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Les limitations fondamentales des énergies renouvelables

Traduction d'un article paru dans theenergycollective.com du 6 août 2013 de Schalk Cloete

Beaucoup de gens pensent encore que dans peu de temps, les énergies renouvelables comme le solaire ou l'éolien deviendront moins chères que les énergies fossiles, ce qui conduira à une expansion rapide de la fine bande orange foncé du graphique ci-dessous. C'est une notion idéologique très attractive, mais, comme il sera discuté dans cet article, on peut se poser la question de sa faisabilité réelle.

Les énergies primaires globales par sourceglobal primary energy by source

Que doit-on changer aux énergies renouvelables pour qu'elles deviennent compétitives sur un marché libre ? Eh bien pour faire court, il faut que le problème de la nature diffuse et intermittente des énergies renouvelables soit résolu à un coût plus avantageux que celui de la réduction des réserves et de la nature non-dynamisée1 des carburants fossiles.

En d'autres termes, les énergies renouvelables doivent, pour devenir compétitives face aux énergies fossiles sur un marché libre résoudre les problèmes suivants :

  • Les panneaux solaires et les éoliennes doivent devenir moins chers que le gaz ou le pétrole bruts. C'est le problème posé par la nature diffuse des énergies renouvelables.
  • Les systèmes de stockage des énergies renouvelables doivent devenir moins chers que les systèmes de transformation en énergie secondaire (dynamiser) des énergies fossiles. C'est le problème posé par la nature intermittente des énergies renouvelables.

Le premier point représente la façon dont on se procure l'énergie (mines ou forages pour les fossiles, panneaux solaires ou éoliennes pour les renouvelables) alors que le second point représente la façon dont rend l'énergie utilisable par la société à un niveau convenable de pénétration (transformation des fossiles en électricité ou lissage des pointes et des creux de production pour les renouvelables). Sans le premier point, le second ne peut pas exister, et sans le second, l'énergie procuré par le premier n'est pas utilisable dans une société complexe comme la nôtre.

Ainsi, si les énergies renouvelables veulent être compétitives par rapport aux fossiles, leur technologie doit progresser sur les deux points. Cet article examine si cela est en fait possible.

La nature diffuse des énergies renouvelables

Les partisans des énergies renouvelables argumentent souvent sur les flux totaux d'énergie terrestres (voir ci-dessous) et proclament que les ressources énergétiques renouvelables sont essentiellement infinies. Oui, c'est vrai : nous sommes entourés par des quantités incroyables d'énergie renouvelable diffuse (le soleil, le vent). Malheureusement, cette énergie est inutilisable si elle n'est pas concentrée sous la forme d'électricité ou de carburant.10Chaudes(1)

La raison sous jacente s'appelle la deuxième loi de la thermodynamique qui dit que pour que l'énergie fasse son travail, elle doit passer d'un état concentré à un état plus dispersé. Notre système énergétique est entièrement bâti sur le principe du passage de l'énergie fossile d'un état concentré à un état de chaleur diffuse, et pour pouvoir être compétitive, la technologie de l'énergie renouvelable doit être capable de fournir de l'énergie concentrée.

Il est indiscutable que l'énergie renouvelable peut être suffisamment concentrée par les panneaux solaires ou les éoliennes. La seule question est de savoir si cela peut être fait d'une façon plus compétitive que de simplement creuser le sol pour en extraire du gaz ou du pétrole bruts déjà concentrés.

Ce challenge comporte deux parties. Premièrement l'énergie n'aime pas être concentrée. A ce titre, les panneaux solaires commerciaux moyens ont un rendement de seulement 13 %. Deuxièmement, parce que la source d'énergie est très dispersée, des surfaces considérables doivent être couvertes pour récupérer cette énergie diffuse. La vidéo suivante contient des informations très intéressantes sur les dimensions des surfaces dont nous parlons ici. (La vidéo est longue, mais le temps passé en vaut la peine). 


http://www.youtube.com/watch?v=GFosQtEqzSE

Comme résultat de ce challenge, il a déjà été calculé, que le prix des panneaux solaires devait descendre vers 0,31 dollar par watt installé pour être compétitif avec le charbon à 100 dollar la tonne. Il est donc clair que le prix des panneaux solaires installés doit diminuer d'un ordre de grandeur |dix fois] avant que nous puissions voir le marché du charbon durablement déplacé par le photovoltaïque.

Est-ce possible ? Eh bien la prévision la plus optimiste de la base de données de l'OpenEI voit le prix des panneaux photovoltaïques descendre à 1,44 dollar par watt installés ce qui est plus du quadruple du niveau requis. Peut-être seront-nous agréablement surpris par un miracle technologique quelconque dans le futur à moyen terme, mais réussir à obtenir le niveau de prix nécessaire avec la technologie connue aujourd'hui apparaît malheureusement impossible.

La nature intermittente des énergies renouvelables

Si les énergies renouvelables intermittentes comme le soleil ou le vent doivent un jour représenter une part significative de notre mix énergétique, il faudra que de grandes infrastructures additionnelles soient mises en place pour faire face à des fluctuations dont les échelles de temps vont de la seconde à l'année.

Voici ci-dessous un exemple de la variabilité de la production éolienne en Allemagne en 2012. A l'échelle du pays, la production a varié d'au moins deux ordres de grandeur sur une vingtaine de fois d'un minimum de 0,115 gigawatt jusqu'à un maximum de 24 gigawatts. Il est clair que des infrastructures importantes seront nécessaires pour lisser cette production erratique afin qu'elle commence à ressembler à une courbe de la demande. Pour le photovoltaïque, c'est encore pire car l'énergie produite est nulle la plupart du temps et n'existe que pendant les quelques heures de l'après-midi.

german wind output 2012

Encore une fois, il est clair qu'il existe un grand nombre de solutions techniquement valables à ce problème. En regardant simplement le domaine du stockage de l'énergie, il y a de nombreuses façons techniquement réalisables pour stocker l'énergie qu'elles soient chimiques, cinétiques ou autres. Mais encore une fois, le problème est d'avoir des solutions à un coût plus bas que celui de la dynamisation des énergies fossiles.

Parmi les modes existants de dynamisation des carburants fossiles, les centrales à charbon sont le mode le plus onéreux. Par exemple, une centrale à charbon standard doit vendre son électricité à environ 0,060 dollar par kilowatt-heure. A 100 dollars la tonne, le coût de charbon lui-même représente 0,015 dollar par kilowatt-heure. Les 0,045 dollar restants représentent le prix de la dynamisation de charbon en électricité et proviennent, pour l'essentiel, de la faible efficacité et du coût en capital de la centrale à charbon.

Comment se place le stockage de l'énergie en comparaison ? Une étude récente concernant la batterie au plomb et la batterie lithium-ion a trouvé que ces technologies pouvaient stocker l'énergie à des coûts respectifs de 0,34 et 0,40 dollar par kilowatt-heure tenant compte de leurs durées de vie. Ainsi, nous devons conclure que le système le plus idéal de stockage de l'énergie renouvelable est encore un ordre de grandeur plus grand qu'il ne le faudrait pour concurrencer les énergies fossiles lorsqu'on se place à égalité de compétition.

Le coût de la batterie lithium-ion de 0,40 dollar par kilowattheure mentionné ci-dessus a été calculé pour un coût initial de 600 dollars par kilowattheure de capacité. Des projections plus optimistes pour la batterie lithium-ion donnent un coût à long terme d'environ 200 dollars par kilowatt-heure de capacité. A ce prix, le stockage par batterie revient encore au triple du coût de la dynamisation du charbon. Bref, il faudrait un miracle technologique...

Conclusion

Voila les faits. Pour que les sources d'énergies renouvelables comme le photovoltaïque puissent être compétitifs vis à vis des carburants fossiles comme le charbon, il faudrait que le prix des panneaux solaires aussi bien que celui du stockage par batterie soit réduits d'un ordre de grandeur. Ajoutons que les prévisions optimistes nous disent que les panneaux solaires et les stockages par batterie atteindront leur majorité technologique avec un prix qui sera grossièrement le triple de celui de leur contrepartie fossile.

Est-ce que cela signifie qu'il est fondamentalement impossible pour l'énergie renouvelable de concurrencer les énergies fossiles ? Je dirais, pour faire court, que les éléments ci-dessus montrent qu'il est improbable que l'on assiste à un déplacement important des énergies fossiles par les énergies renouvelables au cours de la première moitié de ce siècle.


(1) Dans cet article, l'auteur utilise le substantif "refinement" (verbe "to refine") pour désigner la transformation des énergies primaires fossiles (pétrole, gaz et charbon) en énergie secondaire électricité. J'ai traduit ce mot par "dynamisation".

9 mai 2014