Les énergies renouvelables

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L’énergie renouvelable est l’énergie qui est recueillie à partir de ressources renouvelables, qui sont naturellement reconstituées à l’échelle humaine, comme la lumière du soleil, le vent, la pluie, les marées, les vagues et la chaleur géothermique. L’énergie renouvelable fournit souvent de l’énergie dans quatre domaines importants : la production d’électricité, le chauffage et la climatisation de l’air et de l’eau, les transports et les services énergétiques ruraux (hors réseau).

Selon le rapport REN21 de 2017, les énergies renouvelables ont contribué à 19,3 % de la consommation énergétique mondiale et à 24,5 % de la production d’électricité en 2015 et 2016, respectivement. Cette consommation d’énergie se répartit comme suit : 8,9 % pour la biomasse traditionnelle, 4,2 % pour la chaleur (biomasse moderne, géothermie et chaleur solaire), 3,9 % pour l’hydroélectricité et 2,2 % pour l’électricité éolienne, solaire, géothermique et autres formes de biomasse. Les investissements mondiaux dans les technologies renouvelables se sont élevés à plus de 286 milliards de dollars américains en 2015. À l’échelle mondiale, on estime à 7,7 millions le nombre d’emplois liés à l’industrie de l’énergie renouvelable, l’énergie solaire photovoltaïque étant le principal employeur dans ce secteur. Les systèmes d’énergie renouvelable deviennent rapidement plus efficaces et moins chers et leur part dans la consommation totale d’énergie augmente. En 2019, plus des deux tiers des nouvelles capacités électriques installées dans le monde étaient renouvelables. La croissance de la consommation de charbon et de pétrole pourrait prendre fin d’ici 2020 en raison de l’utilisation accrue des énergies renouvelables et du gaz naturel.

Au niveau national, au moins 30 pays dans le monde ont déjà des sources d’énergie renouvelables qui représentent plus de 20 % de l’approvisionnement énergétique. Les marchés nationaux des énergies renouvelables devraient continuer à croître fortement au cours de la prochaine décennie et au-delà. Certains endroits et au moins deux pays, l’Islande et la Norvège, produisent déjà toute leur électricité à partir d’énergies renouvelables, et de nombreux autres pays se sont fixé l’objectif d’atteindre 100 % d’énergies renouvelables dans le futur. Au moins 47 pays dans le monde produisent déjà plus de 50 % de leur électricité à partir de ressources renouvelables. Les ressources énergétiques renouvelables existent sur de vastes zones géographiques, contrairement aux combustibles fossiles, qui sont concentrés dans un nombre limité de pays. Le déploiement rapide des technologies d’énergie renouvelable et d’efficacité énergétique se traduit par une sécurité énergétique importante, l’atténuation des changements climatiques et des avantages économiques. Dans les sondages d’opinion publique internationaux, la promotion des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et l’énergie éolienne bénéficie d’un large soutien.

Si de nombreux projets d’énergie renouvelable sont de grande envergure, les technologies renouvelables sont également adaptées aux zones rurales et reculées et aux pays en développement, où l’énergie est souvent cruciale pour le développement humain. Comme la plupart des technologies d’énergie renouvelable fournissent de l’électricité, le déploiement des énergies renouvelables s’accompagne souvent d’une électrification plus poussée, ce qui présente plusieurs avantages : l’électricité peut être convertie en chaleur (si nécessaire en produisant des températures plus élevées que les combustibles fossiles), peut être convertie en énergie mécanique à haut rendement et est propre au moment de la consommation. En outre, l’électrification par les énergies renouvelables est plus efficace et permet donc de réduire considérablement les besoins en énergie primaire.

Vue d’ensemble

Les flux d’énergie renouvelable impliquent des phénomènes naturels tels que la lumière du soleil, le vent, les marées, la croissance des plantes et la chaleur géothermique, comme l’explique l’Agence internationale de l’énergie :

L’énergie renouvelable est dérivée de processus naturels qui se renouvellent constamment. Sous ses diverses formes, elle dérive directement du soleil ou de la chaleur produite dans les profondeurs de la terre. La définition comprend l’électricité et la chaleur produites par l’énergie solaire, éolienne, océanique, hydroélectrique, hydroélectrique, de la biomasse, des ressources géothermiques, des biocarburants et de l’hydrogène provenant de ressources renouvelables.

Les ressources énergétiques renouvelables et les possibilités importantes d’efficacité énergétique existent sur de vastes zones géographiques, contrairement aux autres sources d’énergie, qui sont concentrées dans un nombre limité de pays. Le déploiement rapide des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique, ainsi que la diversification technologique des sources d’énergie, se traduiraient par une sécurité énergétique et des avantages économiques importants. Elle réduirait également la pollution de l’environnement, telle que la pollution atmosphérique causée par la combustion de combustibles fossiles, et améliorerait la santé publique, réduirait la mortalité prématurée due à la pollution et permettrait d’économiser des coûts de santé connexes qui s’élèvent à plusieurs centaines de milliards de dollars par an uniquement aux États-Unis. Les sources d’énergie renouvelables, qui tirent leur énergie du soleil, directement ou indirectement, comme l’hydroélectricité et le vent, devraient être capables de fournir de l’énergie à l’humanité pendant encore près d’un milliard d’années, après quoi l’augmentation prévue de la chaleur du soleil devrait rendre la surface de la terre trop chaude pour que l’eau liquide existe.

Les changements climatiques et le réchauffement de la planète, conjugués à la baisse continue des coûts de certains équipements d’énergie renouvelable, comme les éoliennes et les panneaux solaires, entraînent une utilisation accrue des énergies renouvelables. Les nouvelles dépenses, la réglementation et les nouvelles politiques gouvernementales ont aidé l’industrie à mieux résister à la crise financière mondiale que bien d’autres secteurs. Toutefois, à partir de 2019, selon l’Agence internationale pour les énergies renouvelables, la part globale des énergies renouvelables dans le bouquet énergétique (y compris l’électricité, la chaleur et les transports) devra croître six fois plus vite, afin de maintenir la hausse des températures moyennes mondiales « bien en dessous » de 2,0 °C (3,6 °F) pendant le siècle actuel, par rapport aux niveaux préindustriels.

En 2011, de petits systèmes photovoltaïques solaires fourniront de l’électricité à quelques millions de foyers, et la micro-hydro configurée en mini-réseaux en desservira beaucoup plus. Plus de 44 millions de ménages utilisent le biogaz produit dans des digesteurs domestiques pour l’éclairage et/ou la cuisson, et plus de 166 millions de ménages dépendent d’une nouvelle génération de fourneaux à biomasse plus efficaces. Le Secrétaire général des Nations Unies, Ban Ki-moon, a déclaré que l’énergie renouvelable a la capacité d’élever les nations les plus pauvres vers de nouveaux niveaux de prospérité. Au niveau national, au moins 30 pays dans le monde ont déjà des sources d’énergie renouvelables contribuant pour plus de 20 % à l’approvisionnement énergétique. Les marchés nationaux des énergies renouvelables devraient continuer à croître fortement au cours de la prochaine décennie et au-delà, et quelque 120 pays se sont fixé divers objectifs politiques pour les parts à long terme des énergies renouvelables, dont un objectif de 20 % de toute l’électricité produite pour l’Union européenne d’ici 2020. Certains pays ont des objectifs politiques à long terme beaucoup plus élevés, allant jusqu’à 100 % d’énergies renouvelables. En dehors de l’Europe, un groupe diversifié d’une vingtaine d’autres pays ou plus vise des parts d’énergies renouvelables comprises entre 10 % et 50 % à l’horizon 2020-2030.

Les énergies renouvelables remplacent souvent les combustibles classiques dans quatre domaines : la production d’électricité, le chauffage de l’eau et des locaux, les transports et les services énergétiques ruraux (hors réseau) :

D’ici 2040, l’énergie renouvelable devrait égaler la production d’électricité à partir du charbon et du gaz naturel. Plusieurs pays, dont le Danemark, l’Allemagne, l’État de l’Australie-Méridionale et certains États américains, ont réalisé une forte intégration des énergies renouvelables variables. Par exemple, en 2015, l’énergie éolienne a satisfait 42 % de la demande d’électricité au Danemark, 23,2 % au Portugal et 15,5 % en Uruguay. Les interconnexions permettent aux pays d’équilibrer leurs réseaux électriques en autorisant l’importation et l’exportation d’énergie renouvelable. Des systèmes hybrides novateurs sont apparus entre les pays et les régions.
Le chauffage solaire de l’eau apporte une contribution importante au chauffage renouvelable dans de nombreux pays, notamment en Chine, qui représente aujourd’hui 70% du total mondial (180 GWth). La plupart de ces systèmes sont installés sur des immeubles d’appartements multifamiliaux et répondent à une partie des besoins en eau chaude d’environ 50 à 60 millions de foyers en Chine. Dans le monde entier, les systèmes de chauffe-eau solaires installés répondent à une partie des besoins en chauffage de l’eau de plus de 70 millions de foyers. L’utilisation de la biomasse pour le chauffage continue également de croître. En Suède, l’utilisation nationale de l’énergie de la biomasse a dépassé celle du pétrole. La géothermie directe pour le chauffage connaît également une croissance rapide. Les pompes à chaleur géothermiques, qui fournissent à la fois du chauffage et du refroidissement, et qui aplatissent la courbe de la demande d’électricité, constituent une priorité nationale croissante (voir aussi Énergie thermique renouvelable).
Le bioéthanol est un alcool obtenu par fermentation, principalement à partir d’hydrates de carbone produits par les cultures de sucre ou d’amidon comme le maïs, la canne à sucre ou le sorgho sucré. La biomasse cellulosique, dérivée de sources non alimentaires comme les arbres et les graminées, est également en cours de développement comme matière première pour la production d’éthanol. L’éthanol peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à l’état pur, mais il est habituellement utilisé comme additif à l’essence pour augmenter l’indice d’octane et améliorer les émissions des véhicules. Le bioéthanol est largement utilisé aux Etats-Unis et au Brésil. Le biodiesel peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à l’état pur, mais il est habituellement utilisé comme additif diesel pour réduire les niveaux de particules, de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures des véhicules à moteur diesel. Le biodiesel est produit à partir d’huiles ou de graisses par transestérification et est le biocarburant le plus courant en Europe.
Un véhicule solaire est un véhicule électrique alimenté entièrement ou en grande partie par l’énergie solaire directe. Habituellement, les cellules photovoltaïques (PV) contenues dans les panneaux solaires convertissent directement l’énergie solaire en énergie électrique. Le terme « véhicule solaire » implique généralement que l’énergie solaire est utilisée pour alimenter tout ou partie de la propulsion d’un véhicule. L’énergie solaire peut également être utilisée pour alimenter les communications, les commandes ou d’autres fonctions auxiliaires. Actuellement, les véhicules solaires ne sont pas vendus comme moyens de transport pratiques au jour le jour, mais sont principalement des véhicules de démonstration et des exercices d’ingénierie, souvent parrainés par des organismes gouvernementaux. PlanetSolar et Solar Impulse sont des exemples très médiatisés. Cependant, les véhicules à charge solaire indirecte sont très répandus et les bateaux solaires sont disponibles dans le commerce.

Avant le développement du charbon au milieu du XIXe siècle, presque toute l’énergie utilisée était renouvelable. Presque sans aucun doute, la plus ancienne utilisation connue d’énergie renouvelable, sous forme de biomasse traditionnelle pour alimenter les feux, remonte à plus d’un million d’années. L’utilisation de la biomasse pour le feu n’est devenue courante que plusieurs centaines de milliers d’années plus tard. La deuxième utilisation la plus ancienne de l’énergie renouvelable est probablement l’exploitation du vent pour faire passer les navires au-dessus de l’eau. Cette pratique remonte à quelque 7 000 ans, soit à l’époque des navires dans le golfe Persique et sur le Nil. L’énergie géothermique est utilisée depuis l’époque paléolithique pour les bains et depuis l’antiquité romaine pour le chauffage des locaux à partir de sources chaudes. En remontant dans l’histoire, les principales sources d’énergie renouvelable traditionnelle étaient le travail humain, l’énergie animale, l’énergie hydraulique, le vent, les moulins à vent qui broient le grain et le bois de chauffage, une biomasse traditionnelle.

Dans les années 1860 et 1870, on craignait déjà que la civilisation ne soit à court de combustibles fossiles et le besoin d’une meilleure source se faisait sentir. En 1873, le professeur Augustin Mouchot écrivait :

Le temps viendra où l’industrie européenne cessera de trouver ces ressources naturelles qui lui sont si nécessaires. Les sources de pétrole et les mines de charbon ne sont pas inépuisables, mais elles diminuent rapidement dans de nombreux endroits. L’homme reviendra-t-il donc au pouvoir de l’eau et du vent ? Ou émigrera-t-il là où la source de chaleur la plus puissante envoie ses rayons à tous ? L’histoire montrera ce qui va arriver.

En 1885, Werner von Siemens, commentant la découverte de l’effet photovoltaïque à l’état solide, écrit :

En conclusion, je dirais que, quelle que soit l’importance scientifique de cette découverte, sa valeur pratique ne sera pas moins évidente si l’on considère que l’approvisionnement en énergie solaire est à la fois sans limite et sans coût, et qu’il continuera à se déverser sur nous pendant d’innombrables siècles après que tous les dépôts de charbon de la terre auront été épuisés et oubliés.

Max Weber a mentionné la fin des combustibles fossiles dans les derniers paragraphes de son Die protestantische Ethik und der Geist des Kapitalismus (L’éthique protestante et l’esprit du capitalisme), publié en 1905. Le développement des moteurs solaires s’est poursuivi jusqu’au début de la Première Guerre mondiale. L’importance de l’énergie solaire a été reconnue dans un article de 1911 Scientific American : « Dans un avenir lointain, les combustibles naturels épuisés[énergie solaire] resteront le seul moyen d’existence de l’espèce humaine ».

La théorie du pic pétrolier a été publiée en 1956. Dans les années 1970, les écologistes ont encouragé le développement des énergies renouvelables pour remplacer l’épuisement éventuel du pétrole et pour échapper à la dépendance au pétrole, et les premières éoliennes génératrices d’électricité sont apparues. Le solaire a longtemps été utilisé pour le chauffage et la climatisation, mais les panneaux solaires étaient trop coûteux pour construire des fermes solaires jusqu’en 1980.

Technologies classiques

L’énergie éolienne

En 2018, la capacité installée mondiale d’énergie éolienne était de 564 GW.

Le débit d’air peut être utilisé pour faire fonctionner des éoliennes. Les éoliennes modernes à échelle utilitaire ont une puissance nominale d’environ 600 kW à 9 MW. La puissance disponible du vent est fonction du cube de la vitesse du vent, de sorte que lorsque la vitesse du vent augmente, la puissance produite augmente jusqu’à la puissance maximale de l’éolienne en question. Les zones où les vents sont plus forts et plus constants, comme les sites au large et en haute altitude, sont des endroits privilégiés pour les parcs éoliens. En règle générale, les heures à pleine charge des éoliennes varient entre 16 et 57 % par an, mais elles peuvent être plus élevées dans les sites offshore particulièrement favorables.

L’électricité éolienne a répondu à près de 4 % de la demande mondiale d’électricité en 2015, avec près de 63 GW de nouvelle capacité éolienne installée. L’énergie éolienne a été la principale source de nouvelles capacités en Europe, aux États-Unis et au Canada, et la deuxième en Chine. Au Danemark, l’énergie éolienne a satisfait plus de 40 % de la demande d’électricité, tandis que l’Irlande, le Portugal et l’Espagne ont répondu chacun à près de 20 %.

À l’échelle mondiale, le potentiel technique à long terme de l’énergie éolienne est estimé à cinq fois la production mondiale actuelle totale d’énergie ou à 40 fois la demande actuelle d’électricité, en supposant que toutes les barrières pratiques nécessaires ont été surmontées. Cela nécessiterait l’installation d’éoliennes sur de grandes superficies, en particulier dans les régions où les ressources éoliennes sont plus importantes, comme en mer. Comme la vitesse du vent en mer est en moyenne ~90 % plus élevée que celle du vent terrestre, les ressources extracôtières peuvent fournir beaucoup plus d’énergie que les éoliennes situées à terre.

L’hydroélectricité

En 2017, la capacité mondiale d’énergie hydraulique renouvelable était de 1 154 GW

Comme l’eau est environ 800 fois plus dense que l’air, même un courant d’eau lent, ou une houle de mer modérée, peut produire des quantités considérables d’énergie. Il existe de nombreuses formes d’énergie hydraulique :

  • Historiquement, l’énergie hydroélectrique provenait de la construction de grands barrages et réservoirs hydroélectriques, qui sont encore populaires dans les pays en développement. Les plus importants d’entre eux sont le barrage des Trois Gorges (2003) en Chine et le barrage d’Itaipu (1984) construit par le Brésil et le Paraguay.
  • Les petits systèmes hydroélectriques sont des installations hydroélectriques qui produisent généralement jusqu’à 50 MW d’électricité. Ils sont souvent utilisés sur les petites rivières ou comme aménagement à faible impact sur les grandes rivières. La Chine est le plus grand producteur d’hydroélectricité au monde et compte plus de 45 000 petites installations hydroélectriques.
  • Les centrales hydroélectriques au fil de l’eau tirent leur énergie des rivières sans créer de grands réservoirs. L’eau est généralement transportée le long de la vallée fluviale (par des canaux, des tuyaux et/ou des tunnels) jusqu’à ce qu’elle soit bien au-dessus du fond de la vallée, après quoi elle peut tomber à travers une conduite forcée pour entraîner une turbine. Ce mode de production peut encore produire une grande quantité d’électricité, comme le barrage Chief Joseph sur le fleuve Columbia aux États-Unis.

L’hydroélectricité est produite dans 150 pays, la région Asie-Pacifique produisant 32 % de l’hydroélectricité mondiale en 2010. Pour les pays ayant le pourcentage le plus élevé d’électricité produite à partir d’énergies renouvelables, les 50 premiers sont principalement hydroélectriques. La Chine est le plus grand producteur d’hydroélectricité, avec 721 térawattheures de production en 2010, ce qui représente environ 17 % de la consommation intérieure d’électricité. Il y a maintenant trois centrales hydroélectriques de plus de 10 GW : le barrage des Trois Gorges en Chine, le barrage d’Itaipu à la frontière Brésil/Paraguay et le barrage de Guri au Venezuela.

L’énergie des vagues, qui capte l’énergie des vagues de surface de l’océan, et l’énergie marémotrice, qui convertit l’énergie des marées, sont deux formes d’hydroélectricité ayant un potentiel futur ; toutefois, elles ne sont pas encore largement utilisées sur le marché. Un projet de démonstration exploité par la Ocean Renewable Power Company, sur la côte du Maine, et raccordé au réseau, exploite l’énergie marémotrice de la baie de Fundy, où le courant de marée est le plus élevé du monde. La conversion de l’énergie thermique des océans, qui utilise la différence de température entre les eaux de surface profondes plus froides et les eaux de surface plus chaudes, n’a actuellement aucune faisabilité économique.

L’énergie solaire

En 2017, la capacité solaire mondiale installée était de 390 GW.

L’énergie solaire, la lumière rayonnante et la chaleur du soleil, est exploitée à l’aide d’une gamme de technologies en constante évolution telles que le chauffage solaire, le photovoltaïque, l’énergie solaire concentrée (CSP), le photovoltaïque à concentration (CPV), l’architecture solaire et la photosynthèse artificielle. Les technologies solaires sont généralement caractérisées comme étant soit du solaire passif, soit du solaire actif, selon la façon dont elles captent, convertissent et distribuent l’énergie solaire. Les techniques solaires passives comprennent l’orientation d’un bâtiment vers le soleil, le choix de matériaux ayant une masse thermique favorable ou des propriétés de dispersion de la lumière, et la conception d’espaces qui font circuler naturellement l’air. Les technologies solaires actives englobent l’énergie solaire thermique, qui utilise des capteurs solaires pour le chauffage, et l’énergie solaire, qui convertit la lumière du soleil en électricité, soit directement grâce à l’énergie photovoltaïque (PV), soit indirectement grâce à l’énergie solaire concentrée (CSP).

Un système photovoltaïque convertit la lumière en courant continu électrique (CC) en tirant parti de l’effet photoélectrique. Le photovoltaïque solaire s’est transformé en une industrie de plusieurs milliards de dollars en pleine croissance, continue d’améliorer son rapport coût-efficacité et possède, avec CSP, le plus grand potentiel de toutes les technologies renouvelables. Les systèmes d’énergie solaire concentrée (CSP) utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de poursuite pour focaliser une grande partie de la lumière solaire sur un petit faisceau. Les premières centrales solaires à concentration commerciales ont été développées dans les années 1980. CSP-Stirling a de loin le rendement le plus élevé de toutes les technologies d’énergie solaire.

En 2011, l’Agence internationale de l’énergie a déclaré que  » le développement de technologies d’énergie solaire abordables, inépuisables et propres aura d’énormes avantages à long terme. Elle renforcera la sécurité énergétique des pays en s’appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et pour la plupart indépendante des importations, améliorera la durabilité, réduira la pollution, abaissera les coûts de l’atténuation des changements climatiques et maintiendra les prix des combustibles fossiles à un niveau plus bas qu’autrement. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des incitations au déploiement précoce doivent être considérés comme des investissements dans l’apprentissage ; ils doivent être judicieusement dépensés et doivent être largement partagés ». L’Italie possède la plus grande proportion d’électricité solaire au monde ; en 2015, l’énergie solaire a fourni 7,7% de la demande d’électricité en Italie. En 2017, après une autre année de croissance rapide, le solaire a produit environ 2 % de l’électricité mondiale, soit 460 TWh.

Énergie géothermique

La capacité géothermique mondiale en 2017 était de 12,9 GW.

L’énergie géothermique à haute température provient de l’énergie thermique produite et stockée dans la Terre. L’énergie thermique est l’énergie qui détermine la température de la matière. L’énergie géothermique de la Terre provient de la formation originelle de la planète et de la désintégration radioactive des minéraux (dans des proportions actuellement incertaines mais peut-être approximativement égales). Le gradient géothermique, qui est la différence de température entre le noyau de la planète et sa surface, entraîne une conduction continue d’énergie thermique sous forme de chaleur du noyau vers la surface. L’adjectif géothermique vient des racines grecques geo, qui signifie terre, et thermos, qui signifie chaleur.

La chaleur utilisée pour l’énergie géothermique peut provenir des profondeurs de la Terre, jusqu’à son centre, à 6 400 km (4 000 milles) du sol. Au cœur, les températures peuvent atteindre plus de 5 000 °C (9 000 °F). La chaleur conduit du noyau à la roche environnante. Des températures et des pressions extrêmement élevées provoquent la fonte de certaines roches, communément appelées magma. Le magma convexe vers le haut puisqu’il est plus léger que la roche solide. Ce magma chauffe ensuite la roche et l’eau dans la croûte, parfois jusqu’à 371 °C (700 °F).

La géothermie à basse température fait référence à l’utilisation de la croûte externe de la terre comme batterie thermique pour faciliter l’utilisation de l’énergie thermique renouvelable pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments, ainsi que pour d’autres usages frigorifiques et industriels. Dans cette forme de géothermie, une pompe à chaleur géothermique et un échangeur de chaleur géothermique couplé au sol sont utilisés ensemble pour déplacer l’énergie thermique dans le sol (pour le refroidissement) et hors du sol (pour le chauffage) sur une base saisonnière variable. La géothermie basse température (généralement appelée « BPE ») est une technologie renouvelable de plus en plus importante parce qu’elle réduit à la fois la charge énergétique annuelle totale associée au chauffage et à la climatisation et qu’elle aplatit la courbe de la demande électrique en éliminant les besoins extrêmes d’approvisionnement en électricité en été et en hiver. Ainsi, la géothermie à basse température et la géothermie à haute température deviennent une priorité nationale de plus en plus importante, avec de multiples crédits d’impôt à l’appui et dans le cadre du mouvement continu vers l’énergie nette zéro.

Bioénergie

La capacité mondiale de production de bioénergie en 2017 était de 109 GW.

La biomasse est un matériel biologique dérivé d’organismes vivants ou récemment vivants. Il s’agit le plus souvent de plantes ou de matériaux d’origine végétale qui sont spécifiquement appelés biomasse lignocellulosique. En tant que source d’énergie, la biomasse peut être utilisée soit directement par combustion pour produire de la chaleur, soit indirectement après sa conversion en différentes formes de biocarburants. La conversion de la biomasse en biocarburant peut être réalisée par différentes méthodes qui sont largement classées en : méthodes thermiques, chimiques et biochimiques. Le bois demeure aujourd’hui la plus importante source d’énergie de biomasse ; les exemples comprennent les résidus forestiers – comme les arbres morts, les branches et les souches d’arbres -, les résidus de jardinage, les copeaux de bois et même les déchets solides urbains. Dans le second sens, la biomasse comprend les matières végétales ou animales qui peuvent être transformées en fibres ou autres produits chimiques industriels, y compris les biocarburants. La biomasse industrielle peut être cultivée à partir de nombreux types de plantes, dont le miscanthus, le panic raide, le chanvre, le maïs, le peuplier, le saule, le sorgho, la canne à sucre, le bambou et diverses espèces d’arbres, de l’eucalyptus au palmier à huile.

L’énergie végétale est produite par des cultures spécialement cultivées pour être utilisées comme combustible et qui offrent un rendement élevé de biomasse par hectare avec un faible apport énergétique. Le grain peut être utilisé comme combustible liquide pour le transport tandis que la paille peut être brûlée pour produire de la chaleur ou de l’électricité. La biomasse végétale peut également être dégradée de la cellulose en glucose par une série de traitements chimiques, et le sucre obtenu peut ensuite être utilisé comme biocarburant de première génération.

La biomasse peut être convertie en d’autres formes d’énergie utilisables comme le méthane ou les carburants de transport comme l’éthanol et le biodiesel. Les déchets en décomposition et les déchets agricoles et humains libèrent tous du méthane, également appelé gaz d’enfouissement ou biogaz. Les cultures, comme le maïs et la canne à sucre, peuvent être fermentées pour produire le carburant de transport, l’éthanol. Le biodiesel, un autre carburant de transport, peut être produit à partir de restes de produits alimentaires comme les huiles végétales et les graisses animales. De plus, la conversion de la biomasse en liquides (BTL) et l’éthanol cellulosique font toujours l’objet de recherches. Il y a beaucoup de recherche sur le carburant à base d’algues ou la biomasse dérivée des algues parce qu’il s’agit d’une ressource non alimentaire qui peut être produite à des taux 5 à 10 fois supérieurs à ceux d’autres types d’agriculture terrestre, comme le maïs et le soja. Une fois récolté, il peut être fermenté pour produire des biocarburants comme l’éthanol, le butanol et le méthane, ainsi que du biodiesel et de l’hydrogène. La biomasse utilisée pour la production d’électricité varie selon les régions. Les sous-produits forestiers, comme les résidus de bois, sont courants aux États-Unis. Les déchets agricoles sont courants à Maurice (résidus de canne à sucre) et en Asie du Sud-Est (enveloppes de riz). Les résidus d’élevage, tels que la litière de volaille, sont courants au Royaume-Uni.

Les biocarburants comprennent une large gamme de carburants dérivés de la biomasse. Le terme couvre les combustibles solides, liquides et gazeux. Les biocarburants liquides comprennent les bioalcools, comme le bioéthanol, et les huiles, comme le biodiesel. Les biocarburants gazeux comprennent le biogaz, le gaz d’enfouissement et le gaz synthétique. Le bioéthanol est un alcool obtenu par fermentation des composants sucrés des matières végétales et il est fabriqué principalement à partir de cultures de sucre et d’amidon. Il s’agit notamment du maïs, de la canne à sucre et, plus récemment, du sorgho sucré. L’Institut international de recherche sur les cultures des zones tropicales semi-arides étudie actuellement le potentiel de cette dernière culture, qui est particulièrement adaptée à la culture dans les zones arides d’Asie et d’Afrique, en tant que source d’énergie, ainsi que de nourriture et d’aliments pour animaux.

Grâce à la mise au point d’une technologie de pointe, la biomasse cellulosique, comme les arbres et les graminées, est également utilisée comme matière première pour la production d’éthanol. L’éthanol peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à l’état pur, mais il est habituellement utilisé comme additif à l’essence pour augmenter l’indice d’octane et améliorer les émissions des véhicules. Le bioéthanol est largement utilisé aux États-Unis et au Brésil. Les coûts énergétiques de la production de bioéthanol sont presque égaux aux rendements énergétiques du bioéthanol. Toutefois, selon l’Agence européenne pour l’environnement, les biocarburants ne répondent pas aux préoccupations liées au réchauffement climatique. Le biodiesel est fabriqué à partir d’huiles végétales, de graisses animales ou de graisses recyclées. Il peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à l’état pur, ou plus communément comme additif diesel pour réduire les niveaux de particules, de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures des véhicules à moteur diesel. Le biodiesel est produit à partir d’huiles ou de graisses par transestérification et est le biocarburant le plus courant en Europe. Les biocarburants ont fourni 2,7 % du carburant de transport mondial en 2010.

La biomasse, le biogaz et les biocarburants sont brûlés pour produire de la chaleur et de l’électricité et, ce faisant, nuire à l’environnement. Des polluants tels que les oxydes de soufre (SOx), les oxydes d’azote (NOx) et les particules (PM) sont produits par la combustion de la biomasse ; l’Organisation mondiale de la santé estime que 7 millions de décès prématurés sont causés chaque année par la pollution atmosphérique. La combustion de la biomasse y contribue largement.

Intégration dans le système énergétique

La production d’énergie renouvelable à partir de certaines sources telles que l’énergie éolienne et solaire est plus variable et plus dispersée géographiquement que la technologie basée sur les combustibles fossiles et le nucléaire. Bien qu’il soit possible de l’intégrer dans le système énergétique au sens large, cela pose d’autres défis. Pour que le système énergétique reste stable, un ensemble de mesures peut être effectué. La mise en œuvre du stockage de l’énergie, l’utilisation d’une grande variété de technologies d’énergie renouvelable et la mise en œuvre d’un réseau intelligent dans lequel l’énergie est automatiquement utilisée au moment où elle est produite peuvent réduire les risques et les coûts liés à la mise en œuvre des énergies renouvelables.

Stockage de l’énergie électrique

Le stockage de l’énergie électrique est un ensemble de méthodes utilisées pour stocker l’énergie électrique. L’énergie électrique est stockée pendant les périodes où la production (en particulier à partir de sources intermittentes comme l’énergie éolienne, l’énergie marémotrice et l’énergie solaire) dépasse la consommation et retourne au réseau lorsque la production devient inférieure à la consommation. L’hydroélectricité pompée représente plus de 90 % de toute l’électricité stockée sur le réseau. Les coûts des batteries lithium-ion diminuent rapidement et sont de plus en plus utilisés pour les services auxiliaires du réseau et pour le stockage domestique.

Tendances du marché et de l’industrie

L’énergie renouvelable a été plus efficace pour créer des emplois que le charbon ou le pétrole aux États-Unis. En 2016, l’emploi dans le secteur a augmenté de 6 % aux États-Unis, entraînant une baisse de 18 % de l’emploi dans le secteur des énergies non renouvelables. À l’échelle mondiale, les énergies renouvelables emploient environ 8,1 millions de personnes en 2016.

Croissance des énergies renouvelables

Depuis la fin de 2004, la capacité mondiale d’énergie renouvelable a augmenté de 10 à 60 % par an pour de nombreuses technologies. En 2015, les investissements mondiaux dans les énergies renouvelables ont augmenté de 5 % pour atteindre 285,9 milliards de dollars, battant le précédent record de 278,5 milliards de dollars en 2011. 2015 a également été la première année où les énergies renouvelables, à l’exclusion des grandes centrales hydroélectriques, ont représenté la majeure partie de la nouvelle capacité de production d’électricité (134 GW, soit 53,6 % du total). Sur le total des énergies renouvelables, l’éolien représentait 72 GW et le solaire photovoltaïque 56 GW, deux chiffres records et en forte hausse par rapport aux chiffres de 2014 (49 GW et 45 GW respectivement). En termes financiers, l’énergie solaire a représenté 56 % du total des nouveaux investissements et l’énergie éolienne 38 %.

En 2014, la capacité mondiale d’énergie éolienne a augmenté de 16 % pour atteindre 369 553 MW. La production annuelle d’énergie éolienne connaît également une croissance rapide et a atteint environ 4% de la consommation mondiale d’électricité, 11,4% dans l’UE, et elle est largement utilisée en Asie et aux Etats-Unis. En 2015, la capacité photovoltaïque installée dans le monde est passée à 227 gigawatts (GW), ce qui est suffisant pour répondre à 1 % de la demande mondiale en électricité. Les centrales solaires thermiques fonctionnent aux États-Unis et en Espagne et, à partir de 2016, la plus grande d’entre elles est le système de production d’électricité solaire Ivanpah de 392 MW en Californie. La plus grande installation géothermique au monde est The Geysers en Californie, avec une puissance nominale de 750 MW. Le Brésil a l’un des plus importants programmes d’énergie renouvelable au monde, qui comprend la production d’éthanol carburant à partir de la canne à sucre, et l’éthanol fournit maintenant 18 % du carburant automobile du pays. L’éthanol carburant est également largement disponible aux États-Unis.

En 2017, les investissements dans les énergies renouvelables se sont élevés à 279,8 milliards de dollars américains dans le monde, la Chine représentant 126,6 milliards de dollars américains, soit 45 % des investissements mondiaux, les États-Unis 40,5 milliards et l’Europe 40,9 milliards. Les résultats d’un examen récent de la documentation ont conclu qu’à mesure que les émetteurs de gaz à effet de serre (GES) commencent à être tenus responsables des dommages causés par les émissions de GES résultant des changements climatiques, une valeur élevée pour l’atténuation de la responsabilité constituerait une puissante incitation au déploiement des technologies d’énergie renouvelable.

Sélection d’indicateurs mondiaux sur les énergies renouvelables 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Investissement dans de nouvelles capacités renouvelables (annuel) (109 USD) 182 178 237 279 256 232 270 285 241
Capacité de production d’énergie renouvelable (existante) (GWe) 1,140 1,230 1,320 1,360 1,470 1,578 1,712 1,849 2,017
Capacité hydroélectrique (existante) (GWe) 885 915 945 970 990 1,018 1,055 1,064 1,096
Capacité éolienne (existante) (GWe) 121 159 198 238 283 319 370 433 487
Puissance PV solaire (raccordée au réseau) (GWe) 16 23 40 70 100 138 177 227 303
Capacité de production d’eau chaude solaire (existante) (GWth) 130 160 185 232 255 373 406 435 456
Production d’éthanol (annuelle) (109 litres) 67 76 86 86 83 87 94 98 98.6
Production de biodiesel (annuelle) (109 litres) 12 17.8 18.5 21.4 22.5 26 29.7 30 30.8
Pays ayant des objectifs politiques en
matière d’utilisation des énergies renouvelables
79 89 98 118 138 144 164 173 176
Source : Le Réseau d’action en matière d’énergies renouvelables pour le XXIe siècle (REN21)-Rapport sur l’état de la situation dans le monde

Projections futures

Les technologies des énergies renouvelables sont de moins en moins chères, grâce à l’évolution technologique et aux avantages de la production de masse et de la concurrence sur le marché. Un rapport de 2018 de l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a constaté que le coût des énergies renouvelables diminue rapidement et sera probablement égal ou inférieur au coût des énergies non renouvelables comme les combustibles fossiles d’ici 2020. Le rapport révèle que les coûts de l’énergie solaire ont chuté de 73 % depuis 2010 et que les coûts de l’énergie éolienne terrestre ont diminué de 23 % au cours de la même période.

Les projections actuelles concernant le coût futur des énergies renouvelables varient toutefois. L’EIE prévoit que près des deux tiers des ajouts nets à la capacité de production d’électricité proviendront des énergies renouvelables d’ici 2020 en raison des avantages politiques combinés de la pollution locale, de la décarbonisation et de la diversification énergétique.

Selon un rapport publié en 2018 par Bloomberg New Energy Finance, l’énergie éolienne et solaire devrait générer environ 50 % des besoins énergétiques mondiaux d’ici 2050, tandis que les centrales électriques alimentées au charbon devraient tomber à seulement 11 %. L’hydroélectricité et la géothermie produites sur des sites favorables sont aujourd’hui le moyen le moins cher de produire de l’électricité. Les coûts des énergies renouvelables continuent de baisser et le coût uniformisé de l’électricité (LCOE) est en baisse pour l’éolien, le solaire photovoltaïque (PV), le solaire concentré (CSP) et certaines technologies biomasse. L’énergie renouvelable est également la solution la plus économique pour de nouvelles capacités connectées au réseau dans les zones disposant de bonnes ressources. Au fur et à mesure que le coût de l’énergie renouvelable diminue, la portée des applications économiquement viables augmente. Les technologies renouvelables sont aujourd’hui souvent la solution la plus économique pour les nouvelles capacités de production. Là où « la production d’électricité à partir du pétrole est la source prédominante (par exemple sur les îles, hors réseau et dans certains pays), il existe presque toujours aujourd’hui une solution renouvelable à moindre coût ». Une série d’études réalisées par le National Renewable Energy Laboratory des États-Unis a modélisé le « réseau dans l’ouest des États-Unis selon différents scénarios où les énergies renouvelables intermittentes représentaient 33 % de la puissance totale » Dans les modèles, les inefficacités du cycle des centrales à combustibles fossiles pour compenser la variation de l’énergie solaire et éolienne ont entraîné un coût supplémentaire de  » 0,47 $ à 1,28 $ par mégawattheure produit  » ; cependant, les économies réalisées sur le coût des combustibles économisés  » s’élèvent à 7 milliards $, ce qui signifie que les coûts supplémentaires ne représentent que 2 % des économies  »

Tendances pour les technologies individuelles

L’hydroélectricité

En 2017, la capacité mondiale d’énergie hydraulique renouvelable était de 1 154 GW. Seulement un quart du potentiel hydroélectrique mondial estimé à 14 000 TWh/an a été développé, les potentiels régionaux pour la croissance de l’hydroélectricité dans le monde sont, 71% Europe, 75% Amérique du Nord, 79% Amérique du Sud, 95% Afrique, 95% Moyen Orient, 82% Asie Pacifique. Cependant, les réalités politiques des nouveaux réservoirs dans les pays occidentaux, les limitations économiques dans le tiers-monde et l’absence d’un réseau de transport dans les zones non développées, font qu’il est possible de développer 25% du potentiel restant avant 2050, dont la majeure partie dans la zone Asie-Pacifique. La croissance est lente dans les comtés de l’Ouest, mais pas dans le style conventionnel des barrages et réservoirs du passé. Les nouveaux projets prennent la forme de petites centrales au fil de l’eau et de petites centrales hydroélectriques, qui n’utilisent pas de grands réservoirs. Il est populaire de réaménager les vieux barrages, ce qui augmente leur efficacité et leur capacité, ainsi que leur réactivité sur le réseau. Lorsque les circonstances le permettent, les barrages existants, comme le barrage Russell construit en 1985, peuvent être mis à jour avec des installations de  » pompage en retour  » pour l’accumulation par pompage, ce qui est utile pour les charges de pointe ou pour soutenir l’énergie éolienne et solaire intermittente. Les pays ayant de grands projets hydroélectriques comme le Canada et la Norvège dépensent des milliards de dollars pour étendre leurs réseaux afin de commercer avec les pays voisins qui ont peu d’hydroélectricité.

Développement de l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est largement utilisée en Europe, en Chine et aux États-Unis. De 2004 à 2017, la puissance installée mondiale de l’énergie éolienne est passée de 47 GW à 514 GW, soit plus de dix fois plus en 13 ans. Fin 2014, la Chine, les États-Unis et l’Allemagne représentaient ensemble la moitié de la capacité mondiale totale. Plusieurs autres pays ont atteint des niveaux relativement élevés de pénétration de l’énergie éolienne, tels que 21 % de la production d’électricité fixe au Danemark, 18 % au Portugal, 16 % en Espagne et 14 % en Irlande en 2010, et ont depuis continué à accroître leur capacité installée. Plus de 80 pays dans le monde utilisent l’énergie éolienne à des fins commerciales.

La puissance des éoliennes augmente, certains modèles commercialement déployés produisant plus de 8 MW par éolienne. Des modèles plus puissants sont en cours de développement, voir la liste des éoliennes les plus puissantes.

En 2017, l’énergie éolienne en mer représentait 18,7 GW de puissance installée mondiale, soit seulement 3,6 % de la capacité éolienne totale. Le Royaume-Uni est le leader incontesté de l’énergie offshore avec la moitié de la capacité installée mondiale devant le Danemark, l’Allemagne, la Belgique et la Chine.
En 2013, l’Alta Wind Energy Center (Californie, 1,5 GW) est le plus grand parc éolien au monde. Le Walney Extension (Londres, 0,7 GW) est le plus grand parc éolien offshore du monde. Le parc éolien de Gansu (Chine, 7,9 GW) est le plus grand projet de production d’énergie éolienne composé de 18 parcs éoliens.

Solaire thermique

La capacité d’énergie solaire thermique est passée de 1,3 GW en 2012 à 5,0 GW en 2017.

L’Espagne est le leader mondial du déploiement de l’énergie solaire thermique avec 2,3 GW déployés. Les États-Unis disposent de 1,8 GW, principalement en Californie où 1,4 GW de projets d’énergie solaire thermique sont opérationnels. Plusieurs centrales électriques ont été construites dans le désert de Mojave, dans le sud-ouest des États-Unis. En 2017, seuls quatre autres pays ont des déploiements supérieurs à 100 MW : l’Afrique du Sud (300 MW), l’Inde (229 MW), le Maroc (180 MW) et les Emirats Arabes Unis (100 MW).

Les États-Unis ont mené des recherches très précoces dans le domaine du photovoltaïque et de l’énergie solaire concentrée. Les États-Unis comptent parmi les premiers pays du monde pour l’électricité produite par le Soleil et plusieurs des plus grandes installations de services publics au monde sont situées dans le désert du Sud-Ouest.

La plus ancienne centrale solaire thermique au monde est la centrale thermique SEGS de 354 mégawatts (MW), en Californie. Le système de production d’électricité solaire Ivanpah est un projet d’énergie solaire thermique dans le désert de Mojave en Californie, à 40 miles (64 km) au sud-ouest de Las Vegas, avec une capacité brute de 377 MW. La centrale électrique Solana de 280 MW est une centrale solaire près de Gila Bend, en Arizona, à environ 110 km au sud-ouest de Phoenix, achevée en 2013. Lors de sa mise en service, il s’agissait de la plus grande centrale à auges paraboliques au monde et de la première centrale solaire américaine avec stockage d’énergie thermique au sel fondu.

Dans les pays en développement, trois projets de la Banque mondiale pour des centrales thermiques solaires intégrées à cycle combiné à turbines à gaz à cycle combiné en Égypte, au Mexique et au Maroc ont été approuvés.

Développement photovoltaïque

Le photovoltaïque (PV) connaît une croissance rapide, la capacité mondiale passant de 177 GW fin 2014 à 385 GW en 2017.

Le photovoltaïque utilise des cellules solaires assemblées en panneaux solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité. Les systèmes photovoltaïques vont des petites installations intégrées aux toits ou aux bâtiments résidentiels et commerciaux jusqu’aux grandes centrales photovoltaïques à échelle utilitaire. La technologie photovoltaïque prédominante est le silicium cristallin, tandis que la technologie des cellules solaires à couches minces représente environ 10 % du déploiement photovoltaïque mondial. Au cours des dernières années, la technologie photovoltaïque a amélioré son efficacité de production d’électricité, réduit le coût d’installation par watt ainsi que le temps de récupération de l’énergie et atteint la parité du réseau dans au moins 30 marchés différents en 2014. Les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments ou systèmes photovoltaïques « sur site » utilisent les terrains et les structures existants et produisent de l’électricité près de l’endroit où ils sont consommés.

C’est en Chine que le photovoltaïque a connu la croissance la plus rapide, suivie du Japon et des États-Unis. L’Italie couvre 7,9 % de ses besoins en électricité grâce à l’énergie photovoltaïque, soit la part la plus élevée au monde. On prévoit que l’énergie solaire deviendra la plus grande source d’électricité au monde d’ici 2050, l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie solaire concentrée représentant respectivement 16 % et 11 % de la production. Cela nécessite une augmentation de la capacité PV installée à 4 600 GW, dont plus de la moitié devrait être déployée en Chine et en Inde.

Les premières centrales solaires à concentration commerciales ont été développées dans les années 1980. Avec la baisse du coût de l’électricité solaire, le nombre de systèmes photovoltaïques solaires raccordés au réseau s’est multiplié par millions et des centrales solaires de plusieurs centaines de mégawatts sont en construction. De nombreuses centrales solaires photovoltaïques ont été construites, principalement en Europe, en Chine et aux Etats-Unis. Le parc solaire de 1,5 GW Tengger Desert Solar Park, en Chine, est la plus grande centrale photovoltaïque du monde. Bon nombre de ces centrales sont intégrées à l’agriculture et certaines utilisent des systèmes de suivi qui suivent la trajectoire quotidienne du soleil dans le ciel pour produire plus d’électricité que les systèmes fixes.

Développement des biocarburants

La capacité mondiale de production de bioénergie en 2017 était de 109 GW. Les biocarburants ont fourni 3% du carburant de transport mondial en 2017.

Des mandats de mélange de biocarburants existent dans 31 pays au niveau national et dans 29 états/provinces. Selon l’Agence internationale de l’énergie, les biocarburants pourraient répondre à plus du quart de la demande mondiale de carburants de transport d’ici 2050.

Depuis les années 1970, le Brésil s’est doté d’un programme de production d’éthanol-carburant qui lui a permis de devenir le deuxième producteur mondial d’éthanol (après les États-Unis) et le premier exportateur mondial. Le programme brésilien de production d’éthanol-carburant utilise de l’équipement moderne et de la canne à sucre bon marché comme matière première, et les déchets résiduels de canne (bagasse) servent à produire de la chaleur et de l’électricité. Il n’y a plus de véhicules légers au Brésil fonctionnant à l’essence pure. Fin 2008, il y avait 35 000 stations-service dans tout le Brésil avec au moins une pompe à éthanol. Malheureusement, l’Opération Lavage de voitures a sérieusement érodé la confiance du public dans les compagnies pétrolières et a impliqué plusieurs hauts responsables brésiliens.

Presque toute l’essence vendue aujourd’hui aux États-Unis est mélangée à 10 % d’éthanol, et les constructeurs automobiles produisent déjà des véhicules conçus pour fonctionner avec des mélanges beaucoup plus riches en éthanol. Ford, Daimler AG et GM font partie des constructeurs automobiles qui vendent des voitures, des camions et des mini-fourgonnettes  » à carburant flexible  » qui peuvent utiliser de l’essence et des mélanges d’éthanol allant de l’essence pure à 85 % d’éthanol. Au milieu de 2006, on comptait environ 6 millions de véhicules compatibles à l’éthanol sur les routes américaines.

Développement de la géothermie

La capacité géothermique mondiale en 2017 était de 12,9 GW.

L’énergie géothermique est rentable, fiable, durable et respectueuse de l’environnement, mais elle a toujours été limitée aux zones proches des limites des plaques tectoniques. Les progrès technologiques récents ont élargi la gamme et la taille des ressources viables, en particulier pour des applications telles que le chauffage domestique, ouvrant la voie à une exploitation à grande échelle. Les puits géothermiques dégagent des gaz à effet de serre emprisonnés profondément dans la terre, mais ces émissions sont généralement beaucoup plus faibles par unité d’énergie que celles des combustibles fossiles. Par conséquent, l’énergie géothermique peut contribuer à atténuer le réchauffement de la planète si elle est largement utilisée à la place des combustibles fossiles.

En 2017, les États-Unis étaient en tête de la production mondiale d’électricité géothermique avec 12,9 GW de puissance installée. Le plus grand groupe de centrales géothermiques au monde est situé à The Geysers, un champ géothermique en Californie. Les Philippines suivent les États-Unis au deuxième rang mondial pour la production d’énergie géothermique, avec 1,9 GW de capacité en ligne.

Pays en développement

La technologie des énergies renouvelables a parfois été perçue comme un article de luxe coûteux par les critiques et abordable uniquement dans les pays riches et développés. Cette vision erronée persiste depuis de nombreuses années, mais entre 2016 et 2017, les investissements dans les énergies renouvelables ont été plus élevés dans les pays en développement que dans les pays développés, la Chine étant le premier investisseur mondial avec un montant record de 126,6 milliards de dollars. De nombreux pays d’Amérique latine et d’Afrique ont également augmenté considérablement leurs investissements. Les énergies renouvelables peuvent être particulièrement adaptées aux pays en développement. Dans les régions rurales et éloignées, le transport et la distribution de l’énergie produite à partir de combustibles fossiles peuvent être difficiles et coûteux. La production locale d’énergie renouvelable peut offrir une alternative viable.

Les progrès technologiques ouvrent un nouveau marché énorme pour l’énergie solaire : les quelque 1,3 milliard de personnes dans le monde qui n’ont pas accès au réseau électrique. Même s’ils sont généralement très pauvres, ces gens doivent payer beaucoup plus cher pour l’éclairage que les habitants des pays riches parce qu’ils utilisent des lampes à kérosène inefficaces. L’énergie solaire coûte deux fois moins cher que l’éclairage au kérosène. En 2010, on estime qu’environ 3 millions de foyers étaient alimentés par de petits systèmes photovoltaïques solaires. Le Kenya est le leader mondial pour le nombre de systèmes d’énergie solaire installés par habitant. Plus de 30 000 très petits panneaux solaires, produisant chacun de 1 2 à 30 watts, sont vendus au Kenya chaque année. Certains petits États insulaires en développement (PEID) se tournent également vers l’énergie solaire pour réduire leurs coûts et accroître leur durabilité.

Des micro-centrales hydroélectriques configurées en mini-réseaux fournissent également de l’électricité. Plus de 44 millions de ménages utilisent le biogaz produit dans des digesteurs domestiques pour l’éclairage et/ou la cuisson, et plus de 166 millions de ménages dépendent d’une nouvelle génération de fourneaux à biomasse plus efficaces. Les combustibles liquides propres provenant de matières premières renouvelables sont utilisés pour la cuisson et l’éclairage dans les régions pauvres en énergie des pays en développement. Les carburants à base d’alcool (éthanol et méthanol) peuvent être produits de façon durable à partir de matières premières sucrées, amylacées et cellulosiques non alimentaires. Project Gaia, Inc. et CleanStar Mozambique mettent en œuvre des programmes de cuisson propre avec des fourneaux à éthanol liquide en Éthiopie, au Kenya, au Nigeria et au Mozambique.

Les projets d’énergie renouvelable dans de nombreux pays en développement ont démontré que les énergies renouvelables peuvent contribuer directement à la réduction de la pauvreté en fournissant l’énergie nécessaire pour créer des entreprises et des emplois. Les technologies d’énergie renouvelable peuvent également contribuer indirectement à réduire la pauvreté en fournissant de l’énergie pour la cuisine, le chauffage des locaux et l’éclairage. Les énergies renouvelables peuvent également contribuer à l’éducation en fournissant de l’électricité aux écoles.

Politique

Les politiques de soutien aux énergies renouvelables ont joué un rôle essentiel dans leur expansion. Là où l’Europe a dominé l’établissement de la politique énergétique au début des années 2000, la plupart des pays du monde ont maintenant une certaine forme de politique énergétique.

Tendances des politiques

L’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) est une organisation intergouvernementale chargée de promouvoir l’adoption des énergies renouvelables dans le monde. Il vise à fournir des conseils politiques concrets et à faciliter le renforcement des capacités et le transfert de technologie. L’IRENA a été créée en 2009, par 75 pays signataires de la charte de l’IRENA. En avril 2019, l’IRENA comptait 160 États membres. Le Secrétaire général des Nations Unies de l’époque, Ban Ki-moon, a déclaré que l’énergie renouvelable a la capacité d’élever les nations les plus pauvres vers de nouveaux niveaux de prospérité, et en septembre 2011, il a lancé l’initiative des Nations Unies pour une énergie durable pour tous afin d’améliorer l’accès et l’efficacité énergétiques et le déploiement de l’énergie renouvelable.

L’accord de Paris de 2015 sur le changement climatique a incité de nombreux pays à développer ou à améliorer leurs politiques en matière d’énergies renouvelables. En 2017, 121 pays au total ont adapté leur politique en matière d’énergies renouvelables. Des objectifs nationaux ont été fixés cette année-là dans 176 pays. En outre, il existe également un large éventail de politiques aux niveaux des États, des provinces et des collectivités locales. Certains services publics aident à planifier ou à installer des améliorations énergétiques résidentielles. Sous le président Barack Obama, la politique des États-Unis a encouragé l’adoption des énergies renouvelables conformément aux engagements pris dans le cadre de l’accord de Paris. Même si Trump a abandonné ces objectifs, les investissements dans les énergies renouvelables sont toujours en hausse.

De nombreuses administrations nationales, étatiques et locales ont créé des banques vertes. Une banque verte est une institution financière quasi-publique qui utilise des capitaux publics pour mobiliser des investissements privés dans les technologies énergétiques propres. Les banques vertes utilisent divers outils financiers pour combler les lacunes du marché qui entravent le déploiement de l’énergie propre. L’armée américaine s’est également concentrée sur l’utilisation de carburants renouvelables pour les véhicules militaires. Contrairement aux combustibles fossiles, les combustibles renouvelables peuvent être produits dans n’importe quel pays, créant ainsi un avantage stratégique. L’armée américaine s’est déjà engagée à ce que 50 % de sa consommation d’énergie provienne de sources alternatives.

100% d’énergie renouvelable

L’incitation à utiliser 100 % d’énergie renouvelable, pour l’électricité, les transports ou même l’approvisionnement total en énergie primaire à l’échelle mondiale, a été motivée par le réchauffement climatique et d’autres préoccupations écologiques ainsi qu’économiques. Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat a déclaré qu’il y a peu de limites technologiques fondamentales à l’intégration d’un portefeuille de technologies d’énergie renouvelable pour répondre à la majeure partie de la demande énergétique mondiale totale. L’utilisation de l’énergie renouvelable a augmenté beaucoup plus rapidement que prévu. Au niveau national, au moins 30 pays dans le monde ont déjà des sources d’énergie renouvelables contribuant pour plus de 20 % à l’approvisionnement énergétique. Par ailleurs, les professeurs S. Pacala et Robert H. Socolow ont développé une série de  » coins de stabilisation  » qui peuvent nous permettre de maintenir notre qualité de vie tout en évitant les changements climatiques catastrophiques, et les  » énergies renouvelables « , dans leur ensemble, constituent le plus grand nombre de leurs  » coins « .

L’utilisation d’une énergie 100% renouvelable a été suggérée pour la première fois dans un article scientifique publié en 1975 par le physicien danois Bent Sørensen. Elle a été suivie de plusieurs autres propositions, jusqu’à la publication, en 1998, de la première analyse détaillée des scénarios à très forte proportion d’énergies renouvelables. Ils ont été suivis par les premiers scénarios détaillés à 100 %. En 2006, une thèse de doctorat a été publiée par Czisch dans laquelle il a été démontré que, dans un scénario 100% renouvelable, l’offre d’énergie pourrait répondre à la demande à chaque heure de l’année en Europe et en Afrique du Nord. La même année, le professeur danois Henrik Lund, spécialiste de l’énergie, a publié un premier article dans lequel il traite de la combinaison optimale des énergies renouvelables, qui a été suivi de plusieurs autres articles sur la transition vers l’énergie 100% renouvelable au Danemark. Depuis lors, Lund a publié plusieurs articles sur l’énergie 100% renouvelable. Après 2009, les publications ont commencé à augmenter fortement, couvrant 100% des scénarios pour les pays d’Europe, d’Amérique, d’Australie et d’autres parties du monde.

En 2011, Mark Z. Jacobson, professeur de génie civil et environnemental à l’Université de Stanford, et Mark Delucchi ont publié une étude sur l’approvisionnement énergétique mondial 100% renouvelable dans la revue Energy Policy. Ils ont constaté que la production de toute nouvelle énergie éolienne, solaire et hydroélectrique d’ici 2030 est réalisable et que les arrangements existants en matière d’approvisionnement énergétique pourraient être remplacés d’ici 2050. Les obstacles à la mise en œuvre du plan pour les énergies renouvelables sont considérés comme étant « essentiellement sociaux et politiques, et non technologiques ou économiques ». Ils ont également constaté que les coûts énergétiques d’un système éolien, solaire ou hydraulique devraient être semblables aux coûts énergétiques actuels.

De même, aux États-Unis, le National Research Council indépendant a noté qu' »il existe suffisamment de ressources renouvelables nationales pour permettre à l’électricité renouvelable de jouer un rôle important dans la production future d’électricité et ainsi aider à faire face aux problèmes liés aux changements climatiques, à la sécurité énergétique et à l’escalade des coûts énergétiques… L’énergie renouvelable est une option intéressante parce que les ressources renouvelables disponibles aux États-Unis, prises collectivement, peuvent fournir beaucoup plus d’électricité que la demande intérieure totale actuelle ou prévue »

Les obstacles les plus importants à la mise en œuvre à grande échelle de stratégies à grande échelle en matière d’énergie renouvelable et d’énergie à faible émission de carbone sont essentiellement politiques et non technologiques. Selon le rapport Post Carbon Pathways de 2013, qui passe en revue de nombreuses études internationales, les principaux obstacles sont : le déni du changement climatique, le lobby des combustibles fossiles, l’inaction politique, la consommation d’énergie non durable, les infrastructures énergétiques désuètes et les contraintes financières.

Technologies émergentes

D’autres technologies d’énergie renouvelable sont encore en cours de développement, notamment l’éthanol cellulosique, l’énergie géothermique de la roche sèche chaude et l’énergie marine. Ces technologies n’ont pas encore fait l’objet d’une démonstration à grande échelle ou d’une commercialisation limitée. Nombre d’entre elles sont à l’horizon et pourraient avoir un potentiel comparable à celui d’autres technologies d’énergie renouvelable, mais dépendent encore d’une attention suffisante et d’un financement de la recherche, du développement et de la démonstration (RD&D).

De nombreux organismes des secteurs universitaire, fédéral et commercial mènent des recherches de pointe à grande échelle dans le domaine de l’énergie renouvelable. Cette recherche couvre plusieurs domaines d’intérêt dans l’ensemble du spectre des énergies renouvelables. La majeure partie de la recherche vise à améliorer l’efficacité énergétique et à accroître le rendement énergétique global. Au cours des dernières années, de nombreux organismes de recherche financés par le gouvernement fédéral se sont concentrés sur l’énergie renouvelable. Deux des laboratoires les plus importants sont Sandia National Laboratories et le National Renewable Energy Laboratory (NREL), tous deux financés par le département de l’Énergie des États-Unis et soutenus par divers partenaires commerciaux. Sandia dispose d’un budget total de 2,4 milliards de dollars et le NREL d’un budget de 375 millions de dollars.

Les systèmes géothermiques améliorés sont un nouveau type de technologies d’énergie géothermique qui ne nécessitent pas de ressources hydrothermales convectives naturelles. La grande majorité de l’énergie géothermique à portée de forage se trouve dans la roche sèche et non poreuse. Les technologies EGS « valorisent » et/ou créent des ressources géothermiques dans cette « roche sèche chaude (HDR) » par stimulation hydraulique. Les technologies EGS et HDR, telles que la géothermie hydrothermale, devraient être des ressources de base qui produisent de l’électricité 24 heures sur 24, comme une centrale fossile. Distincts de l’hydrothermal, le HDR et l’EGS peuvent être réalisables partout dans le monde, selon les limites économiques de la profondeur de forage. Les bons emplacements se trouvent sur du granite profond recouvert d’une épaisse couche (3-5 km) de sédiments isolants qui ralentissent la perte de chaleur. Des systèmes HDR et EGS sont actuellement développés et testés en France, en Australie, au Japon, en Allemagne, aux Etats-Unis et en Suisse. Le plus grand projet EGS au monde est une centrale de démonstration de 25 mégawatts actuellement en développement dans le bassin Cooper, en Australie. Le bassin Cooper a le potentiel de produire de 5 000 à 10 000 MW.
Plusieurs raffineries qui peuvent traiter la biomasse et la transformer en éthanol sont construites par des entreprises comme Iogen, POET et Abengoa, tandis que d’autres, comme Verenium Corporation, Novozymes et Dyadic International, produisent des enzymes qui pourraient permettre une commercialisation future. Le passage des matières premières des cultures vivrières aux résidus de déchets et aux graminées indigènes offre d’importantes possibilités à toute une gamme d’acteurs, des agriculteurs aux entreprises de biotechnologie, des promoteurs de projets aux investisseurs.
L’énergie marine (aussi parfois appelée énergie océanique) désigne l’énergie transportée par les vagues, les marées, la salinité et les différences de température des océans. Le mouvement de l’eau dans les océans du monde crée une vaste réserve d’énergie cinétique, ou énergie en mouvement. Cette énergie peut être utilisée pour produire de l’électricité pour alimenter les habitations, les transports et les industries. Le terme énergie marine englobe à la fois l’énergie des vagues – l’énergie des vagues de surface et l’énergie marémotrice – obtenue à partir de l’énergie cinétique de grandes masses d’eau en mouvement. L’électrodialyse inverse (RED) est une technologie de production d’électricité par mélange d’eau douce de rivière et d’eau salée de mer dans des cellules de grande puissance conçues à cet effet ; à partir de 2016, elle est testée à petite échelle (50 kW). L’énergie éolienne offshore n’est pas une forme d’énergie marine, car l’énergie éolienne est dérivée du vent, même si les éoliennes sont placées sur l’eau. Les océans ont une énorme quantité d’énergie et sont proches de nombreuses populations, sinon les plus concentrées. L’énergie des océans a le potentiel de fournir une quantité substantielle de nouvelles énergies renouvelables dans le monde entier.
Les systèmes photovoltaïques à concentration (CPV) utilisent la lumière solaire concentrée sur les surfaces photovoltaïques pour la production d’électricité. Les appareils thermoélectriques, ou « thermovoltaïques », convertissent une différence de température entre des matériaux différents en un courant électrique.
Les panneaux solaires flottants sont des systèmes photovoltaïques qui flottent à la surface des réservoirs d’eau potable, des lacs de carrière, des canaux d’irrigation ou des bassins de décontamination et de résidus. Un petit nombre de ces systèmes existent en France, en Inde, au Japon, en Corée du Sud, au Royaume-Uni, à Singapour et aux États-Unis. On dit que les systèmes ont des avantages par rapport au photovoltaïque à terre. Le coût des terrains est plus élevé et il y a moins de règles et de règlements pour les structures construites sur des plans d’eau non utilisés à des fins récréatives. Contrairement à la plupart des centrales solaires terrestres, les panneaux solaires flottants peuvent être discrets parce qu’ils sont cachés à la vue du public. Ils atteignent des rendements plus élevés que les panneaux PV sur terre, car l’eau refroidit les panneaux. Les panneaux sont recouverts d’un revêtement spécial pour prévenir la rouille ou la corrosion. En mai 2008, la cave Far Niente d’Oakville, en Californie, a été la première au monde à installer 994 modules photovoltaïques solaires d’une capacité totale de 477 kW sur 130 pontons et à les faire flotter sur le bassin d’irrigation de la cave. Des parcs photovoltaïques flottants à l’échelle d’un service public commencent à être construits. Kyocera développera le plus grand parc au monde, un parc de 13,4 MW sur le réservoir situé en amont du barrage de Yamakura, dans la préfecture de Chiba, avec 50 000 panneaux solaires. Des fermes flottantes résistantes à l’eau salée sont également en construction pour l’utilisation en mer. Le plus grand projet photovoltaïque flottant annoncé jusqu’à présent est une centrale électrique de 350 MW dans la région amazonienne du Brésil.
Une pompe à chaleur est un dispositif qui fournit de l’énergie thermique à partir d’une source de chaleur vers une destination appelée « puits de chaleur ». Les thermopompes sont conçues pour déplacer l’énergie thermique à l’opposé de la direction du flux de chaleur spontané en absorbant la chaleur d’un espace froid et en la libérant dans un espace plus chaud. Une pompe à chaleur solaire représente l’intégration d’une pompe à chaleur et de panneaux solaires thermiques dans un seul système intégré. Généralement, ces deux technologies sont utilisées séparément (ou seulement en parallèle) pour produire de l’eau chaude. Dans ce système, le panneau solaire thermique remplit la fonction de source de chaleur basse température et la chaleur produite est utilisée pour alimenter l’évaporateur de la pompe à chaleur. Le but de ce système est d’obtenir un COP élevé et de produire de l’énergie d’une manière plus efficace et moins coûteuse.
Il est possible d’utiliser n’importe quel type de panneau solaire thermique (feuille et tubes, roll-bond, caloduc, plaques thermiques) ou hybride (mono/polycristallin, couche mince) en combinaison avec la pompe à chaleur. L’utilisation d’un panneau hybride est préférable car il permet de couvrir une partie de la demande d’électricité de la pompe à chaleur et de réduire la consommation électrique et donc les coûts variables du système.
La photosynthèse artificielle utilise des techniques telles que la nanotechnologie pour stocker l’énergie électromagnétique solaire dans des liaisons chimiques en séparant l’eau pour produire de l’hydrogène et en utilisant ensuite le dioxyde de carbone pour produire du méthanol. Les chercheurs dans ce domaine s’efforcent de concevoir des imitations moléculaires de la photosynthèse qui utilisent une plus grande région du spectre solaire, utilisent des systèmes catalytiques faits de matériaux abondants et peu coûteux qui sont robustes, facilement réparables, non toxiques, stables dans diverses conditions environnementales et qui fonctionnent plus efficacement en permettant à une plus grande proportion d’énergie photonique de se retrouver dans les composés de stockage, c’est-à-dire les glucides (plutôt que les cellules vivantes). Cependant, la recherche de pointe se heurte à des obstacles, Sun Catalytix, une entreprise dérivée du MIT, a cessé d’élargir son prototype de pile à combustible en 2012, parce qu’il offre peu d’économies par rapport aux autres moyens de produire de l’hydrogène à partir de la lumière solaire.
La production de combustibles liquides à partir de variétés d’algues riches en huile est un sujet de recherche en cours. Diverses microalgues cultivées dans des systèmes ouverts ou fermés sont à l’essai, y compris certains systèmes qui peuvent être mis en place dans des friches industrielles et des terres désertiques.
Un avion électrique est un avion qui fonctionne à l’aide de moteurs électriques plutôt que de moteurs à combustion interne, l’électricité provenant de piles à combustible, de cellules solaires, d’ultracondensateurs, de faisceaux de puissance ou de batteries.
À l’heure actuelle, les avions électriques pilotés par du personnel sont pour la plupart des démonstrateurs expérimentaux, bien que de nombreux petits véhicules aériens sans pilote soient alimentés par des batteries. Des modèles réduits d’avions électriques sont utilisés depuis les années 1970, avec un rapport en 1957. Les premiers vols à propulsion électrique ont eu lieu en 1973. Entre 2015 et 2016, un avion habité à énergie solaire, Solar Impulse 2, a effectué un tour du monde.
La tour d’ascension solaire est une centrale d’énergie renouvelable pour produire de l’électricité à partir de la chaleur solaire à basse température. Le soleil réchauffe l’air sous une très large structure collectrice couverte en forme de serre qui entoure la base centrale d’une très haute tour de cheminée. La convection qui en résulte provoque un courant d’air chaud ascendant dans la tour par l’effet cheminée. Ce flux d’air entraîne des éoliennes placées dans la cheminée vers le haut ou autour de la base de la cheminée pour produire de l’électricité. Les plans de mise à l’échelle des modèles de démonstration permettront une importante production d’électricité et le développement d’autres applications, comme l’extraction ou la distillation de l’eau, l’agriculture ou l’horticulture. Une version plus avancée d’une technologie au thème similaire est le moteur Vortex qui vise à remplacer les grandes cheminées physiques par un tourbillon d’air créé par une structure plus courte et moins coûteuse.
Pour les systèmes photovoltaïques ou thermiques, l’une des options consiste à les téléporter dans l’espace, en particulier en orbite géosynchrone. Pour être concurrentiel par rapport aux systèmes d’énergie solaire terrestres, la masse spécifique (kg/kW) multipliée par le coût de la masse du grenier plus le coût des pièces doit être de 2 400 $ ou moins. Par exemple, pour un coût de pièces plus une antenne rectanéenne de 1100 $/kW, le produit de $/kg et kg/kW doit être de 1300 $/kW ou moins. Ainsi, pour 6,5 kg/kW, le coût de transport ne peut dépasser 200 $/kg. Alors que cela exigera une réduction de 100 à 1, SpaceX vise une réduction de 10 à 1, Reaction Engines peut rendre une réduction de 100 à 1 possible.

Débat

La production d’électricité renouvelable, à partir de sources telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire, est parfois critiquée comme étant variable ou intermittente, mais elle ne l’est pas pour l’énergie solaire concentrée, la géothermie et les biocarburants, qui ont une continuité. Quoi qu’il en soit, l’Agence internationale de l’énergie a déclaré que le déploiement de technologies renouvelables augmente généralement la diversité des sources d’électricité et, grâce à la production locale, contribue à la souplesse du système et à sa résistance aux chocs centraux.

Il y a eu des préoccupations  » pas dans ma cour arrière  » (NIMBY) concernant les impacts visuels et autres de certains parcs éoliens, les résidents locaux se battant parfois ou bloquant la construction. Aux États-Unis, le projet du Massachusetts Cape Wind a été retardé pendant des années, en partie pour des raisons esthétiques. Cependant, les résidents d’autres régions ont été plus positifs. Selon un conseiller municipal, l’écrasante majorité de la population locale estime que le parc éolien d’Ardrossan, en Écosse, a amélioré la région.

Un document récent du gouvernement britannique indique que  » les projets ont généralement plus de chances de réussir s’ils bénéficient d’un large soutien du public et du consentement des communautés locales. Cela signifie qu’il faut donner aux communautés à la fois leur mot à dire et un rôle à jouer « . Dans des pays comme l’Allemagne et le Danemark, de nombreux projets d’énergie renouvelable sont la propriété des communautés, en particulier par le biais de structures coopératives, et contribuent de manière significative au niveau global de déploiement des énergies renouvelables.

Le marché des technologies des énergies renouvelables a continué de croître. Les préoccupations liées aux changements climatiques et l’augmentation des emplois verts, conjuguées à la hausse des prix du pétrole, au pic pétrolier, aux guerres pétrolières, aux déversements de pétrole, à la promotion des véhicules électriques et de l’électricité renouvelable, aux catastrophes nucléaires et au soutien croissant du gouvernement, sont à l’origine d’une législation, de mesures incitatives et de la commercialisation croissantes des énergies renouvelables. Les nouvelles dépenses, la réglementation et les nouvelles politiques gouvernementales ont aidé l’industrie à mieux résister à la crise économique de 2009 que bien d’autres secteurs.

Bien que les énergies renouvelables aient connu un grand succès dans leur contribution sans cesse croissante à l’énergie électrique, aucun pays dominé par les combustibles fossiles n’a de plan pour s’arrêter et obtenir cette énergie à partir de sources d’énergie renouvelables. Seules l’Écosse et l’Ontario ont cessé de brûler du charbon, en grande partie grâce à de bonnes réserves de gaz naturel. Dans le domaine des transports, les combustibles fossiles sont encore plus ancrés et les solutions plus difficiles à trouver. Il n’est pas clair s’il y a des échecs en matière de politique ou d’énergie renouvelable, mais vingt ans après le Protocole de Kyoto, les combustibles fossiles demeurent notre principale source d’énergie et la consommation continue d’augmenter.

Impact sur l’environnement

La capacité de la biomasse et des biocarburants à contribuer à la réduction des
émissions de CO2 est limitée parce que la biomasse et les biocarburants émettent de grandes quantités de pollution atmosphérique lorsqu’ils sont brûlés et, dans certains cas, concurrencent l’approvisionnement alimentaire. En outre, la biomasse et les biocarburants consomment de grandes quantités d’eau. D’autres sources renouvelables comme l’énergie éolienne, le photovoltaïque et l’hydroélectricité ont l’avantage de pouvoir conserver l’eau, de réduire la pollution et de diminuer les
émissions de CO2
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