilan énergétique domestique. Par exemple «Il y a une cinquième roue oubliée, ajoute Rollet, la chaîne alimentaire. Une salade, pour arriver dans un magasin, parcourt en moyenne six cents kilomètres. On propose donc une ferme en étages à côté des tours, une agriculture urbaine biologique dans des bacs de terre, une invention savoyarde. Cela fonctionne et est agréé par l’Inra. On pourrait assurer le complément alimentaire du quartier en fruits et légumes.

Retrouvez l’article complet  dans le dossier de presse 12

puce Compléments

puce Références

  1. voir l’article sur le chauffage []
  2. voir l’article : Quels matériaux pour la construction ? []
  3. Matériau conductivité thermique(l) Épaisseur e (m) résistance thermique (e/ l)  Fuite : 10 m2 20°C en une heure
    laine de roche, liège 0,045  W/m/K 0,20 m  0,20/0,045 = 4,4 m2.K/W 20*10/4,4 ~ 0,05 kWh par heure
    béton 0,92     W/m/K 0,10 m   0,1/1,1 = 0,11 m2.k/W  20*10/0,11 ~ 2 kWh par heure

    []

  4. voir l’article Moins consommer, c’est mieux []
  5. Pour une fenêtre double vitrage ayant un assez bon coefficient  Ug=1,5 W/m2/K, le flux de chaleur à travers  1 m2, pour une différence de 20 °C est de  30 Wattheures par heure []
  6. selon la norme RT 2005 []
  7. []

  8. Suivi de performance de la Maison Z.E.N, 2007-2010, http://www.cythelia.fr/documents.html []
  9. Rénovation de la tour Bois le Prêtre

    []

  10. voir le site facebook de l’équipe : http://www.facebook.com/pages/CANOPEA-Solar-Decathlon-Europe-2012-Team-Rh%C3%B4ne-Alpes/207903355924726 []
  11. Dans le journal libération, voir le dossier de presse du projet : http://www.solardecathlon.fr/?page_id=270 []
  12. site http://www.solardecathlon.fr/?page_id=270 []
  13. http://www.dailymotion.com/video/xb784p_le-puit-canadien-et-la-ventilation_tech#.UTRgxDeUKWE []
  14. http://onetonnelife.com/ un cas intéressant, car ils ont pris en compte les 3 principaux postes d’émissions de CO2 pour un ménage : alimentation, logement, déplacement []

Du soleil aux carburants

sucres huiles Les carburants de première génération

Les carburants de première génération sont ceux que l’on utilise aujourd’hui mélangés aux carburants fossiles dans les moteurs de voiture.

Ces carburants sont obtenus à partir de plantes (qui sont donc renouvelables). Il s’agit d’alcool ou d’huile, qui sont de très bons combustibles,  et qui sont éventuellement un peu adaptés pour convenir aux moteurs à essence ou à gasoil (moteur diesel).

L’utilisation actuelle d’agro-carburants en France est de l’ordre  2,4 Mtep, environ 5 % de la consommation de carburant.  Il est question de doubler cette quantité en 2020 de façon à réduire les  émissions de gaz à effet de serre et la facture pétrolière.

Leur avantage est de diminuer la quantité de carburants fossiles consommés, et l’accroissement de l’effet de serre, mais dans des proportions qui sont incertaines très discutées, en particulier parce que pour leur production se sert d’énergie fossile.  Ce qui est certain en revanche est  que leur production utilise des surfaces agricoles. C’est un inconvénient majeur, car en augmenter la production en Europe ne pourrait se faire qu’au détriment  de l’alimentation.  Pour ces raisons, ces carburants de première génération ont un avenir limité.

sucres l’agro-éthanol de 1 ère génération

L’agro-éthanol est souvent appelé  « bioéthanol », mais il n’a pas le label « bio » de la culture biologique. Il est obtenu par fermentation du saccharose ou de l’amidon contenu dans certaines plantes à fort rendement comme la betterave sucrière ou la canne à sucre (qui contiennent du saccharose),  le blé ou les pommes de terre (qui contiennent de l’amidon que l’on peut transformer en glucose1 ). A partir de saccharose ou de glucose, les levures fabriquent l’alcool (c’est la fermentation alcoolique bien connue). Chaque kilogramme de sucre fournit environ 0,5 kg d’alcool. Comme les levures ne peuvent pas fournir plus de 17°C d’alcool, il faut procéder à la distillation de l’alcool obtenu pour qu’il soit pur. La distillation est effectuée en chauffant, ce qui utilise du combustible et fait baisser le rendement énergétique.

On peut utiliser 5 % d’alcool pur mélangé à l’essence, au delà cela pose des problèmes, ou 15% d’ETBE, un dérivé de l’alcool2, sans avoir à modifier les moteurs.

En France la betterave à sucre  peut fournir 12 000 litres d’alcool par hectare de champ de betteraves3. Il faudrait donc convertir à cette culture environ la moitié des terres cultivées  pour produire 50 Mtep de carburants utilisés en France, ce qui est impossible et qui poserait des problèmes d’alimentation. Pour le blé cela serait pire, car le rendement est au moins deux fois inférieur. Mais au Brésil, grâce au climat et aux surfaces disponibles,  la canne fournit de  l’éthanol à un coût faible de 0,15 € par litre, et on peut rouler à 100 % éthanol, parce que les moteurs sont conçus pour.

huiles L’agrodiesel à base d’huile végétale,

Certaines plantes comme le tournesol, le soja,  le palmier à huile contiennent de l’huile. L’huile est un combustible, et peut être utilisée telle quelle, avec ses défauts, ou légèrement  transformée pour en faire un carburant parfaitement compatible avec les moteurs Diesel.

Le moteur Diesel était conçu à l’origine pour fonctionner avec de l’huile d’origine végétale. Mais il a été adapté à l’huile issue du pétrole (gasoil) et l’huile végétale ne convient plus aussi bien.  Pour utiliser l’huile végétale à la place du gasoil, il faut soit transformer les moteurs, soit transformer légèrement  l’huile en la faisant réagir avec 10 % d’alcool pur, pour obtenir de l’EMVH, appelé souvent « biodiesel »4 . L’EMVH obtenu peut être utilisé dans les moteurs Diesel modernes, exactement comme le gasoil. Actuellement, le gasoil contient 7 % d’EMVH.

Les plantes qui contiennent les plus fortes concentrations de lipides à l’hectare sont le colza et le tournesol,  et surtout le palmier à huile. Les huiles de récupération comme l’huile de friture des restaurants, bien filtrées peuvent être utilisées. En France, le colza produit environ 1 300 litres d’huile à l’hectare.

On voit que le rendement à l’hectare est bien moins bon que celui d’éthanol. Il faudrait donc plus du double des surfaces cultivées pour produire 50 Mtep de diesel.

avantages - inconvénients Avantages  et inconvénients

L’éthanol, l’ETBE et l’agrodiesel contiennent un peu moins d’énergie par litre que l’essence ou le gazoil. Mais ils devraient permettre de diminuer les importations de pétrole et d’éviter des rejets de CO2 participant à l’effet de serre. De plus, l’ETBE et l’agrodiesel présentent quelques avantages pour l’environnement, par rapport à l’essence et au gasoil.

En réalité, pour ce qui est de la quantité d’énergie fossile évitée par l’emploi de ces agrocarburants, elle est difficile à calculer, car il faut  prendre en compte toute l’énergie  fossile  dépensée pour les produire, pour la fabrication d’engrais, la distillation, pour les moteurs des engins agricoles, et enfin pour le transport. Au final l’utilisation d’ETBE de betterave à sucre permet une réduction de seulement 20 % de consommation de carburant fossile. La réduction est plus importante pour l’éthanol (50%), et le diesel à base de colza (65 %), qui constitue la production la plus importante5.

Mais le plus gros inconvénient est bien l’utilisation de bonnes terres pour des productions de blé et autres plantes qui sont normalement utilisées pour l’alimentation. Il serait préférable d’obtenir des carburants à partir de déchets végétaux ou de plantes poussant sur des terres ne pouvant pas servir à l’agriculture. C’est l’objet de la seconde génération d’agro-carburants

résidus_vegetaux Carburants de 2ème génération

Le but de cette 2ème génération est de produire des carburants à partir de ressources végétales, qui n’entrent pas en compétition avec les cultures alimentaires.

ce_sera_du_durable

Une seconde génération de carburants est en développement, qui sont moins simples à produire, mais ne créent pas de conflit d’utilisation du sol. Pour cela, il s’agit d’utiliser toutes les parties non comestibles des plantes : résidus de bois, tiges, paille … Celles-ci sont constituées de longues  molécules qui ne fermentent pas avant d’avoir été dégradées : cellulose, d’hémicellulose, lignine.

En laboratoire,  on arrive à créer quelque litres de carburants à partir de ces déchets.  Il s’agit de créer des procédés produisant des carburants de façon industrielle. Deux voies principales permettent de produire des agrocarburants :

levures La voie biochimique pour l’éthanol, le diesel, le kérosène

Il s’agit de  transformer la cellulose et les hémicelluloses de la biomasse en éthanol. Le troisième composant de la biomasse, la lignine, est utilisé pour fournir de l’énergie au procédé en brulant.

800px-workertermite1La cellulose et l’hémicellulose  sont de longues molécules que certaines enzymes arrivent à découper en sucres simples. Ensuite ceux-ci peuvent être transformés par d’autres enzymes pour former de l’alcool ou du gasoil. Ces enzymes peuvent être trouvées dans les bactéries du tube digestif des termites, ou chez certains champignons qui dégradent le bois. Il s’agit de les faire travailler le mieux possible et d’optimiser la production d’éthanol ou agrodiesel à l’aide de bactéries et levures6

La Commission européenne et l’industrie se sont fixé pour objectif de produire deux millions de tonnes d’agrokérosène d’ici à 2020, soit entre 3 % et 3,5 % de la consommation annuelle de kérosène en Europe. Parmi les travaux en cours, le projet Probio3, à  Toulouse (au laboratoire LISBP), développe une nouvelle technique pour parvenir à fabriquer du kérosène en une seule étape à partir de déchets de bois.

Diesel par voie thermochimique

630px-holzvergasungPar voie thermochimique,  la biomasse est d’abord portée à haute température (au dessus de 400 °C), sans qu’elle puisse brûler (c’est la « pyrolyse »). Se forment alors de l’oxyde de carbone  (CO) et de l’hydrogène (H2). En  mettant ces deux gaz en présence de nickel, ils réagissent ensemble et forment du méthane (CH4) et de l’eau (H2O). En présence de fer, ils forment des hydrocarbures, essence et gasoil. Ce procédé s’appelle le procédé Fischer-Tropsch, il permet de former des carburants liquides ou gazeux à partir de charbon ou biomasse pyrolisée. On produit plutôt du gasoil par cette voie.

Utilisation de nouvelles cultures

arundo_donax_1

Une autre voie pour la deuxième génération est l’utilisation de plantes non alimentaires et peu exigeantes en travail, en engrais, qui peuvent pousser avec de bons rendements sur des terres pauvres  non utilisables pour des cultures l’alimentaires. Par exemple le miscanthus géant, le switchgrass, la canne de Provence, dont les rendements peuvent atteindre 12 à 25 tonnes de matière sèche à l’hectare.

D’autres plantes pourrait être utilisées dans les contrées arides comme le Jatropha, un arbuste qui peut donner 5 kg de fruits par an, desquels on tire une huile non comestible. Il se contente de sols impropres à la plupart des cultures, et vit en zone aride. Néanmoins il a besoin d’eau, une denrée rare dans ces zones. Il pourrait donner entre 500 et 1000 litres à l’hectare, sans effort ni pesticide.

micro_algues la troisième génération

Les micro-algues et cyanobactéries qui constituent le phytoplancton servent de base alimentaire aux mollusques et à de nombreux poissons. Ce sont de minuscules organismes qui constituent les meilleurs capteurs solaires au monde. Ils utilisent le dioxyde de carbone et les minéraux environnant pour leur croissance qui peut être très rapide :  au bout de quelque jours on peut en faire la récolte.

microalgue1Le nombre d’espèces de micro-algues connues est l’ordre de 20 000. Leur taille peut être inférieure au millième de millimètre, et elles se font très discrètes dans l’eau. Elles sont encore à découvrir : le nombre total d’espèces est probablement supérieur à un million. A titre de comparaison, le nombre d’espèces végétales non aquatiques  connues est de l’ordre de 300 000.

Certaines sont  connues depuis longtemps, comme la spiruline, archeo-spiruline une cyanobactérie  utilisée dans l’alimentation depuisarcheo-microcyste l’antiquité. D’autres sont très visibles quand elles se mettent à envahir une rivière. Elles intéressent aussi les industriels pour leur forte rentabilité dans certains domaines : pour les cosmétiques par exemple, ou l’alimentation. Un kilogramme de certaines de ces micro-algues coûtent plus de 500 euros ! Produire ces micro-algues microalgue Haematococcus, est une activité délicate, car elles sont très fragiles,  et qui revient assez cher, mais qui est très rentable7

D’autres variétés de micro-algues peuvent produire des lipides, et en particulier des lipides pouvant servir à faire des carburants8.

Dans certains cas, la proportion de ces lipides atteint plus de 60 % Closterium,du poids sec, dont 90 % sont utilisables pour des carburants. Pour la production de carburants, la difficulté est qu’il faut parvenir à produire non pas quelques kilogrammes, mais des millions de tonnes de micro-algues, et à baisser les coûts de productions pour atteindre non pas 5 000 euros le kg, mais moins de 0,5 euros le kg !

On comprend que les micro-algues représentent peut-être la solution d’avenir pour produire des carburants durables qui résoudraient le problème des transports. Mais il y a encore plusieurs années de recherches avant d’y parvenir, peut être 10 ou 20  ans ?

microalgue1 La culture des micro-algues

troisieme_generation

La particularité des micro-algues est que leur croissance est très liée à la lumière. Outre la lumière elles n’ont besoin que de CO2 et de minéraux pour grandir. Leur croissance intervient en quelques jours. Certaines peuvent aussi croître dans des milieux extrêmes, très salés par exemple. Les rendements que l’on peut attendre à l’hectare sont bien supérieurs à ceux de plantes en plein champ.

L’idée est de cultiver ces microorganismes en grande quantité. Le plus simple est utiliser  des bassins extérieurs pouvant occuper de grandes surfaces  L’autre solution est de les produire de façon très industrielle, dans des bioréacteurs exposés à la lumière d’une façon très étudiée et contrôlée. Mais la culture de mbassin-microalguesmicro-algues n’est pas facile. Avant de passer à de grandes quantités il est utile de mener des expériences sur de petites quantités de matière, pour minimiser les volumes manipulés, les coûts, et multiplier les expériences : car contrairement à ce que l’on pourrait penser, le maximum de production de lipide ne correspond pas au maximum de développement de l’algue. Il y a un  optimum de production pour certaines conditions de lumière, de concentration en CO2 dissous dans l’eau, d’apports de restriction d’azote, de phosphore au autres minéraux (Lire l’article ici pour en savoir plus)

Plusieurs géométries de réacteurs peuvent être testées. Vaut-il mieux adopter une culture en couches minces d’algues bien éclairées par la soleil,  ou des couches plus épaisses illuminées de l’intérieur reacteurpar des micro fibres contrôlant les apports de lumière ? Quelle est l’influence de la température ? Quel est le système de récolte le plus simple, le plus rentable ?

Les résultats des expérimentations à travers le monde montrent que les bassins ouverts en plein champ sont les plus simples et plus avantageux car ils utilisent la lumière du Soleil, mais ils peuvent être facilement contaminés par des organismes indésirables. Les réacteurs sont plus chers, mais les paramètres de croissance peuvent être  plus facilement  contrôlés,  et peuvent avoir des rendements supérieurs.

rendement_plantesles rendements

En termes de rendements à l’hectare, on peut donner les fourchettes suivantes :

rendement_plantes

  • Première génération : 1 à 4 Mtep/ha/an. Stade : industriel
  • Deuxième génération 3,5 à 5 Mtep/ha/an. Stade : vers une industrialisation à court terme
  • Troisième génération : 15 à 40 tep/ha/an. Stade : recherche

Pour le bilan en termes de CO2 (les plantes absorbent du CO2 en poussant mais les procédés de fabrication du carburant en émettent si ils utilisent des combustibles fossiles),  la première génération a peut être un bilan positif mais pas extraordinaire. Il est meilleur pour la deuxième génération et à priori excellent pour la troisième.

Références

  1. l’amidon est un polymère de glucose, déshydraté, qui forme du glucose par hydratation – hydrolyse. Celle-ci est facilitée par un catalyseur chimique ou enzymatique []
  2. l’ETBE est obtenu en mélangeant autant de molécules d’alcool que de molécules d’isobutène, issu du pétrole. La réaction ne produit que de l’ETBE, qui peut être mélangé à l’essence, et de la chaleur []
  3. La betterave en France http://www.labetterave.com/la_filiere_betteraviere/chiffres_cles/chiffres_cles_france/87/index.html : 370 000 hectares ensemencés soit 2,1 %  de la Surface Agricole Utile, avec un rendement de 9,6 t /ha produisent 12 100 l/ha d’éthanol, soit 6,6 tep / ha []
  4. Le processus s’appelle la « transestérification » : 1 tonne d’huile ajouté à 0,1 tonne d’alcool, donne 1 tonne de diesther: EMVH, qui est très proche du gasoil, et 0,1 tonne de glycérine []
  5. http://www2.ademe.fr/servlet/getDoc?sort=-1&cid=96&m=3&id=70535&ref=&nocache=yes&p1=111 []
  6. voir par exemple les vidéos, en anglais sur  le site du laboratoire Keasling, à Berkley, Californie :http://keaslinglab.lbl.gov/media.html utilisant la bactérie Escherichia Coli []
  7. voir la video http://www.sparknews.com/fr/video/microphyt-algues-les-carburants-3eme-generation. sur les micro-algues de la société Microphyt basée à Montpellier http://www.microphyt.eu/technologies/la-rupture []
  8. Les lipides constituent la matière grasse des êtres vivants. Un lipide est une molécule :

    • soit complètement « apolaire » (lipide neutre) ;
    • soit « bipolaire », molécule amphiphile (ou amphipathique), avec une tête polaire liée à une chaîne fortement apolaire (queue).

    Seuls les lipides neutres peuvent être utilisés comme carburants. Ils ne constituent qu’une portion de l’ensemble des lipides extraits de nos micro-algues []

Électricité durable : les nouvelles stars

Les stars du durables produisent de l’électricité à l’aide du soleil et du vent. Leur existence permet d’éviter l’utilisation de fossiles et le dégagement de CO2 .
Poster 2

postit Les stars du durables

Les grandes stars du durables produisent de l’électricité à l’aide du soleil et du vent. Leur  existence permet d’éviter l’utilisation de fossiles et le dégagement de CO2  1

Sur la plus haute marche du podium, celui qui permet le stockage de l’électricité : le solaire à concentration. Dans ces grandes centrales solaires le stockage est prévu d’origine. Elles sont construites en Espagne ou en Afrique du Nord, dans les pays du Golfe,  dans les régions les plus ensoleillées.

Les deux autres grandes stars du durable, sont le photovoltaïque en réseau et l’éolien,  Elles produisent, mais sans stoker, et de façon intermittente.

Pour qu’elles puissent vraiment satisfaire la demande d’électricité, il faut des adaptations pour gérer l’intermittence de la production… Par exemple il faut des systèmes additionnels de stockage d’électricité. Dans le cas du solaire photovoltaïque autonome pour des habitats isolés, le stockage  est réalisé en couplant un panneau solaire à une batterie, la plupart du temps au plomb pour des raisons de coût.

photovoltaïque Procédés photovoltaïques

photovoltaïque

80 % des panneaux sont à base de Silicium, un matériau aux propriétés très  particulières : il devient très bon conducteur électrique à la lumière. Avec une astuce et beaucoup de technologie on arrive à lui faire produire de l’électricité.

La fabrication des cellules solaires est énergivore,  parce qu’elle demande du silicium très pur (à 99,999 %). Pour cela on utilise du quartz, qu’il faut distiller en le chauffant dans le vide ! Ces opérations  sont énergivores, et la fabrication d’un m2  de panneau solaire coûte plusieurs milliers de kWh ! Actuellement, il faut environ deux ans dans le Sud de la France pour qu’un tel panneau solaire restitue l’énergie nécessaire à sa fabrication ; mais il produit de l’électricité pendant 20 ans au minimum, et même 40 ans. Le rendement, une fois installé, varie entre 15 % à 20 %. Il ne cesse d’être amélioré. Il se dégrade légèrement avec le temps, surtout si ils sont chauffés.2.

Ce sont ces panneaux qui sont en général proposés aux particuliers pour équiper le toit de leur habitation, d’une grange, d’un hangar. Dans

centrale La plus grande centrale solaire photovoltaïque de France

La plus grande centrale solaire photovoltaïque est construite à Toul (Lorraine)3,

entre 2012 et 2013. Le terrain de 360 hectares est une ancienne base militaire, ne pouvant pas facilement être transformée en autre équipement ou rendu à l’agriculture. La puissance maximale prévue est de 115 MW-crête. Elle n’est réellement atteinte que quelques heures dans l’année, quand l’éclairage est maximal. Au cours d’une année complète, en considérant la météo locale moyenne, elle devrait produire une énergie de 110 GWh4 par an,soit 0,02% de la production électrique française.

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Sa production correspondrait à la consommation de 55 000 personnes selon l’annonce faite par EDF. En fait la production durant la journée correspond surtout au besoin d’une activité tertiaire.

Elle devrait couter 430 Millions d’Euros en investissement (Panneaux  First Solar), et son électricité sera achetée 18 centimes pendant 20 ans.

En France, l’ensemble de l’énergie fournie au réseau électrique par tous les panneaux solaires installés (sur les toits, dans les centrales comme celle de Toul etc.) constitue actuellement 0,3 % de l’énergie électrique produite en France, et 1% des énergies renouvelables.

ameliorer_cout_rendement La recherche sur les panneaux photovoltaïques

Les recherches en laboratoire visent à produire de l’électricité moins chère, avec des méthodes moins polluantes.

Il s’agit d’inventer de nouveaux procédés, de trouver de nouveaux matériaux dotés de rendements meilleurs. La plupart des nouveaux procédés utilisent des couches minces, soit en Silicium aussi, soit en utilisant d’autres matériaux, nouveaux, qui utilisent moins d’énergie5

Ils ne sont pas aussi  efficaces, mais ils sont moins chers. Les rendements  obtenus en laboratoire peuvent atteindre 40 %.

Il s’agit aussi de développer des produits différents pour des usages différents. Par exemple les panneaux photovoltaïques organiques se présentent comme des feuilles de plastique sur les quelles sont imprimés des circuits photovoltaïques par des procédés à bas coût. Leur cout très faible pourrait compenser leur durée de vie réduite à 2 ou 3 ans.

centrale Énergie Solaire à concentration

  Concentrer la lumière pour produire de la chaleur, puis de l’électricité

turbineUne centrale solaire à concentration fonctionne avec les rayons du Soleil, que l’on fait converger pour produire de la chaleur.  La chaleur est utilisée pour faire bouillir un liquide – de l’eau. On obtient de la vapeur sous pression qui fait tourner une turbine, qui entraine un générateur électrique. L’énergie des rayons lumineux est donc convertie en chaleur, puis force mécanique, puis en mouvement,  puis en électricité.  Le rendement n’est pas fameux : dans tout système à vapeur, les pertes d’énergie thermiques sont de l’ordre de 2 fois l’énergie de mouvement produite (environ 25¨%). Arriver à gagner quelque pour cents sur ce rendement de production constituerait une importante économie d’énergie !

Ce qui est intéressant dans ce système,  est que l’on peut stocker la chaleur pendant quelques heures pour produire de l’électricité  après le coucher du Soleil.  Le point critique devient donc la question du stockage d’une quantité importante de chaleur, puis sa restitution avec le moins de pertes possible.

centrale espagnole La centrale espagnole de Gemasolar

Gemasolar est une centrale solaire à concentration (CSP) d’une puissance de 19.9 MW, située dans la région de Séville en Espagne. Elle peut fournir une énergie de 0,110 TWh par an et a couté 171 millions d’Euros.6

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Vue aérienne de Gemasolar : le champ solaire se compose de 2,650 miroirs (appelés héliostats), répartis en cercles concentriques autour d’une tour centrale. L’héliostat le plus éloigné étant situé à environ 1 km de la tour. Chaque héliostat mesure 120 m2 et est orienté à chaque instant pour renvoyer la lumière du Soleil sur le four situé en haut de la tour, à 140 mètres de hauteur.

Dans Gemasolar la chaleur est communiquée à du sel fondu. Ce fluide chaud, transmet sa chaleur à de de la vapeur d’eau qui fait tourner la turbine, mais il stocke aussi un surplus de chaleur dans des réservoirs. L’ensemble de ces transformations aboutit à un rendement énergétique plus faible que 3%. De nombreux travaux de recherche tentent améliorer le stockage de la chaleur et faire baisser son coût, comme au Promes, à Perpignan.

Malgré la faiblesse de son rendement, cette installation est très intéressante : elle permet la production d’électricité au moment où l’on en a le plus besoin, le soir, après le coucher du Soleil.

Vu les performances actuelles d’un coté,  le prix des miroirs, et autres installations de l’autre, ces centrales ne sont rentables que dans les régions où le Soleil est présent un nombre d’heures supérieur à 1800  heures par an. C’est le cas dans le sud  de l’Europe ou en Afrique du Nord. L’Espagne pourrait produire beaucoup plus d’électricité par ce type de centrales, dont une partie serait exportée vers le nord de l’Europe aux heures de pointe.

électricité à partir du mouvement De l’énergie électrique à partir du mouvement

Un générateur électrique permet de transformer le mouvement en électricité.

unwattIl repose sur une propriété des aimants. Ceux-ci sont connus pour attirer les autres aimants et certains métaux comme le fer. Mais c’est une autre propriété, moins connue qui est utilisée pour produire un courant électrique : les aimants exercent aussi une force sur les électrons d’un matériau qui bouge. Si ces électrons sont libres de se déplacer, comme dans un fil électrique, ils créent alors un courant électrique dans le fil.

Sur la figure ci dessus, ce n’est pas le fil, mais l’aimant qui bouge, cela revient au même : il suffit que l’un bouge par rapport à l’autre.  Le fil électrique fait des  tours et des tours sur lui même pour augmenter le nombre d’électrons soumis à la force magnétique. Plus le nombre d’électrons qui bougent ensemble est grand, plus l’intensité du courant est élevée.

La main fournit typiquement 1 Wh en quelques minutes à la manivelle, ce qui convient bien aux lampes LED. Souvent le circuit possède une petite batterie rechargeable qui permet au courant d’être stocké, pour que la lampe éclaire même quand on ne tourne plus la manivelle.

Les générateurs électriques utilisent cette propriété des aimants de multiples façons.  Dans une dynamo, c’est l’aimant qui bouge, alors que dans un alternateur, c’est le fil électrique. Le rendement de la conversion de l’énergie du mouvement en énergie électrique dépend du montage. Il peut être très faible comme dans les anciennes dynamos de vélo. Mais il peut aussi être excellent et dépasser 95 %.

etiquette Énergie fournie par une éolienne

Les éoliennes génèrent de l’électricité grâce à un générateur électrique entrainé par les pales que le vent fait tourner.

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Evolution de la dimension des éoliennes  (Source IPCC)

Plus les pales sont grandes et plus l’éolienne peut fournir de énergie. En pratique les grandes pales d’une grande éolienne ne peuvent pas tourner vite.  Mais cela n’est pas gênant, et n’empêche pas l’énergie que peut fournir une éolienne d’augmenter très vite avec la vitesse du vent (voir plus de détails ici sur la puissance d’une éolienne).

etiquette

C’est seulement au-delà d’une certaine vitesse  (en général 50 km/h) que l’éolienne fonctionne à plein régime.  Sur un an en moyenne, une éolienne terrestre fournit 20% de sa « puissance installée », et une éolienne marine environ 33% car les vents sont plus fréquents et forts et large des côtes.7

On estime à 4 800 TWh/an les ressources éoliennes terrestres européennes disponibles. Au niveau mondial les ressources terrestres sont d’environ 53 000 TWh/an. Pour l’off-shore mondial il n’y pas d’estimation car cela dépend des distances au rivage et du type de relief sous marin sur lequel on pourrait planter des mats d’éoliennes. Pour l’Europe les ressources de l’éolien off-shore sont de l’ordre de 3 000 TWh/ mais cela dépend des distances au rivage.

En France 4200 éoliennes peuvent produire potentiellement 60 TWh/an, si le vent souffle en permanence, ce qui n’est jamais le cas. Elles ont produit en fait 12 TWh en 2011, soit 2,5% de la consommation Française. La production pourrait atteindre 100 TWh en 2050 dans les scénarios les plus favorables.

éolienne L’éolien marin en France

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Les cinq grandes fermes éoliennes offshore en construction les long du littoral, comprennent en tout 600 éoliennes  de 5 MW de puissance maximale, pour 10 milliards d’Euros. Elles devraient fournir environ 9 TWh  partir de 2020, pour un prix estimé de  0,35 euros/kWh.8

nenuphar-red_0 D’autres voies se dessinent pour l’avenir : celles des éoliennes flottantes

Comment implanter des éoliennes en mer loin des côtes si les fonds sont profonds ? Plusieurs entreprises développent le concept d’éolienne flottante. Une de celles-ci est en France, près de Lille : l’entreprise « Nenuphar-wind » a l’objectif  d’installer à l’horizon 2015 le premier parc commercial de 13 éoliennes flottantes produisant 25 MW.

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Vue d’artiste : ferme d’éoliennes flottantes. copyright Technip/Nenuphar/EDF EN/Ginger

stockage Le stockage de l’énergie

Une introduction massive d’éolien ou de solaire va nécessiter des moyens de stockage importants. Les STEP sont les plus adaptées.

rendement-stockage

Il faudrait stocker de grandes quantités d’électricité. Au Japon, la capacité de stockage représente 20 % de la production moyenne d’électricité. En France, c’est  plutôt 1 %. Le besoin devrait augmenter avec l’entrée en service de nouveaux moyens d’énergie durable. En 2030 le besoin pourrait être de 15 TWh stockés dans monde9.

Il existe plusieurs façons de stocker l’électricité, la plus connue est l’utilisation de de batteries. Mais les batteries les plus importantes peuvent stocker au mieux 10 MWh, c’est à dire une quantité d’énergie qui peut servir à un quartier,   mais pas une ville.

99% de l’énergie stockée dans le monde l’est par des STEP, les Stations  de Transfert d’Energie par Pompage. C’est le seul moyen connu aujourd’hui pour stocker de grandes quantités d’énergie.  Ces stations de pompages sont des barrages qui fournissent de l’électricité en turbinant l’eau. La particularité est qu’elles peuvent fonctionner à l’envers et remonter l’eau turbinée pour remplir à nouveau le réservoir. La STEP, en pompant l’eau vers le haut consomme de l’énergie électrique quand elle est peu demandée, la nuit, et peut produire de l’énergie électrique selon les besoins. Bien sûr, un peu d’énergie est perdue à chaque fois dans l’opération, mais le rendement global est de l’ordre de 75 % et ce système est très rentable :  la Suisse réalise ainsi entre un et deux milliards d’ Euros de bénéfice chaque année10. Quelques milliards d’Euros, c’est justement le prix d’une STEP. En France, il existe 6 grandes STEP,  la plus grande étant celle du barrage de Grand Maison, qui consomme  sur un an 1,7 TWh d’électricité pour permettre la production de 1,4 TWh. (Cliquer pour plus d’informations sur le stockage d’énergie par STEP)

Une autre façon de stocker l’énergie consiste à produire de l’hydrogène. L’hydrogène peut être utilisé soit comme carburant dans un moteur thermique, soit pour produire de l’électricité dans une pile à combustible. C’est ce que fait la centrale solaire expérimentale de Myrte, en Corse.11

vignola-vue-aerienne-4-ld

puce Références

  1. Production et consommation d’électricité en France,

    • Le bilan prévisionnel 2011 (p. 71) indique que  l’énergie produite par l’éolien installé, malgré son  intermittence évite le recours aux centrales thermique. bilan_complet_2011.pdf
    • Le site de RTE permet de connaitre la consommation passée et présente, par filière production-d-electricite-par-filiere

    et les émissions de CO2 due la production électrique emission-de-co2-par-kwh-d-electricite-produite-en-france []

  2. Solaire voltaïque

    []

  3. Centrale solaire voltaïque de Toul

    []

  4. Pour 1 kWc installé, l’ensoleillement produit en France environ 1000 kWh par an, un peu plus dans le sud de la France. Voir Ricaud, cours []
  5. Nouveaux matériaux photovoltaïques

    []

  6. La centrale Gemasolar : http://fr.wikipedia.org/wiki/Torresol []
  7. Éolien

    • Carte des vents : The World of Wind Atlases – Wind Atlases of the World http://www.windatlas.dk/index.htm
    • Le vent en direct ; la balise du golfe du Lion : http://www.infoclimat.fr/mer/bouees.php?id=61002&amp
    • D’après Réseau de Transport d’Électricité (RTE), « Le Grenelle de l’environnement a retenu que l’énergie éolienne constitue l’un des principaux contributeurs potentiels à l’atteinte des objectifs 2020, constituant le quart de l’objectif global et les deux tiers du supplément d’électricité renouvelable, avec un potentiel de 25 GW, répartis entre 19 GW sur terre et 6 GW en mer, pour une production de 57,9 TWh. »

    []

  8. Eolien marin

    []

  9. http://www.belle-ile-union.org/eole-STEP/STEP-marines_Vigny.pdf []
  10. Statistique suisse de l’électricité 2011, page 23 : http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00542/00630/index.html?lang=fr&dossier_id=00768 []
  11. Le stockage de l’énergie par hydrogène : Myrte http://myrte.univ-corse.fr/ et documents annexes : photos et dossier de presse []

Les sources d’énergie durables

Nous avons à notre disposition d’énormes quantités d’énergie durable. Mais il faut savoir s’en servir.
Poster 5

puce Les  énergies durables

  • Les sources d’’énergie solaire, éolienne, hydraulique,  et la biomasse sont des sources durables car elles sont renouvelables : on pourra en disposer chaque jour nouveau tant que le Soleil nous inondera de sa lumière. Celui-ci s’est formé voilà environ 4,5 milliards d’années et brillera encore 5 milliards d’années de cette façon avant de faire disparaître notre planète. 1Ces sources d’énergies,  éolienne, hydraulique, et la biomasse sont toutes dues à la lumière du Soleil.  C’est parce toutes les parties de notre atmosphère ne sont pas chauffées de la même manière par la lumière, que se produisent des « courants d’air ». C’est cette chaleur qui évapore l’eau qui retombera sous forme de pluie, de neige ou de grêle et alimentera nos barrages. C’est la lumière enfin qui fait pousser nos végétaux et produit la biomasse (plantes, bois…) qui a été une des formes les plus utilisées de l’énergie pendant des siècles.

    • L’énergie géothermique utilise la chaleur de la Terre pour le chauffage ou produire de l’électricité. La géothermie n’est pas une énergie renouvelable, mais une énergie pratiquement inépuisable que l’on classe aussi dans les énergies durables.
    • L’énergie nucléaire utilise l’uranium, un atome naturel présent sur Terre depuis que notre planète s’est formée à partir de la nébuleuse solaire constituée de poussières d’étoiles. Notre utilisation actuelle de l’uranium n’est pas durable mais, avec de nouvelles technologies elle pourrait atteindre plusieurs dizaines de milliers d’années. On pourrait aussi utiliser un autre atome, le thorium, qui est plus abondant que l’uranium.
    • Il existe une source d’énergie qui fait toujours l’objet de recherches, la fusion nucléaire. Elle pourrait fournir de l’énergie pendant des millions d’années. Dans le meilleur des cas elle ne sera pas disponible avant le 22 ème siècle.

    4foisLes ordres de grandeur, non de l’énergie disponible sur Terre, mais qui serait exploitable avec les techniques actuelles ou accessibles,  sont indiqués sur le poster par un chiffre pour chaque source d’énergie. Ce chiffre représente ce que l’on pourrait extraire de chaque source d’énergie, en nombre de fois la consommation mondiale actuelle d’énergie.

    En tout, l’ensemble de ces sources durables représente facilement 4 fois la consommation actuelle mondiale d’énergie.   2

soleil L’énergie solaire, quelques chiffres :

Quelques chiffres :

– La lumière du Soleil apporte  sur Terre à chaque instant environ 10 000 fois l’énergie que l’humanité consomme.

-Une surface exposée au Soleil en haut de l’atmosphère reçoit environ 1366 W par m2 de surface perpendiculaire à ses rayons.  Au sol, à l’équateur, ce sont 1000 W/m2 qui touchent le sol. L’énergie qui touche le sol dépend de l’épaisseur d’air traversée, des nuages, des aérosols, de la pollution atmosphérique, …

– L’Europe du Nord reçoit entre 2 et 3 kWh par jour et par m2, la France entre 3 et 5 , et l’ Afrique du Nord entre 5 et 6. Il s’agit de moyennes sur un an, car bien sûr, l’Europe reçoit plus de soleil en été qu’en hiver. (Voir la carte de l’ensoleillement)

– Par comparaison, un adulte a besoin d’environ 3 kWh par jour sous forme de nourriture.

Le flux d’énergie venant du Soleil est donc gigantesque ! Mais, il y a un « mais »  : ce flux d’énergie n’est disponible que le jour : l’énergie solaire est intermittente.

photovoltaique Le solaire photovoltaïque

L’électricité produite par un panneau solaire photovoltaïque dépend de son éclairement, qui varie selon le lieu,  le jour de l’année, l’heure de la journée, la météo …
ensoleillement-selon-l-heure
légende : voir texte

Les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité quand ils sont éclairés, avec un rendement3 de 15 à 18 % pour les panneaux standards grand public. La figure montre l’énergie fournie par la lumière en cas de beau temps pour la journée du 6 novembre, à Paris (courbe jaune). Ce jour précis, le jour se lève après 8 h et il fait nuit avant 18 h.  L’éclairement et la production d’électricité sont maximales quand le Soleil est le plus haut dans le ciel, vers 13  heures (heure d’hiver). La courbe bleue montre le besoin d’électricité dans le secteur tertiaire ce jour-là. L’électricité des panneaux photovoltaïques peut répondre à ce besoin. La courbe  mauve montre la consommation électrique  des particuliers.  C’est le soir entre 19 h et 20 h que le besoin d’électricité a été le plus fort en France, à une heure où le Soleil ne peut plus fournir d’énergie.

Quand le Soleil est voilé,  par temps nuageux, les panneaux photovoltaïques produisent, mais moins. Au cours d’une journée, la production électrique peut varier très vite comme le montre la figure ci dessous

production solaire
Production par la centrale Myrte en Corse, à deux dates différentes du mois d’avril 2010. Le 11 avril, on observe l’effet de la couverture nuageuse du ciel4

Le moyen d’éviter les inconvénients de l’intermittence est de stocker l’électricité. Pour stocker de petites quantités d’électricité (quelques Watt-heures à quelques kilowatt-heure) on peut utiliser des batteries? C’est ce qui est fait dans les endroits isolés où il n’y a pas de réseau, dans les montagnes ou dans les campagnes des pays émergeant. Ainsi on peut s’éclairer, pomper de l’eau, téléphoner, à n’importe quel moment …. Pour  stocker 10 kWh  il faut quelques centaines de kg de batteries  au  Plomb.

La production d’électricité varie aussi au cours de l’année :  la figure ci dessous montre la variation de la production d’électricité photovoltaïque au cours de l’année,   en Provence dans le nord de la France, en 2011. On voit qu’en janvier, février, novembre et décembre, cette production s’écroule.

production voltatique deux regions
Production par m2 de deux installations particulières en France, en 20115

En France,  l’électricité  est vendue au réseau.  Elle représente 0,7 TWh en 2010, et pourrait passer à 5 TWh en 2020, soit 1% de la production d’électricité. En Europe, elle passerait dans le même temps de 20 à 180 TWh.

solaire_thermique Le solaire thermique

Pas besoin de fioul ni d’électricité,  le Soleil suffit pour chauffer de l’eau !
eau-chaude
Quantité d’eau chaude obtenue grâce à un capteur thermique performant6

La transformation de son énergie lumineuse en énergie thermique est bien  plus efficace que la transformation en électricité par un panneau photovoltaïque.

Un bon panneau solaire thermique a une efficacité de 75 %.  Un tel panneau de 1 m2 permet de récupérer 1 000 kWh de chaleur par an en Provence et la moitié à Bruxelles. Toutefois les courbes montrent qu’à Bruxelles, la production d’eau chaude en hiver est 6 fois plus faible qu’en été (contre 2 fois à Aix en Provence).  Ces panneaux peuvent donc facilement couvrir la totalité (au Sud) ou une partie (au Nord) des besoins d’une famille : eau chaude sanitaire, eau chaude pour les machines à laver, eau chaude pour les radiateurs. Par contre, en hiver, dans le nord,  il faut avoir recours à un autre moyen de chauffage de l’eau, car très peu d’eau chaude est produite par le rayonnement du soleil.

eolien Énergie éolienne

L’énergie éolienne est celle qui possède les ressources les plus importantes  après l’énergie solaire photovoltaïque. Mais elle est intermittente, et le vent ne peut être stocké.

Elle est transformée en électricité par les générateurs électriques des éoliennes. C’est une forme d’énergie qui n’est pas concentrée : une grande masse d’air en mouvement contient un peu d’énergie. Il faut donc de grandes éoliennes pour obtenir des MégaWattheures. La figure ci-dessous7  montre l’évolution de la taille des éoliennes, qui sont de plus en plus grandes pour être capables de fournir de plus en plus d’électricité.

dimension-eoliennes

En Europe de l’Ouest, c’est dans le nord de l’Ecosse et le long des côtes françaises que le vent souffle le plus dans l’année (Voir la carte de la vitesse des vents en Europe). Mais ces vents sont irréguliers. Le graphique ci-dessous montre la vitesse des vents mesurée dans le Golfe du Lion, un des endroits les plus ventés de France et d’Europe, début janvier 2012

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Vitesse du vent mesuré dans le Golfe du Lion en février 2012.8

On observe l’absence totale de vent, la nuit du 1er au 2, jusqu’après midi,  puis la nuit du 3 au  4 janvier. Ensuite, la vitesse du vent change sans cesse au cours du temps. Cependant  il peut souffler des jours et des nuits entiers  à plus de 50 km/h, et les éoliennes pourraient produire alors à plein rendement.

Le Danemark a installé un grand nombre d’éoliennes. Il espère produire 50% de son énergie grâce aux éoliennes en 2030 (il en produit aujourd’hui environ 30% mais ne l’utilise qu’en partie).  Comme le vent ne souffle qu’à certaines heures, le reste du temps le Danemark  l’achète à ses voisins, qui ont d’importantes réserves hydrauliques,  ou fait fonctionner ses centrales à gaz qui sont les plus adaptées à réagir rapidement aux sautes de vent. Le vent à lui seul ne peut remplacer les énergies fossiles.

hydraulique L’énergie hydraulique

Les barrages constituent un stock d’énergie renouvelable très intéressant mais il faut beaucoup d’eau pour obtenir des Mégawatt-heures. C’est pour cela que les barrages ont des tailles imposantes.

L’eau en passant dans une conduite descendant vers une turbine entraine celle-ci comme dans un moulin à eau. Cette turbine fait tourner un générateur de courant (alternateur ou dynamo) qui produit du courant électrique :   l’énergie de la chute de l’eau (énergie potentielle, puis énergie cinétique) est transformée en énergie électrique. Il faut 3,6 tonnes d’eau tombant d’une hauteur de 100 m pour produire 1 kWh d’électricité. La production d’électricité à partir de l’hydraulique est extrêmement efficace et peu coûteuse dans un pays qui a un relief montagneux comme la France.

L’énergie hydraulique représente  10 % de l’électricité produite en France, environ 60 TWh, produite par des dizaines de barrages. En 1950, la consommation française d’électricité s’élevait à 30 TWh. Si un français d’aujourd’hui consommait comme en 1950, la moitié de l’électricité française issue de l’hydraulique suffirait à satisfaire les besoins du pays, et l’autre moitié pourrait être exportée.

La figure ci dessous montre la courbe de production hydraulique au cours d’une année; de juillet à juin.

puissance-hydraulique
Courbe de puissance hydraulique, de Juillet 2011 à juin 2012.9

On voit que la quantité  d’énergie hydraulique  produite dépend de la période de l’année. Au printemps la pluie et la fonte des neiges remplit fleuves et barrages, et permet une grande production. En été et automne, l’eau des barrages est économisée pour être disponible les mois d’hiver quand la demande en électricité est la plus forte.

Outre les grands barrages (le barrage des 3 Gorges, en Chine, a une puissance de 18 GW, soit celle de 18 réacteurs nucléaires de 1 GWe), on peut utiliser « la petite hydraulique »,  au fil de l’eau, c’est-à-dire sans retenue d’eau.

L’hydraulique représente aujourd’hui 2% de l’énergie produite dans le monde. Elle pourrait produire 10 fois plus. En France, l’essentiel du potentiel est déjà exploité.

biomasse La biomasse

Le bois et autres organismes vivants ont stocké l’énergie solaire dans leurs molécules complexes. Une fois séchés, les végétaux et autres organismes brûlent facilement, en dégageant du CO2. Ils peuvent aussi être transformés en agrocarburants.

La biomasse est l’énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde. En France, les cultures permettent de produire typiquement 0,75 tonne équivalent pétrole à l’hectare par an, avec des variations importantes selon les espèces.

La biomasse ne peut être considérée comme « renouvelable » que si on replante autant de végétaux que ce qu’on utilise.  Dans ces conditions le CO2 de la combustion  ne participe  pas au réchauffement climatique, car sur toute la période de croissance, autant de carbone est absorbé que rejeté  et le bilan global  est nul. Par contre, si les végétaux coupés ne sont pas remplacés, le dégagement de CO2 n’est pas compensé et il participe au réchauffement climatique. La déforestation, c’est à dire la destruction de la forêt, pour faire place à des cultures  qui contiennent bien moins de carbone par hectare, est responsable d’environ 10% des émissions de gaz à effet de serre.

La première utilisation de la biomasse est  l’alimentation. Les surfaces non utilisées restantes pourraient fournir au mieux  20 % de l’énergie consommée dans le monde. En France,  plus d’arbres pourrait être plantés. Cela ferait du bois de chauffage (pour  les chaudières à bois), de façon à diminuer l’utilisation de gaz ou de pétrole pour le chauffage .10.

geothermie La géothermie

99% de notre planète est à une température supérieure à 200°C. Cette chaleur peut être utilisée de différentes façons. Pour bien s’en servir, il faut disposer d’études et de cartes géologiques très détaillées, qui souvent n’existent pas.

La température augmente avec la profondeur. En France, cette augmentation varie de  2 à  10 °C tous les 100 mètres, selon les endroits.11

Cette chaleur  a trois causes  principales :

  1. la Terre s’est formée il y a environ 4,56 milliards d’années, elle était très chaude, elle se refroidit toujours.
  2. le coeur de la Terre (la « graine ») se solidifie progressivement. Cette solidification dégage de la chaleur.
  3. La Terre contient des éléments radioactifs12 qui disparaissent lentement en dégageant de l’énergie qui se transforme en chaleur.

Chaque année la Terre évacue  vers l’espace 370 000 TWh de chaleur. Les 3 /4 sont évacués par les océans, et 1/4 par les continents. Cette chaleur des profondeurs remonte lentement : typiquement, il faut un million d’années à la chaleur pour parcourir quelques kilomètres vers la surface, et le flux de chaleur est très hétérogène : il y a par endroit des zones anormalement chaudes assez près de la surface de la Terre, qui constituent des réserves intéressantes.  C’est le cas en France métropolitaine et dans les Antilles.

Si-dessous la carte de températures à 5 km de profondeur en Europe. Le sous-sol est en moyenne à plus de 140°C partout en France. Certains endroits sont encore plus chauds, comme en Alsace, dans le massif central, le Sud-Est de la France.

carte-geothermie

Géothermie basse énergie, l’exemple du bassin parisien

geothermie-paris

Plusieurs méthodes sont utilisées pour extraire  la chaleur du sous-sol.  L’une d’elle  consiste à pomper les eaux chaudes souterraines pour les utiliser directement si leur température est comprise entre 25 et 100 °C.  Leurs calories sont extraites à travers un échangeur, puis l’eau est réinjectée dans la nappe d’eau souterraine avec quelques degrés de moins. La chaleur extraite est éventuellement utilisée par des pompes à chaleur.

Par exemple dans la région parisienne, une nappe située vers 600 m de profondeur contient de l’eau à 27°C. C’est cette nappe qui chauffe la maison de la radio, l’aéroport d’Orly, et fournit sur l’ensemble de l’Ile de France, 1,4 TWh par an pour le chauffage de 140 000 logement13
Le projet d’éco-quartier de Clichy Batignolles prévoit aussi d’utiliser cette  eau chaude,  avec des pompes à chaleur (voir figure ci contre, source : écoquartier Clichy-Batignolles).

Mais comment est chauffée cette nappe d’eau souterraine ? L’étude de la structure géologique du sous-sol du bassin parisien montre une couche sédimentaire contenant plusieurs grandes nappes d’eau, situées au dessus d’une couche épaisse de granite. Le granite est connu pour contenir des éléments radioactifs qui libèrent de l’énergie, rapidement transformée en chaleur. Or les sédiments et l’eau sont de mauvais conducteurs de chaleur, en comparaison du granite. Donc, la chaleur qui s’échappe de celui-ci arrive dans la nappe d’eau qui l’évacue moins vite, ce qui fait augmenter sa température14.   La chaleur des nappes d’eau souterraines dans le bassin parisien est donc une source d’énergie renouvelable, et pourrait être plus exploitée qu’elle ne l’est.

coupebassinparisien2

Géothermie haute température  en Alsace et très haute température à la Guadeloupe

L’eau souterraine à plus de 100°C produit de la vapeur quand on l’amène à l’air libre,  on s’en sert pour produire de l’électricité avec des turbines à vapeur.

soultz

Un projet pilote a vu le jour à  Soultz-sous-Forêts, dans le Haut-Rhin, qui utilise de l’eau à plus de 100 °C.15

De l’eau est injectée à 5000 m de profondeur, et est pompée après avoir circulé à travers les failles et fractures.

A Soultz-sous-Forêts, c’est l’addition des effets de plusieurs phénomènes qui provoque cette anomalie thermique : un sous-sol en granite très fracturé, avec des failles qui permettent la circulation naturelle de l’eau, et une remontée volcanique souterraine qui atteint presque la surface, et datant de moins de 20 millions d’années : elle n’a pas encore eu le temps de relâcher toute sa chaleur (en savoir plus sur la température dans le sous-sol de Soultz-sous-Forêts).

A Bouillante en Guadeloupe, la température est de 240°C à 300 mètres de profondeur. L’explication obtenue par des études détaillées du terrain, fait intervenir comme à Soultz plusieurs  réseaux de failles profondes dans lesquels l’eau circule et remonte efficacement la chaleur des profondeurs. Ces réseaux de failles sont créés par le mouvement tectonique. A Bouillante, ces réseaux de rencontrent et permettent la plus grande circulation d’eau.

Grâce à un forage, l’eau sous pression atteint la surface sous forme de vapeur et alimente une turbine qui produit de l’électricité. La Guadeloupe prévoit la production de 20 % de l’électricité en 2020 par géothermie profonde.

Géothermie de très basse énergie

On peut aussi se servir de la chaleur du sol tout près de sa surface, en dehors de toute anomalie thermique : au delà de quelques dizaines de centimètres ou mètres de profondeur la température du sous-sol reste à peu près constante  au cours de l’année. En hiver la température du sol est plus élevée que celle de l’air, et est donc intéressante associée à une pompe à chaleur. En effet la pompe à chaleur fonctionne d’autant plus efficacement que la différence de température entre la source et l’intérieur est petite : pour chauffer une pièce à 19 °C, on consomme moins d’énergie à pomper la chaleur d’une source de chaleur à 10°C que d’une source à 5°C, ou moins. On pompe alors la chaleur du sol, grâce à un long circuit d’eau enterré. Si le circuit d’eau est horizontal,  il doit occuper environ 100 à 250 m2 de surface pour couvrir les besoins d’une habitation de 100 m2.

mer L’énergie des mers

Les mers constituent un vaste réservoir d’énergie, assez dilué, et peu exploité

– L’énergie des marées est exploitée en Bretagne : c’est le flux et le reflux de la mer, deux fois par jour, qui actionne les turbines placées dans l’eau. L’usine de La Rance fonctionne ainsi depuis plus de 40 ans. Elle a été, jusqu’en 2011, la plus grande usine marémotrice du monde avec une production de 0,540 TWh/an. Sa production représente 3,5% de la consommation de la région Bretagne.16

D’ici 2050, la France pourrait, si elle développait à nouveau cette énergie, produire 100 TWh d’électricité à moins de 100 €/MWh. Les sites intéressants ont des marées d’amplitude moyenne entre 5 m et 8 m. On pourrait y  produire entre 15 et 50 GWh/an par km2.

– les mers sont aussi un vaste réservoir de chaleur. A la Seyne-sur-Mer17, les calories de la mer sont utilisées avec des pompes à chaleur pour le chauffage d’un quartier d’un ensemble d’habitations et bureaux de 50 000 m2.
– vers l’équateur terrestre, on pourrait se servir des différences de températures entre eau de surface et eau profonde. Ces différences de température pourraient créer un courant d’eau ou un courant électrique.
– Le mouvement des vagues, de la houle, peut être transformé en énergie électrique. En France, la côte Atlantique possède le deuxième potentiel européen dans ce domaine après la Grande-Bretagne18.

intermittence L’intermittence des flux d’énergie

L’inconvénient de certaines sources d’énergie est qu’elles sont « intermittentes » :  elles ne sont pas disponibles à volonté, mais seulement à certains moments.

faitquepasser_1Si on fait le point sur les principales sources d’énergie durable on s’aperçoit que :

  • L’énergie de la lumière, n’est disponible que le jour, et plus en été qu’en hiver
  • L’énergie du vent dépend de la météo, comme celle des vagues
  • L’hydraulique est liée aux pluies et à la fonte des neiges en montagne. Elle est disponible à certaines périodes de l’année, pas toujours.

C’est casse-pieds :  les deux sources d’énergie les plus importantes, le Soleil et le vent, sont deux gigantesques fontaines à énergie qui ne coulent pas quand on pourrait en avoir besoin. Ces sources d’énergie sont incapables de remplacer simplement les énergies fossiles :il faut trouver des moyens de stockage.

La géothermie et la biomasse ne posent pas ce genre de problème. On pourrait s’en servir bien plus, par exemple pour remplacer tous les fossiles qui servent au chauffage.

stock Stocker l’énergie

Pour utiliser les énergies intermittentes il faudrait pouvoir les stocker
  •  La biomasse constitue un stock d’énergie assez important. Elle est utilisable très facilement pour le chauffage. Elle sert déjà aussi un peu dans les transports.
  • La pluie qui tombe s’accumule dans les rivières et les lacs, qui forment des stocks d’énergie « potentielle » : les retenues d’eau des barrages. En ouvrant les vannes, la la vitesse acquise par l’eau qui chute peut servir à générer de l’électricité.
  • La géothermie repose sur un stock de chaleur qui est sous utilisé.
  • La lumière solaire est utilisable pour obtenir de l’eau chaude, avec une bonne efficacité, de l’ordre de 75 %. La chaleur peut être conservée pendant des heures, des jours et même des mois s’il le faut !

Mais

  • L’énergie  de la lumière solaire n’est pas facilement stockable : on ne sait pas piéger la lumière.
  • Le vent n’est pas stockable. On ne sait pas piéger le vent

Cepndant la lumière et surtout le vent sont faciles à transformer en électricité.  On peut se servir de cette électricité pour élever de l’eau qui rendra l’énergie en tombant : pour stocker 4 heures de production électrique française sous forme d’énergie potentielle, par des retenues d’eau en hauteur, il faudrait environ 900 millions de m3 d’eau stockés à une hauteur de 100 m. Cela correspond à dix retenues de 10 m de profondeur et de 9 km2 de superficie chacune. Ceci constitue actuellement le meilleur moyen de stocker l’énergie électrique. On appelle ces retenues les « Stations de Transfert d’Energie par Pompage » (les « STEP »).

ref Références

 

  1. Ouvrages généraux sur les énergies durables
  2. -La situation énergétique en France et dans le monde, quels choix politiques ?, Société Française de Physique, (2012) EDP Sciences et références citées
    -Rapport Énergies 2050 : les différents scénarios de politique énergétique pour la France 15 février 2012 http://www.developpement-durable.gouv.fr/Rapport-Energies-2050-les.html-SOURCES D’ÉNERGIE RENOUVELABLE ET ATTÉNUATION DU CHANGEMENT CLIMATIQUE, GIECC http://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srren/srren_report_fr.pdf-The inflection point for energy markets, Health, safety, security and the environment. DB climat change advisors : Une note de la Deutsche Bank (Mai 2011) https://www.dbadvisors.com/content/_media/Inflection_Point_Research_Note.pdf-L’énergie, ressources, technologies et environnement, C.Ngô, Dunod
    -Demain l’énergie, moteur de l’humanité, C.Ngô, Dunod
    – http://www.technologystudent.com/energy1/engex.htm []

  3. Disponibilités des Ressources 

    • Outre le rapport de l’IPPC, sont cités dans l’ouvrage de la SFP « La situation énergétique de la France et dans le monde, quels choix politiques ?, Société Française de Physique, (2012) EDP Sciences » :
    • La disponibilité de la biomasse pour les valorisations énergétiques à l’horizon de 2050, HH. Bichat, http://sauvonsleclimat.org
    • Inventory of the exergy resources on earth including its mineral capital, Alicia Valero, et al. Energy 35 (2010) 989–99.
    • le site wikipédia constitue aussi une référence intéressante : Ressources énergétiques mondiales, Wikipédia http://fr.wikipedia.org/wiki/Ressources_et_consommation_énergétiques_mondiales

    []

  4. le rendement donne le pourcentage d’énergie arrivée sur le panneau qui a été convertie en électricité. Le reste n’a pas servi à fabriqué de l’électricité, a été réfléchi ou converti en chaleur. Plus le rendement est élevé plus le processus de transformation est efficace []
  5. La plateforme Myrte, Dossier de presse []
  6. Le site BDPV – Base de Données sites Photovoltaïques http://www.bdpv.fr/index.php fournit les informations détaillées sur toutes les installations photovoltaïques de France. Par exemple http://www.bdpv.fr/carte_installation.php permet d’atteindre les informations sur une installation particulière, comme par exemple celle-ci près de Marseille : http://www.bdpv.fr/fiche_utilisateur.php?util=germat13 []
  7. Solaire thermique :

    Pour ce qui est de la quantité d’eau qui peut être chauffée : 1 000 kWh par an correspondent en moyenne à 2,7 kWh par jour. Comme il faut 1 kWh pour porter 10 litres d’eau de 20 à 100°C, il faut aussi 1 kWh pour porter 16 litres de 10°C à 60°C. Un  m2 de panneau solaire  permet donc de chauffer à 60°C,  2,7*16 = 43 litres d’eau par jour dans le sud de la France. Il faut deux fois cette surface dans le nord. []

  8. taille et puissance des éoliennes, IPCC []
  9. éolien offshore

    []

  10. Hydraulique

    • http://www.hydroweb.fr/ et  RTE : électricité par filière : http://www.rte-france.com/fr/developpement-durable/eco2mix
    • « Les énergies renouvelables électrogènes, H. Flocart et al. Sauvons le climat, 6 décembre 2012 » qui utilise les données de transparency.eex et de Bundesnetzagentur

    []

  11. Biomasse : Quelles ressources en biomasse pour un système énergétique durable ?, IFPENPanorama2010_07-VF_Biomasse.pdf []
  12. géothermie:

    []

  13. potassium, uranium, thorium []
  14. éco-quartier de Clichy Batignoles http://www.geothermie-perspectives.fr/11-informations-utiles/01-documentation-reference.html []
  15. on peut comparer cette situation à une borne de péage sur l’autoroute. Sur l’autoroute l’écoulement est fluide, puis arrive un péage qui ralentit le flux de voitures. Ce ralentissement provoque une plus grande densité de voitures près du péage. C’est la même chose avec la chaleur : l’eau freine l’écoulement de la chaleur, sa densité de chaleur augmente, et donc sa température []
  16. Soultz-sous-Forêts  : http://www.larecherche.fr/savoirs/technologie/geothermie-profonde-produit-electricite-

    01-02-2010-87408 et  le site de Soultz, avec des documents pédagogiques :  http://www.geothermie-soultz.fr/salle-de-cours/outils-pedagogiques []

  17. Energies marines