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Présentation des énergies renouvelables électriques

1. L’éolien

Principe de fonctionnement

Une éolienne transforme l’énergie mécanique du vent en énergie électrique. Cette transformation se fait en plusieurs étapes.

La transformation de l’énergie par les pales

Les pales fonctionnent sur le principe d’une aile d’avion : la différence de pression entre les deux faces de la pale crée une force aérodynamique, mettant en mouvement le rotor par la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique.

L’accélération du mouvement de rotation grâce au multiplicateur

Les pales tournent à une vitesse relativement lente, de l’ordre de 5 à 15 tours par minute, d’autant plus lente que l’éolienne est grande. La plupart des générateurs ont besoin de tourner à très grande vitesse (de 1.000 à 2.000 tours par minute) pour produire de l’électricité. C’est pourquoi le mouvement lent du rotor est accéléré par un multiplicateur. Certains types d’éoliennes n’en sont pas équipés, leur générateur est alors beaucoup plus gros et beaucoup plus lourd.

La production d’électricité par le générateur

L’énergie mécanique transmise par le multiplicateur est transformée en énergie électrique par le générateur (alternateur). Le rotor du générateur tourne à grande vitesse et produit de l’électricité à une tension d’environ 690 volts.

Le traitement de l’électricité par le convertisseur et le transformateur

Cette électricité ne peut pas être utilisée directement : elle est traitée grâce à un convertisseur, puis sa tension est élevée à 20.000 volts par un transformateur. L’électricité est alors acheminée à travers un câble enterré jusqu’à un poste de livraison, pour être injectée sur le réseau électrique.

Chiffres clés

Les éoliennes installées aujourd’hui sont généralement d’une puissance de 2 à 3 MW (éolien terrestre) voire de 5 à 6 MW (éolien offshore). Espacées de quelques centaines de mètres, ces éoliennes sont regroupées en parcs, atteignant des puissances d’une ou de plusieurs dizaines de MW.

Fin juin 2011, la capacité éolienne terrestre installée en France atteint près de 6.200 MW (source : RTE), et représente plus de 2 % du mix électrique.

Parmi les énergies renouvelables électriques, l’énergie éolienne est celle qui détient aujourd’hui le potentiel de développement le plus important. À cet égard, la PPI prévoit un développement soutenu du parc éolien français : 25.000 MW, dont 19.000 MW terrestres, sont prévus en France d’ici 2020 (représentant 10 % du mix électrique).

Caractéristiques de la production éolienne en France

Les éoliennes produisent de l’électricité quand le vent souffle et les sites choisis pour l’implantation de parcs éoliens le sont pour la ressource en vent qui y est disponible. Elles produisent de l’électricité en moyenne 80 % du temps, à une puissance dépendant de la vitesse du vent. En « équivalent pleine puissance », c’est-à-dire en faisant l’hypothèse qu’elle produise à puissance maximale, une éolienne française produit en moyenne 2.000 heures sur une année.

Si la production électrique d’un parc éolien peut être qualifiée d’intermittente (celle-ci peut varier significativement) la production éolienne a l’échelle nationale ne l’est pas : le foisonnement géographique et la présence de 3 régimes de vent décorrélés (façade Manche – Mer du Nord, front atlantique et zone méditerranéenne), permet une atténuation des variations de production (voir ci-dessous).

Illustration du foisonnement de la production éolienne (exemple de la semaine du 15 juillet 2011, facteur de charge au pas horaire)

Source : SER

A l’échelle du pays, c’est une production variable dont l’observation a permis de tirer quelques enseignements, rappelés par RTE dans le Bilan Prévisionnel 2011 : le « parc en service a présenté un facteur de charge annuel moyen proche de 23 % sur les quatre dernières années […].L’analyse météorologique à l’échelle nationale ne montre pas que les périodes de froid intense s’accompagnent systématiquement de faibles productions éoliennes. Au contraire, l’examen des quelques récentes vagues de froid montre que le facteur de charge moyen national est plus proche de 25 % dans ces périodes ». Plus généralement, la production éolienne en France est plus importante durant les mois froids de l’année, comme cela est observé depuis plusieurs années voir ci-dessous.

Analyse trimestrielle du facteur de charge éolien

Source : SER

RTE analyse également que le « parc éolien participe à l’équilibre offre-demande, contribuant a l’ajustement du parc à hauteur d’une fraction de la puissance éolienne installée, appréciée en termes de puissance substituée […]. Sous réserve d’un développement géographiquement équilibré (plusieurs zones de vent), on peut retenir qu’en France, 25 GW d’éoliennes ou 5 GW d’équipements thermiques apparaissent équivalents en termes d’ajustement du parc de production ».

2. Le photovoltaïque

Principe de fonctionnement

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l’électricité. Elle peut être utilisée seule (calculatrice, montre, …) mais, la plupart du temps, les cellules sont regroupées dans des modules ou panneaux photovoltaïques.

Il existe plusieurs familles de cellules photovoltaïques. Actuellement, les plus répandues sur le marché sont les cellules en silicium cristallin et les cellules en couches minces. D’autres en sont au stade de la Recherche et Développement.

Les cellules en silicium cristallin

Ce type de cellule est constitué de fines plaques de silicium, un élément chimique très abondant dans la nature et qui s’extrait notamment du sable ou du quartz. Le silicium est obtenu à partir d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux : on parle alors de cellules monocristallines ou multicristallines.

Les cellules en silicium cristallin sont d’un bon rendement (de 14 à 15 % pour le multicristallin et de près de 16 a 19 % pour le monocristallin). Elles représentent un peu moins de 90 % du marché actuel.

Les cellules en couches minces

Les cellules en couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs couches semi-conductrices et photosensibles sur un support de verre, de plastique, d’acier, etc. Cette technologie permet de diminuer le coût de fabrication, mais son rendement est inférieur à celui des cellules en silicium cristallin (il est de l’ordre de 5 à 13 %). Les cellules en couches minces les plus répandues sont en silicium amorphe, composées de silicium projeté sur un matériel souple.

La technologie des cellules en couches minces connaît actuellement un fort développement, sa part de marché étant passée de 2 %, il y a quelques années, à plus de 10 % aujourd’hui. La lumière du soleil étant disponible partout, l’énergie radiative du soleil (photovoltaïque) est exploitable aussi bien en montagne dans un village isolé que dans le centre d’une grande ville. Produite au plus près de son lieu de consommation, directement chez l’utilisateur, l’énergie photovoltaïque peut être utilisée de deux manières : soit elle est raccordée au réseau électrique, soit elle apporte de l’électricité à des sites isolés. Si, pendant longtemps, le photovoltaïque a été essentiellement utilisé dans des sites isolés, il est désormais, à plus de 90 %, raccordé au réseau.

Jusqu’à présent, la plupart des installations raccordées au réseau étaient installées sur des bâtiments. Depuis quelques années, des centrales photovoltaïques, représentant plusieurs dizaines de mégawatts, se développent dans différents pays.

Sur le bâti, il existe un potentiel très important de surfaces pouvant accueillir l’énergie photovoltaïque et, dans la plupart des pays, les panneaux photovoltaïques sont installés en toiture.

Chiffres clés

Au 30 juin 2011, les gestionnaires de réseau évaluaient la puissance de l’ensemble du parc photovoltaïque français raccordé au réseau à 1.676 MW. En termes de puissance, environ 35 % de ces installations se situaient sur le toit de logements individuels, 50 % sur de larges toitures comme celles des logements collectifs, des usines, des bâtiments commerciaux, des hangars agricoles, ou des bâtiments publics. Les 15 % restants sont des centrales au sol. Les systèmes peuvent être de toutes tailles : de 1 kW a plusieurs MW.

En 2010, le parc photovoltaïque a représenté 0,1 % du mix électrique français.

Le Grenelle de l’environnement a retenu un objectif de développement des capacités de production photovoltaïque à 5.400 MW en 2020, objectif confirmé dans la PPI. Le rythme de développement du parc photovoltaïque fait que cet objectif sera atteint bien plus tôt.

Caractéristiques de la production photovoltaïque en France

Les installations photovoltaïques produisent de l’électricité à une puissance variable qui dépend de la quantité d’ensoleillement. En « équivalent pleine puissance », c’est-à-dire en faisant l’hypothèse qu’elle produise à puissance maximale (puissance crête installée), une installation photovoltaïque française produit environ 1.100 heures sur une année. La production de telles installations dépend fortement de sa localisation géographique : ainsi, une installation située dans le sud de la France peut produire jusqu’à 1.400 heures (équivalent pleine puissance) alors qu’elle produit environ 800 heures dans le nord du pays.

La production d’un site photovoltaïque peut subir des variations rapides, par exemple lors du passage d’un nuage. Comme pour l’éolien, ces variations sont atténuées par le foisonnement de la production de plusieurs sites ainsi qu’à l’échelle nationale (voir ci-dessous).

Illustration du foisonnement de la production photovoltaïque

Source : RTE

La production photovoltaïque est en moyenne d’une croissance régulière le matin, atteignant une valeur maximale lors du midi solaire (13 heures de novembre à mars et 14 heures d’avril à octobre), puis décroît régulièrement. En été, ce profil de production correspond à l’évolution de la demande en électricité, en particulier dans la matinée ainsi que lors du pic de consommation, également situé au midi solaire. Comme l’analyse RTE dans le bilan prévisionnel 2007, le « parc photovoltaïque vient effacer en partie la pointe journalière (estivale) et présente une corrélation probable avec la consommation de la climatisation ». Par ailleurs, les simulations effectuées pour un parc de 5.400 MW concluent sur un impact notable de la production photovoltaïque sur le réseau, tant en énergie qu’en puissance. La production photovoltaïque étant plus faible en hiver, « l’impact en puissance et en énergie reste limité ».

3. L’hydraulique

Principe de fonctionnement

La production d’électricité hydraulique (hydroélectricité) exploite l’énergie potentielle des cours d’eau. Différentes techniques, sélectionnées en fonction des caractéristiques géographiques des sites, sont utilisées pour exploiter cette énergie.

Les différents types de centrales hydroélectriques

Une centrale hydroélectrique se compose d’une prise d’eau ou d’une retenue d’eau, ainsi que d’une installation de production. Sur la distance entre le barrage et la centrale, l’eau passe par une galerie et une conduite forcée. Plus la différence de hauteur est importante, plus la pression de l’eau dans la centrale sera grande et plus la puissance produite sera importante. La quantité d’énergie est donc proportionnelle à la quantité d’eau turbinée multipliée par la hauteur de chute.

Il existe plusieurs modes de production d’électricité à partir de l’hydraulique terrestre, qui remplissent des rôles différents dans la consommation d’électricité (voir Figure 4).

Les centrales de lac

Elles sont associées à une retenue d’eau créée par un barrage. L’eau est captée par une série d’ouvrages dans les bassins versants en amont de la retenue, puis stockée derrière le barrage. Elle est ensuite acheminée jusqu’aux turbines de la centrale en contrebas.

Capables de fournir très rapidement d’importantes quantités d’énergie, les centrales de lac sont appelées en période de pointe de consommation, et produisent une électricité à très forte valeur ajoutée. La capacité française est de 8.000 MW mobilisables très rapidement. Souples et faciles à télécommander, les ouvrages de lac sont un facteur précieux d’ajustement pour répondre aux variations brusques de la demande des consommateurs, comme par exemple au moment des pics de consommation le matin et le soir et dans les périodes de grand froid ou pour faire face aux incidents du réseau électrique. Les centrales de lac sont relativement peu nombreuses : une centaine en France, dont la moitié dans les Pyrénées et le Massif Central, et plus d’un quart dans les Alpes.

Les centrales au fil de l’eau

Ces centrales ne disposent pas de réservoir et fournissent une énergie de base, non modulable et non stockable, produite « au fil de l’eau », et injectée immédiatement sur le réseau.

55 % de la puissance est garantie toute l’année. On compte plus de 2.000 installations au fil de l’eau. Parmi les plus importantes, on peut citer celles situées sur le Rhin ou le Rhône. Près de 1.700 centrales de petite hydroélectricité (d’une puissance inferieure à 10 MW) produisent 5 TWh par an, soit près de 10 % de la production hydroélectrique française.

Les centrales d’éclusée

La réserve d’eau correspond à une période d’accumulation assez courte (moins de 400 heures de débit). Aux heures les moins chargées de la journée (la nuit) ou de la semaine (le week-end), on reconstitue le stock pour apporter un concours précieux dans les heures pleines. Les trois quarts de ces installations sont localisées dans le sud de la France.

Les stations de transfert d’énergie par pompage

Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) puisent, aux heures creuses, de l’eau dans un bassin inferieur, afin de remplir une retenue en amont (lac d’altitude). L’eau est ensuite turbinée en période de pointe.

Les STEP interviennent en dernier recours, notamment en raison du coût de l’eau à remonter (alimentation électrique des pompes). Consommatrices d’énergie pour remonter l’eau, les STEP ne sont pas considérées comme productrices d’énergie de source renouvelable. Les 11 installations présentes en France ont une puissance installée de 5 000 MW.


Source : RTE

Chiffres clés

Les capacités de production hydroélectrique installées en France s’élèvent à 23 500 MW. Celles-ci ont produit 68 TWh dans le courant de l’année 2010, soit plus de 12 % de la production totale d’électricité.

À l’horizon 2020, la PPI prévoit d’accroître l’énergie produite en moyenne de 3 TWh et d’augmenter la capacité installée de 3.000 MW.

Caractéristiques de la production

Pour répondre à la demande électrique de pointe : l’hydroélectricité de lac

Plus de la moitié du parc hydroélectrique français est modulable, ce qui permet un ajustement de la production selon la consommation : cette production est plus faible l’été, la nuit ou le week-end et permet d’assurer de très fortes capacités de production facilement adaptables, lors de pointes de consommation ou en cas de vague de froid. La production hydroélectrique, souple et télécommandable, est un atout majeur pour l’équilibrage de la production selon les variations de la consommation ou les incidents du réseau électrique.

Ainsi, en cas d’incident dans le système électrique ou d’erreurs de prévisions de consommation, jusqu’à 8.000 MW sont mobilisables en quelques minutes, alors qu’il faut 7 à 11 heures pour les centrales thermiques et environ 40 heures pour un réacteur nucléaire, pour passer de l’arrêt à la pleine puissance. Les bassins de la Dordogne, de la Durance et de la Truyère peuvent mobiliser chacune en quelques minutes plus de 1000 MW de production.

Pour une production de base constante et fiable : l’hydroélectricité au fil de l’eau

La production au fil de l’eau apporte continuellement sur le réseau une puissance significative. Elle permet une production de base sans consommation de combustible fossile, sans émission de CO₂ ni production de déchet.

4. La biomasse

Principe de fonctionnement

L’article 19 de la loi du 3 août 2009 de programmation relative à la mise en œuvre du Grenelle de l’environnement définit la biomasse comme la « fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, y compris les substances végétales et animales, issues de la terre et de la mer, de la sylviculture et des industries connexes ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers ».

En pratique, les principales provenances de la biomasse sont :

  • la forêt ;
  • l’agriculture ;
  • les milieux marins et aquatiques ;
  • les haies, les parcs et jardins (déchets verts) ;
  • les industries et activités humaines ayant traité de la matière d’origine vivante, y compris du bois (industries agro-alimentaires, papetières, de transformation du bois, etc.) et générant des co-produits, des déchets organiques (notamment les boues de stations d’épuration ou les sous-produits animaux) ou des effluents d’élevages.

Issue principalement du monde végétal, la biomasse est la première source d’énergie renouvelable en France. Le bois est son combustible phare. Si la production de chaleur reste le principal débouché énergétique de la biomasse, la valorisation électrique commence à se développer. L’utilisation de la biomasse est neutre vis-à-vis de l’effet de serre, car le gaz carbonique émis dans l’atmosphère lors de la combustion n’est autre que celui absorbé auparavant par la plante lors de sa croissance.

Le terme biomasse recouvre différents types de combustibles, qui peuvent se présenter sous une forme solide (bois, paille, déchets organiques, etc.) ou gazeuse dans le cas où elle résulte d’un processus de méthanisation. Compte-tenu de la teneur en biomasse des déchets incinérés, 50 % de l’énergie produite par une usine d’incinération d’ordures ménagères est considérée comme renouvelable en France.

Chiffres clés

La production d’électricité biomasse est le fait de trois filières énergétiques :

  • les installations de combustion de matières végétales et animales ;
  • les usines d’incinération d’ordures ménagères ;
  • les installations de production de biogaz.

Les installations de production d’électricité à base de biomasse sont de taille unitaire variable, mais généralement associées à un système de cogénération, permettant de produire également de la chaleur. Les installations utilisant de la biomasse solide (principalement du bois) ont une puissance comprise entre 1 et 70 MW en France, alors que les installations de production d’électricité à base de biogaz sont de taille plus réduite, pouvant aller de 100 kW à plus de 2 MW.

Toutes filières confondues, les capacités de production d’électricité à base de biomasse en France s’élevaient à 920 MW à la fin 2009. En 2010, la production brute d’électricité à partir de biomasse est évaluée à 5 441 GWh (source : Plan d’action national en faveur des énergies renouvelables – MEEDDM – juillet 2010).

Caractéristiques de la production

Dans une installation de production à base de biomasse, l’électricité est produite de la même manière que dans une centrale thermique contrôlable (charbon, gaz, fioul).

5. Le solaire thermodynamique

Le solaire thermodynamique est l’une des valorisations du rayonnement solaire direct. Cette technologie consiste à concentrer le rayonnement solaire pour chauffer un fluide à haute température et produire ainsi de l’électricité ou alimenter en énergie des procédés industriels.

Les centrales solaires thermodynamiques recouvrent une grande variété de systèmes disponibles tant au niveau de la concentration du rayonnement, que du choix du fluide caloporteur ou du mode de stockage.

Il est nécessaire de concentrer le rayonnement solaire via des miroirs réflecteurs pour obtenir des températures exploitables pour la production d’électricité. Le rayonnement peut être concentré sur un récepteur linéaire ou ponctuel. Le récepteur absorbe l’énergie réfléchie par le miroir et la transfère au fluide thermodynamique.

L’énergie thermique provenant du rayonnement solaire collecté est convertie grâce à un fluide caloporteur puis un fluide thermodynamique. Dans certains cas, le fluide caloporteur est utilisé directement comme fluide thermodynamique. Le choix du fluide caloporteur détermine la température maximale admissible, oriente le choix de la technologie et des matériaux du récepteur et conditionne la possibilité et la commodité du stockage.

Un atout majeur de certaines technologies solaires thermodynamiques est leur capacité de stockage qui permet aux centrales de fonctionner en continu. En effet, lorsque l’ensoleillement est supérieur aux capacités de la turbine, la chaleur en surplus est dirigée vers un stockage thermique, qui se remplit au cours de la journée. La chaleur emmagasinée permet de continuer à produire en cas de passage nuageux ainsi qu’à la tombée de la nuit. Plusieurs procédés de stockage peuvent être utilisés : sel fondu, béton, matériaux à changement de phase, etc.

Plusieurs systèmes de génération d’électricité sont envisageables : turbine à gaz solarisées, cycle de Rankine vapeur, moteur Stirling, cycle de Rankine organique, etc. Le choix d’un système est conditionné par le type de fluide, la technique de captage et de stockage envisagés. Les cycles de Rankine vapeur sont, dans l’état actuel des technologies, les plus largement déployés.

La centrale Thémis

Inaugurée en 1983 à Targasonne dans les Pyrénées Orientales, la centrale Thémis constitue alors une véritable référence internationale en matière de conversion de l’énergie solaire en électricité. Fermée en 1986 pour raisons économiques, elle renaît aujourd’hui grâce à deux projets : Thémis-PV (Photovoltaïque) et Pégase (Production d’électricité par turbine à gaz et énergie solaire).

Ainsi, la moitié haute des héliostats a été équipée de panneaux photovoltaïques, en vue de produire directement de l’électricité injectée sur le réseau public. L’autre moitié est consacrée au projet de recherche Pégase : les 100 héliostats vont concentrer les rayons du soleil vers la tour centrale existante où circulera de l’air. Ce projet permettra de mener des travaux de R&D sur la technologie du solaire à concentration.

L’opération pilote de la centrale Thémis a permis à la France d’être pionnière dans le domaine du solaire thermodynamique. Riches de cette expérimentation, les acteurs français de la filière disposent aujourd’hui d’atouts incontestables pour exporter leurs savoir-faire et se positionner sur le marché international.

6. La géothermie

La géothermie désigne le processus permettant de capter en profondeur la chaleur terrestre, et l’exploiter via un système de canalisations, afin de l’exploiter en surface sous forme d’électricité ou de chaleur. Ce procédé est fondé sur un système de tuyauterie creusé dans le sol, à l’intérieur duquel circule en permanence un échange de courants chauds et froids. Les niveaux énergétiques correspondants sont adaptables afin de pouvoir alimenter des équipements très variés.

La production d’électricité d’origine géothermique est possible sur les réservoirs dont la température est comprise entre 150 et 350 °C et permettant des débits de production de fluides suffisants.

Plusieurs méthodes et techniques de production d’électricité géothermiques existent actuellement.

  • Pour les sources de vapeur haute température, que l’on retrouve notamment sur les zones de volcanisme actif, l’électricité peut être produite directement par injection de la vapeur dans une turbine ou indirectement par échange de chaleur avec une eau moins corrosive.
  • Pour les sources moins chaudes (moins de 175 °C), les techniques employées (par exemple : cycle binaire) jouent sur la condensation puis la détente du fluide géothermal.
  • La technologie des « Enhanced Geothermal Systems » (EGS), telle qu’elle est expérimentée à Soultz-Sous-Forêts en France, consiste à injecter de l’eau dans les roches chaudes et à exploiter la vapeur créée pour produire de l’électricité.

On dénombre aujourd’hui plus de 350 installations géothermiques haute et moyenne énergie dans le monde. La puissance totale de ces centrales électriques est d’environ 10.700 MW en 2010 (contre 8.000 MW en 2000), soit 0,3 % de la puissance mondiale électrique installée sur la planète. En nombre de mégawatts produits, la géothermie constitue, avec la biomasse et l’éolien, l’une des quatre principales sources d’électricité renouvelable dans le monde après l’hydroélectricité.

Les principaux pays producteurs se situent sur la périphérie du Pacifique : six sur le continent américain pour plus de 4.550 MW, cinq en Asie pour plus de 3.800 MW, deux en Océanie pour 630 MW. L’Europe compte six pays producteurs (Allemagne, Danemark, France, Islande, Italie et Suède) pour une puissance de 1.470 MW, et deux seulement en Afrique pour 174 MW. La géothermie couvre 0,4 % des besoins mondiaux en électricité. Sa contribution aux besoins nationaux peut être bien plus élevée dans certains pays, et atteindre plusieurs pourcents.

Pour en savoir plus :

ADEME - Le savoir-faire français dans le domaine des énergies renouvelables



Cette fiche sur les différentes énergies renouvelables a été rédigée par le SER.




Pour plus d’informations :

Retrouvez les professionnels des énergies renouvelables sur le site du SER et les industriels du secteur références dans les annuaires du SER.

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