Le débat national sur la transition énergétique qui s’engage en ce début d’année est l’occasion d’agrandir son champ de vision sur les potentialités des énergies durables. Le futur offre un panel de ressources et de techniques d’énergies encore méconnues et néanmoins prometteuses.
SEAREV (Système Électrique Autonome de Récupération de l’Énergie des Vagues)
Qui dit énergies durables dit le plus souvent éoliennes, photovoltaïque, hydraulique ou biomasse. Mais le panier de ces énergies est plus grand qu’on ne croit et plein de surprise. L’avenir énergétique de la planète est en effet bien plus riche qu’il n’y paraît.
Voici dix solutions encore peu exploitées, qui d’ici 10, 20 ou 50 ans viendront compléter notre mix énergétique. A condition que les recherches aboutissent, que les moyens financiers suivent et que l’éthique écologique soit associée au développement de certaines d’entre elles.
1. L’huile d’algue
D’aucuns l’affirment : la révolution de l’énergie se trouve dans les plantes. L’une d’elles est particulièrement intéressante, c’est l’huile d’algue. A l’instar des espèces oléagineuses, les algues ont la propriété de contenir jusqu’à 60% de leur masse en lipides. La force des algues : leur quantité. La productivité des végétaux marins est donc une carte maîtresse pour répondre à la menace que font peser les agrocarburants sur la biodiversité. Les algues sont capables de fournir de l’énergie sous 3 formes : biocarburant, biogaz et hydrogène. Leur exploitation est simple à mettre en œuvre. Il suffit, après collecte, de les concentrer et de les presser dans une centrifugeuse pour en extraire l’huile. Produire du carburant vert à partir d’algues microscopiques, tel est l’objectif du projet Shamash coordonné par l’INRIA (Institut national de recherche en informatique et automatique).
Sept équipes de recherche et un partenaire industriel travaillent sur le projet, dont Jean-Paul Cadoret, chef du laboratoire de physiologie et biotechnologie des algues de l’Ifremer. Pour ce dernier, ces microalgues qui, par photosynthèse, transforment l’énergie solaire en énergie chimique, offrent de gros avantages :
« Elles n’entrent pas en conflit avec l’approvisionnement alimentaire comme c’est le cas pour le blé, le maïs ou le colza. Elles se cultivent facilement en bassin ou dans les bioréacteurs avec de l’eau de mer. Cela évite de puiser dans les réserves d’eau douce. Elles prolifèrent rapidement et peuvent fournir une récolte en continu. Leur rendement de production d’huile à l’hectare est bien supérieur à celui de toutes les autres plantes. Ce sont des machines à avaler le CO2. Elles le captent pour restituer de l’oxygène ». Vingt fois plus abondantes que les plantes terrestres, les microalgues peuvent fournir 25 000 litres d’huile par hectare, quand le colza n’en produit que 1 500 litres, le tournesol, 950, et le soja, 446.
La consommation annuelle mondiale de carburant pourrait être assurée si les bassins d’algues étaient déployés sur 400 000 hectares (4000 km2), soit un tiers de l’Ile de France. Elles sont aujourd’hui présentées comme une alternative énergétique au pétrole, pouvant produire l’équivalent d’un quart des carburants fossiles. À l’heure actuelle, le litre de carburant d’algue coûte plus cher que le pétrole. Mais plusieurs éléments permettent d’espérer, à terme, une bien meilleure rentabilité.
2. Le pétrole à base d’air
Transformer l’air en pétrole , telle est la prouesse technologique réalisée par une société britannique qui a mis au point un procédé chimique complexe permettant d’obtenir un pétrole de synthèse à base d’air et d’électricité. Concrètement, « nous avons pris le dioxyde de carbone présent dans l’air et l’hydrogène présent dans l’eau, et nous les avons transformés en carburant, » explique Peter Harris, l’ingénieur responsable de l’innovation. Pour ce dernier, le carburant obtenu est beaucoup plus propre que celui obtenu à partir de pétrole fossile. De plus, il est compatible avec les moteurs existants, comme ceux des avions ou des navires. D’ici 15 ans, ce procédé encore récent et coûteux pourrait connaître un développement commercial.
3. L’énergie osmotique
L’énergie osmotique repose sur un phénomène physique : l’osmose. Le principe de l’osmose veut que, quand on met en présence deux liquides de concentrations en sel différentes, le liquide le moins salé va avoir tendance à se fondre dans le liquide le plus salé. La différence de salinité va donc créer un flux de l’eau douce vers l’eau salée. En faisant passer le flux du liquide concentré vers un liquide moins concentré à travers une membrane semi-perméable, cela provoque une surpression hydrostatique. Le volume d’eau contenu dans la membrane devient plus important. Cela accentue la pression sur les parois du contenant. Et cette pression peut être récupérée pour actionner une turbine qui va générer de l’électricité. Il existe un endroit où l’on trouve en permanence une ressource gratuite d’eau salée et d’eau douce : l’estuaire des fleuves. La question centrale de cette technologie, c’est la fabrication de membranes de grande taille, alliant des qualités de robustesse et de porosité. En dehors de ce problème technique, l’énergie osmotique représente une énergie renouvelable et permanente, ce qui est un avantage essentiel comparé au solaire ou à l’éolien. Les coûts d’exploitation seraient d’ailleurs minimes. Cette forme d’énergie offre de belles perspectives.
Une production de 4W/m2 est nécessaire pour viabiliser la construction de centrales électriques. Actuellement, les Norvégiens atteignent 1,5 W/m2, mais planifient les premières applications industrielles d’ici à 2015, avec en moyenne 8000h/an de fonctionnement, soit deux fois plus qu’une éolienne. Le potentiel technique mondial de l’énergie osmotique est estimé à 1600 TWh. En Europe, il est de l’ordre de 200 TW.
C’est la société norvégienne Statkraft, connue pour ses fermes éoliennes, qui a lancé la construction de la première centrale osmotique. 2.000 m2 de surface de membrane pourront générer environ 10 KW. Les ingénieurs de l’entreprise Statkraft, à l’origine du projet, travaillent actuellement sur une usine d’un à deux MW, ce qui nécessiterait une membrane de 200 000 m2. Si le procédé répond aux espérances des chercheurs, cette usine pourrait assurer 10% de la consommation énergétique norvégienne. Une autre centrale a été crée au Japon, et une troisième est en cours de construction aux Etats-Unis. Au plan mondial, le potentiel de l’énergie osmotique est estimé à 1 600 TWh par an, soit l’équivalent d’environ la moitié de la production électrique européenne en 2009. »
4. Le thorium ou l’atome vert
Le thorium est un métal, qui se trouve naturellement dans des minerais divers, dont la monazite, la bastnaésite et l’uranothorianite. Bien qu’il ne soit pas fissible lui-même, le thorium-232 est un isotope fertile comme l’uranium-238. Bombardé par les neutrons, il se transforme en uranium 233, matière fissile. Le thorium constitue une importante réserve d’énergie nucléaire, en raison de son abondance dans la croute terrestre ; il pourrait ainsi fournir trois à quatre fois plus d’énergie que l’uranium-238. Son utilisation nécessite la mise au point d’une nouvelle filière de réacteurs nucléaires surgénérateurs.
Les chercheurs qui défendent ce minerai aux qualités particulières estiment qu’il représente la possibilité d’un nucléaire propre. Bien plus abondant dans la nature que l’uranium, il est difficilement utilisable pour fabriquer des bombes atomiques. Il est aussi économe en déchets, la plupart d’entre eux pouvant être remis dans le circuit du réacteur.
Depuis plusieurs années déjà, des chercheurs du CNRS planchent théoriquement sur un réacteur sûr, très stable et facilement pilotable. Avec ce surgénérateur rapide à sels fondus (MSFR), qui utiliserait le thorium comme combustible liquide, 100% de la ressource utilisée comme combustible est consommée, Pour l’heure, il n’existe pas encore de prototype concret du MSFR en France.
Cette solution se heurte à la réticence des industriels de la filière nucléaire. Mais les Chinois, eux, investissent massivement dans cette technologie nouvelle. Les Indiens qui disposent du quart des réserves mondiales de thorium l’utilisent déjà depuis quelques années, dans des réacteurs de troisième génération.
Le thorium se désintègre plus lentement que la plupart des autres matières radioactives mais sa radioactivité est de 14 milliards d’années. Les applications industrielles du thorium sont développées dans les alliages de magnésium utilisés pour les moteurs d’aéronefs.
5. L’énergie thermique des mers
L’idée de l’énergie thermique des océans est toute simple : tabler sur la différence de température entre les eaux chaudes de surface (+ 25° C dans les régions tropicales) et les eaux profondes (+5°C à 1000 mètres) pour produire de l’électricité et/ou de l’eau douce. Les océans représentent un gigantesque capteur d’énergie solaire contenue sous forme de chaleur dans la couche d’eau de surface. Ils reçoivent chaque année une quantité d’énergie équivalente à plus de mille fois la demande mondiale en énergie primaire. Un potentiel estimé à cent fois celui de la marée et cinq à dix fois celui du vent. L’exploitation de l’énergie thermique des mers (ETM) redevient d’actualité dans le contexte de la recherche d’énergies nouvelles, non polluantes, susceptibles de suppléer l’usage des combustibles fossiles qui renchérissent (pétrole, charbon, gaz,…). Bien que cela soit difficile, il est possible d’utiliser cet écart entre l’eau chaude et l’eau froide en installant des méga-pompes à chaleur capables de récupérer par « évapotranspiration » la vapeur qui va alimenter une turbine.
Les atouts d’une centrale reposant sur l’énergie thermique des océans sont non négligeables : énergie stable, peu de frais de fonctionnement, gratuité de l’eau de mer, exploitable gratuitement 24h sur 24 tous les jours de l’année, pas de confinement ou de stockage de l’eau.
6. Les bactéries carburants
Tout le monde connaît aujourd’hui les défauts des biocarburants : leur impact environnemental. Produits à partir de canne à sucre, de betterave ou de maïs, ils nécessitent l’utilisation d’importantes surfaces de terres arables et sont très forts consommateurs d’eau. En outre, ils nuisent à la biodiversité. Une entreprise Joule unlimited affirme avoir réussi à surmonter cette contrainte majeure en produisant un bio carburant inépuisable et abordable. Le e-éthanol qu’elle a mis au point est en effet issu de bactéries génétiquement modifiées.
Explication : les bactéries sont entreposées dans des tubes de trois centimètres de diamètre qui servent de réacteur, remplis d’eau non potable et de CO2 issu d’activités industrielles ; exposées au soleil, elles exploitent la photosynthèse pour produire de l’éthanol ou du gazole. Les rendements sont bien supérieurs aux biocarburants existants : 75 000 l/ha/an pour le e-éthanol, à comparer aux 7 000 l/ha/an de bioéthanol produit à partir de la betterave. Mais cela nécessiterait des installations énormes et l’efficacité de bactéries qui transforment le soleil en énergie, n’est pas aussi grande que celle des panneaux photovoltaïques.
7. Les bouées de récupération de l’énergie des vagues
L’énergie des vagues est liée au déplacement de la surface de la mer sous l’action de la houle. Le principe est simple. Lorsque les vagues arrivent sur un obstacle flottant ou côtier, elles cèdent une partie de leur énergie qui peut être convertie en courant électrique. L’intérêt de l’houlomotricité : les vagues se déploient de façon très économe. L’inconvénient : l’énergie perd en puissance lors de son acheminement vers les cotes. Pour que le dispositif soit rentable, il vaut mieux que les capteurs soient posés près du littoral, afin de récupérer le maximum d’énergie créée, soit 20 kW par mètre de côte. Selon la Commission Européenne, l’houlomotricité occuperait en 2020 la quatrième place des énergies renouvelables utilisées pour produire de l’électricité, derrière l’éolien on-shore et off-shore et l’hydraulique. Il existe aujourd’hui différentes technologies pour récupérer l’énergie des vagues : les bouées sous-marines en mouvement, les colonnes oscillantes, les débordements de chenal, les plates-formes à déferlement. Une cinquantaine de projets sont en cours dans le monde.
Parmi eux, le « Searev » ; il s’agit d’une sorte de ferme sur mer, conçue par Alain Clément, chercheur au Laboratoire de mécanique des fluides (LMF) : constituée d’une bouée, elle génère du courant électrique pour récupérer l’énergie de la houle. A l’intérieur de ce « système électrique autonome de récupération de l’énergie des vagues », un pendule de 400 tonnes, en oscillant sur les vagues, actionne tout un système de pistons et de pompes à huile. Le mécanisme fait tourner un arbre métallique entraînant vers un alternateur. Le tout est relié au continent par câble. L’objectif est de générer une puissance maximale comprise entre 500 et 700 kilowatts par bouée. De quoi alimenter jusqu’à 200 foyers en moyenne par an.
8. Les éoliennes entonnoirs
Même s’il fait partie des énergies renouvelables d’avenir, l’éolien, on le sait, présente bien des inconvénients : stockage, caprice du vent, raccordement au réseau… une petite entreprise américaine, Sheerwind, pense avoir trouvé la solution à ces difficultés : des éoliennes en forme d’entonnoir pour augmenter la vitesse du vent. D’où son nom Invelox (Increasing the velocity of the wind. Le principe est simple : l’air est aspiré dans un conduit où sa vitesse est multipliée par dix, avant de passer dans une turbine ou un générateur. Le rendement énergétique serait ainsi trois fois plus important qu’avec une éolienne classique, d’un coût 40% inférieur et d’une taille plus petite.
9. Les aérogénérateurs volants
De nombreux scientifiques ont les yeux rivés sur le « jet stream ». Pas le Gulf stream qui traverse l’océan. Non… le jet stream, juste à quelques 10 000 mètres au dessus de nos têtes, une source d’énergie qui souffle jour et nuit, 365 jours par an. A cette altitude, la force de ces vents représente une énergie pouvant produire cent fois plus d’énergie qu’une éolienne sur terre, capable de produire un kilowatt/heure pour deux centimes d’euros, soit la moitié du coût usuel d’énergie. Leur souffle est régulier et non capricieux comme sur terre. Ces puissants courants aériens qui ceinturent la planète sous la forme de deux anneaux atteignent parfois des vitesses surprenantes comprises entre 300 et 400 km par heure. Cette puissance résulte du contraste thermique existant à cette altitude entre la troposphère et la stratosphère. De l’air froid et de l’air chaud se rencontrent à des altitudes de 5 000 à 10 000 m, où les différences de température et de pression atmosphérique sont cependant beaucoup plus prononcées que dans les couches inférieures de l’atmosphère. Cette énergie des vents d’altitude suscite nombre de projets d’aérogénérateurs aussi originaux les uns que les autres.
Une nouvelle génération d’ingénieurs soucieux de l’environnement juge la technique des éoliennes déjà dépassée. Au lieu de gâcher les paysages en alignant des éoliennes terrestres, pourquoi ne pas installer des aérogénérateurs volants ? C’est fait avec le Sky WindPower. Plusieurs projets très imaginatifs de cerfs-volants, de ballons spatiaux ou de « kites » installés dans l’espace à dix mille mètres au dessus de nos têtes permettent de capter, au dessus des nuages, des vents puissants réguliers et non capricieux comme sur terre. Exemple : le prototype développé par Dave Sheppard, responsable d’une société établie à San Diego, Californie. Le prototype de Sky WindPower possède quatre rotors qui lui permettent de rester en suspension dans l’air et de faire tourner des dynamos générant de l’électricité. Dans son version commerciale, il serait relié à la terre par un long câble en aluminium conduisant l’énergie.
Un autre projet du même genre est mis au point par une entreprise italienne dans le cadre d’un partenariat européen. Le Manège KiWiGen, c’est son nom, est une sorte de manège de plusieurs centaines de mètres de diamètre, composé d’ un rotor et de bras pivotants sur lesquels sont tirés des câbles très résistants reliés à des cerfs-volants de quelques dizaines de mètres carrés, réalisées en polyéthylène alvéolaire. Disposés en batteries, ils peuvent atteindre 700 mètres de haut. Mis au point par une entreprise italienne et soutenu par des experts et des chercheurs européens, ce manège baptisé KiWiGen, (Kite Wind generator) produit des dizaines de mégawatts, via une turbine. Chaque cerf-volant est équipé de deux capteurs intelligents à même de détecter les accélérations du vent. Un programme électronique de contrôle calcule les variations d’orientation nécessaires pour lui faire suivre, toujours avec une portance maximale, un parcours circulaire. Les cerf-volants utilisés auront une envergure de quelques dizaines de mètres carrés.
10. Les films solaires de 3ème génération
Les cellules solaires organiques font actuellement l’objet d’une attention particulière. Très simples, elles sont compatibles avec des films et des textiles. Leur mise en forme, par exemple à partir d’encres ou de peintures, offre l’avantage de couvrir de grandes superficies. Cette flexibilité permet d’ouvrir à de nombreuses applications : emballages, vêtements, écrans, recharge de téléphones cellulaires ou d’ordinateurs portables.
Des chercheurs du CNRS et de l’Université d’Angers ont développé une approche avec des cellules solaires à base de molécules organiques et ont obtenu des rendements très élevés. Contrairement au silicium cristallin dont la production nécessite de très hautes températures, leur fabrication implique un faible coût énergétique et un faible impact environnemental.
A plus long terme, on peut imaginer une contribution décisive de leur potentiel à la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire. Les tests montrent que les taux d’efficacité des molécules solaires organiques développées et synthétisés en laboratoire sont de 15% à 25% plus élevés que les cellules en silicium cristallin et les films solaires en couches minces, soulignent les ingénieurs de la société allemande Heliatek, la seule entreprise solaire au monde qui utilise le dépôt de molécules organiques à basse température. Ces dernières sont composées de fines couches nanométriques ultra-pures et d’une grande homogénéité. Cela permet de concevoir une architecture capable d’améliorer systématiquement l’efficacité et la durée de vie des cellules.