Cet article de blog explique de manière facile à comprendre les principes et le potentiel de diverses sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire, éolienne et géothermique.
Avec la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes observés récemment dans le monde, l'intérêt pour les questions environnementales est plus fort que jamais. Le charbon, en particulier, qui présente un excellent rendement thermique mais pollue l'environnement en raison de ses fortes émissions de dioxyde de carbone, est depuis longtemps en voie d'élimination progressive. Par conséquent, la recherche et le développement dans le domaine des énergies renouvelables, nettement moins polluantes que les ressources conventionnelles, sont activement engagés. En Corée, diverses institutions, telles que Korea Hydro & Nuclear Power et l'Association coréenne de l'industrie photovoltaïque, accélèrent le développement des technologies liées aux énergies renouvelables. Au-delà des énergies solaire et éolienne, explorons les autres ressources relevant des énergies renouvelables, leurs caractéristiques respectives et leur potentiel futur.
Si l'énergie renouvelable évoque souvent uniquement le solaire thermique, son champ d'application est bien plus vaste qu'on ne le pense. Premièrement, le solaire thermique exploite directement la chaleur produite par le soleil. Il s'agit d'utiliser cette chaleur pour le chauffage, la production d'eau chaude, la cuisson, etc., sans conversion électrique distincte. Par exemple, il peut exploiter directement la lumière du soleil à travers les fenêtres d'une maison pour l'éclairage naturel ou pour chauffer l'eau. Dans les pays dotés de vastes territoires comme les États-Unis, on utilise également des méthodes qui concentrent la chaleur solaire sur de vastes zones pour produire de l'électricité dans des tours. Le facteur le plus important à prendre en compte pour le solaire thermique est le « rayonnement solaire ». Ce rayonnement est influencé par la latitude, le climat et les heures d'ensoleillement d'une région. En ajustant l'inclinaison des capteurs solaires ou des modules photovoltaïques, on peut capter un maximum d'énergie solaire. En général, il est efficace d'adapter l'inclinaison à la latitude de la région au printemps et en automne, de la réduire en été et de l'augmenter encore en hiver.
L'utilisation de l'énergie solaire a une très longue histoire. Un exemple bien connu est l'histoire d'Archimède dans la Grèce antique, en 212 av. J.-C., qui utilisa des miroirs pour concentrer la lumière du soleil et incendier les navires romains. Plus tard, à la fin du XVIIIe siècle, le scientifique français Lavoisier utilisa l'énergie solaire pour générer des températures supérieures à 1700 °C, ce qui en fit progresser considérablement le potentiel d'application pratique. La conception résidentielle moderne optimise également l'éclairage naturel en tenant compte de l'orientation des bâtiments, de l'emplacement des fenêtres et du type de vitrage. L'utilisation efficace de l'énergie est rendue possible grâce à l'utilisation d'unités de stockage thermique, de ballons d'eau chaude et de serres attenantes.
L'énergie solaire photovoltaïque convertit l'énergie lumineuse générée par la transformation de l'hydrogène en hélium au sein du soleil en énergie électrique utilisable. Ce processus repose principalement sur l'utilisation de cellules solaires, appelées collectivement énergie photovoltaïque (PV). Il existe plusieurs types de cellules solaires, les cellules à base de silicium étant les plus répandues. Le silicium est abondant dans la croûte terrestre, ce qui le rend facilement disponible, bien qu'il nécessite une pureté de 99.9999 % ou plus. Le silicium monocristallin de haute pureté est produit par le procédé Chokralski. Ce procédé consiste à faire fondre du silicium polycristallin, à éliminer les impuretés, puis à étirer lentement un germe cristallin de silicium pour le faire croître jusqu'à obtenir une forme monocristalline.
Les cellules solaires monocristallines offrent un rendement élevé, mais leurs coûts de fabrication sont élevés. En revanche, les cellules en silicium polycristallin ont un rendement légèrement inférieur, mais bénéficient de pertes de coupe réduites et d'avantages économiques plus importants. De plus, il existe des cellules solaires à base d'arséniure de gallium et de phosphure d'indium qui offrent un rendement élevé et une résistance aux températures élevées et aux rayonnements. Avec la technologie actuelle, il est difficile pour les cellules solaires monocristallines de dépasser 25 % de rendement en raison de divers facteurs de pertes (réflexion de surface, résistance série, excès d'énergie photonique, etc.).
Les cellules solaires sont composées d'unités de base appelées « cellules ». Un « module » est constitué de 36 cellules connectées en série. La connexion de plusieurs modules en série pour augmenter la tension forme une « chaîne ». Un « réseau » est un ensemble de plusieurs chaînes. Lors de l'installation d'un système d'énergie solaire, plusieurs facteurs doivent être pris en compte, notamment la réduction de la production d'électricité due à l'ombrage, aux chutes de neige hivernales, aux problèmes de dissipation thermique et à la durée de vie des batteries. Si la production d'énergie solaire est très avantageuse pour l'environnement car elle n'émet pas de polluants, il est important de noter que le chauffage à haute température nécessite parfois une consommation d'énergie.
L'énergie éolienne exploite la force du vent, ayant évolué depuis des technologies anciennes comme les moulins à vent hollandais jusqu'aux éoliennes modernes. La production d'énergie éolienne est particulièrement sensible au lieu et au moment, car sa production varie considérablement, ce qui rend les conditions du site cruciales. Les éoliennes sont classées selon l'orientation de leurs pales par rapport à la direction du vent : « au vent » (pales avant) et « sous le vent » (pales arrière). Les éoliennes au vent ont des difficultés à s'orienter d'elles-mêmes et nécessitent des mécanismes d'entraînement ou des pales de queue. À l'inverse, les éoliennes sous le vent peuvent s'orienter naturellement, mais leur instabilité dans les courants d'air constitue un inconvénient.
Les méthodes de fonctionnement des éoliennes se classent généralement en deux catégories : le maintien d'un rapport de vitesse de pointe constant pour améliorer le rendement, et l'ajustement de la vitesse de rotation des pales pour produire de l'électricité à fréquence fixe. Les éoliennes génèrent intrinsèquement un certain niveau de bruit dû à leurs composants d'entraînement rotatifs, mais la recherche technologique, notamment sur les conceptions sans engrenage, continue de s'attaquer à ce problème.
L'énergie géothermique exploite la chaleur interne de la Terre, en exploitant celle générée par la désintégration d'isotopes radioactifs ou le dégagement de chaleur du manteau terrestre. Le gradient géothermique moyen est d'environ 25 à 30 degrés Celsius par kilomètre, mais dans les régions où la géothermie est activement exploitée, comme Pohang en Corée du Sud, il peut atteindre 100 degrés Celsius par kilomètre. L'énergie géothermique est largement insensible aux variations météorologiques et saisonnières, offrant ainsi l'avantage considérable d'un approvisionnement énergétique stable 24 heures sur 24. La méthode la plus courante consiste à injecter de l'eau froide dans le sol par des forages et à extraire l'eau chaude pour le chauffage. Outre les systèmes géothermiques à haute température et les méthodes utilisant la température naturelle du sol, des recherches sont en cours sur les systèmes géothermiques améliorés (EGS), une méthode d'exploitation de la géothermie profonde. Cependant, cette technologie demeure coûteuse. Par ailleurs, une méthode largement répandue consiste à installer des canalisations souterraines dans les bâtiments afin d'utiliser l'énergie géothermique pour le refroidissement en été et le chauffage en hiver.
Lorsqu'on utilise l'énergie géothermique pour produire de l'électricité, les systèmes sont classés selon le fluide caloporteur utilisé, comme la vapeur sèche, le simple flash, le double flash ou le double cycle. Ces systèmes suscitent un intérêt croissant pour leur capacité à fournir un approvisionnement énergétique stable sans dépendre des combustibles fossiles classiques.
La bioénergie est une énergie issue de matières organiques ou de sous-produits d'origine végétale et animale. Le biodiesel, le biométhane et le bioéthanol en sont des exemples. Elle comprend également la valorisation énergétique des gaz produits par les décharges. Les biocarburants sont produits par conversion thermochimique (mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène pour créer d'autres hydrocarbures) ou par fermentation (utilisation de levures pour convertir les sucres en éthanol). Cette bioénergie s'impose de plus en plus comme une alternative pratique aux carburants de transport.
Jeremy Rifkin, président de l'Institut américain des tendances économiques, a prédit lors de son discours d'ouverture au Forum de l'énergie de 2014 que « avec les progrès des technologies d'énergies renouvelables, le coût marginal de production d'électricité tendra vers zéro dans les prochaines décennies ». Dans son ouvrage « La société à coût marginal zéro », il prédit que le développement de l'Internet des objets (IdO) connectera les communications, les transports et l'énergie en un réseau unique, donnant naissance à une nouvelle structure économique où les coûts de production de l'énergie et des biens deviendront extrêmement bas. Le coût de production d'énergie renouvelable, qui atteignait 68 dollars par watt dans les années 1970, est aujourd'hui tombé à 60 cents. Il semble qu'une « ère du partage de l'énergie » se profile, où chacun pourra produire directement de l'énergie et partager son surplus d'électricité avec les autres.
Le développement technologique visant à pallier l'instabilité des énergies renouvelables est également en cours. Par exemple, le système de stockage d'énergie (ESS) de LG Chem est appliqué à la solution micro-réseau de LG CNS, un système de centrales électriques à énergie renouvelable. Ce système permet de stocker et de fournir l'électricité produite par l'énergie solaire pendant les périodes de pointe. Ce modèle transforme la structure énergétique traditionnelle « production-consommation » en un modèle « production-stockage-consommation », compensant ainsi les fluctuations de production inhérentes aux énergies renouvelables. En particulier, la part des énergies renouvelables dépassant 10 % de la production totale d'électricité, l'instabilité du réseau pourrait devenir problématique ; l'ESS est reconnu comme une technologie clé pour relever ce défi.
Pour préparer notre avenir, nous devons comprendre en profondeur des ressources telles que le solaire thermique, le solaire photovoltaïque, l'éolien, la géothermie et la bioénergie, des énergies peu polluantes et à fort potentiel de rendement thermique. Les énergies renouvelables deviendront un élément clé, transformant non seulement les énergies alternatives, mais aussi l'ensemble de la structure sociale et du système économique futurs. Notre compréhension et notre préparation à cette technologie dès aujourd'hui détermineront l'avènement d'un avenir plus propre et plus durable.
