Le défi de la production d’énergie décarbonée

Un extrait de Transition énergétique – Enjeux et perspectives par Alexandre ROJEY

Le contenu carbone de l’énergie peut être réduit, en substituant du gaz naturel au charbon, ainsi qu’en augmentant la part de nucléaire et de renouvelables dans le mix énergétique. Mais il existe encore de nombreux freins. Le nucléaire est par exemple confronté au niveau élevé des investissements nécessaires et à des réticences de l’opinion dans de nombreux pays, suite notamment aux accidents de Tchernobyl et de Fukushima. De ce fait, la part du nucléaire dans la fourniture d’électricité au niveau mondial a fortement reculé, passant de 17,5 % en 1996 à un peu plus de 10 % en 2019. Toutefois, la nécessité d’augmenter la part d’électricité décarbonée pourrait conduire à sa renaissance. Dans le cas des énergies renouvelables, la rentabilité économique reste souvent insuffisante en l’absence de subventions. En outre, leur intermittence nécessite soit un système de génération d’électricité modulable en back-up, soit le recours à des dispositifs de stockage d’électricité coûteux et générateurs de déperdition d’énergie.

Différents types d’énergies renouvelables

La première des énergies renouvelables à avoir été exploitée est l’hydraulique, qui a servi dès le Moyen Âge à entraîner les moulins à eau. L’énergie hydraulique présente de nombreux avantages. Elle conduit à la construction d’installations de taille relativement importante, de l’ordre de 300 MW en moyenne, utilisées majoritairement à environ 50 % de la pleine puissance. Elle est facilement modulable et peut même servir à stocker l’électricité. La disponibilité en ressources hydroélectriques reste néanmoins limitée. Au niveau mondial, sa part relative dans la fourniture d’électricité est passée d’environ 20 % il y a une trentaine d’années à 16 % aujourd’hui.

La biomasse, elle, présente l’intérêt de pouvoir se substituer facilement aux ressources fossiles, à la fois comme combustible et comme matière première. Le carbone de la biomasse est considéré comme recyclé, étant donné qu’il est capté dans l’atmosphère. De ce fait, la combustion de la biomasse est censément neutre en bilan carbone. Ceci suppose toutefois que la biomasse soit entièrement régénérée, ce qui n’est pas toujours le cas.

L’énergie géothermique a l’avantage d’une haute disponibilité. C’est également l’une des rares énergies renouvelables pouvant être utilisées sur une base continue. Toutefois, le flux de chaleur géothermique est faible. De ce fait, une centrale fonctionne avec une quantité finie de chaleur stockée, qui s’épuise en quelques décennies, ce qui conduit à une baisse des performances. Ce stock ne peut être renouvelé qu’au bout d’un temps très long. L’énergie géothermique ne peut donc jouer un rôle important que dans des zones volcaniques où le gradient géothermique est élevé, comme en Islande (où il peut dépasser 20 °C/100 m).

La puissance cinétique du vent varie comme le cube de sa vitesse. Elle est d’environ 612 W/m² pour une vitesse de vent de 10 m/s. La puissance éolienne disponible en moyenne varie entre 50 et 400 W/m², selon les régions. La production d’énergie éolienne est intermittente et ne peut pas être modulée en fonction de la demande. La rentabilité économique est d’autant mieux assurée que la vitesse du vent est régulière. Cette condition est en général mieux réalisée en mer ou sur des hauteurs. En raison de l’intermittence de la production, il est nécessaire de lui associer un système de stockage d’énergie ou une production d’électricité en back-up par une centrale fonctionnant avec un combustible fossile.

Enfin, l’énergie fournie par irradiation solaire dans le monde varie entre 500 et 2 500 kWh/m² × an, soit d’un facteur 5. En France, elle se situe entre 1 200 et 1 800 kWh/m² × an, du nord au sud. Cette énergie solaire de rayonnement peut ensuite être convertie en chaleur (capteurs thermiques) ou bien en électricité (capteurs photovoltaïques).