Voici une comparaison du solaire, de l’éolien, du nucléaire et de la biomasse bois pour la production de l’électricité, basée sur la comparaison des consommations par unité d’électricité produite.
La consommation des énergies de flux, solaire et éolien, est faite de la dépense d’énergie pour la fabrication des installations, leur énergie grise. Elles produisent ensuite de l’électricité en utilisant seulement des flux naturels gratuits.
- Une installation photovoltaïque met environ 3 ans à produire une énergie équivalente à celle qu’elle a consommé pour sa fabrication (1), sur une durée de vie de 30 ans (2), elle aura donc produit 30/3 = 10 fois plus d’énergie qu’elle n’a consommé au total.
Le rendement, qui est le rapport de l’énergie produite par l’énergie consommée, est donc de 10 pour 1, soit 1000 %. Il est en général inférieur à 1, puisque la plupart des transformations se font avec des pertes. Il est ici supérieur à 1 car une installation photovoltaïque utilise le soleil pour démultiplier l’énergie investie, et la démultiplie d’autant plus qu’elle ajoute la plus-value de faire de l’électricité. Il serait donc bien plus juste de juger les panneaux solaires sur ce rendement là, d’autant que… c’est la définition du rendement !
Le rendement traditionnellement utilisé pour les panneaux photovoltaïques est le rapport de l’énergie solaire transformée en électricité sur l’énergie solaire reçue : c’est avant tout un indicateur qui permet de savoir quelle va être la productivité de l’installation. Le soleil n’est pas consommé mais utilisé, et de plus il est gratuit : il est dommage de se référer à l’efficacité de cette transformation.
Un rendement supérieur à 1 grâce à l’aide des éléments naturels est classiquement utilisé pour les pompes à chaleur.
- Une éolienne a un temps de retour énergétique entre 6 mois et 1 an, et une durée de vie de 20 ans, souvent plus en pratique.
Sur son cycle de vie elle produit donc 20 fois ce qu’elle a consommé pour sa fabrication (3), ce qui correspond à un rendement de 2000 %.
Bien sûr toujours en ajoutant la plus-value de produire de l’électricité.
- La centrale thermique est le procédé utilisé pour convertir en électricité le bois énergie, et c’est le procédé classique pour le nucléaire, les énergies fossiles, et il peut même fonctionner avec du soleil, c’était le cas de la centrale Thémis.
Le rendement communément accepté pour une centrale thermique est de 33 %
33 % de rendement, cela veut dire qu’une centrale thermique restitue 3 fois moins que ce qu’elle consomme, ou consomme 3 fois plus qu’elle produit (4)
Le principe est de chauffer un fluide pour en faire de la vapeur sous pression, qui fait tourner une turbine, qui entraîne une génératrice qui fait de l’électricité. Ce fluide est refroidi de l’autre côté pour retourner à l’état liquide pour être réchauffé à nouveau… c’est un processus qui génère des pertes, et la loi de Carnot a énoncé dès 1824 qu’on ne pouvait pas espérer de rendements voisins de 1.
- Au global, si on parle de consommation d’énergie pour produire la même quantité d’électricité :
– une installation photovoltaïque consomme 10 fois moins qu’elle ne produit ,
– une éolienne consomme 20 fois moins qu’elle ne produit,
– une centrale thermique consomme 3 fois plus qu’elle ne produit.
Une centrale thermique consomme donc 30 fois plus qu’un panneau solaire et 60 fois plus qu’une éolienne.
Imaginez que ce sont vos voitures, dans votre garage (imaginez…) la première consommerait 1 litre au 100, la deuxième 2 litres au 100, et la troisième 60 litres au 100.
Vous avez des chances de n’utiliser la troisième que quand les deux autres sont en panne… en même temps !
- Et la vie d’un combustible commence avant la centrale :
L’uranium doit être extrait puis enrichi avant d’arriver à la centrale, ce qui représente 10 % d’énergie supplémentaire (5)
Le bois doit être récolté, ce qui représente environ 2,7 % de l’énergie du bois (6) puis déshydraté, en séchant « mécaniquement » dans un premier temps jusqu’à une humidité de 20 % environ, le reste est éliminé lors de la combustion en prélevant une part de l’énergie du bois. Et cela représente environ 15 % de l’énergie du bois (7) et le total des deux représente environ 17 %.
au final, faire de l’électricité avec du bois a un rendement d’environ 27 %, il faut presque 4 fois plus d’énergie que l’on n’en récupère sous forme d’électricité. (8)
- Et les centrales thermiques ont une énergie grise, comme les panneaux photovoltaïques et les éoliennes.
Pour la part énergie grise des centrales thermiques, je n’ai pas de sources, sinon quelques éléments d’un débat qui est basé sur le fait que les centrales thermiques demanderaient moins de ressources pour leur fabrication que les renouvelables et j’en déduis qu’elles demanderaient aussi moins d’énergie grise.
Aussi, ce débat prédit que la conversion de l’électricité au solaire et à l’éolien va consommer beaucoup de ressources, ce qui est vrai.
Par contre, prétendre que les centrales thermiques consomment moins de ressources parce qu’elles en demanderaient moins pour leur fabrication, c’est oublier qu’elles consomment du combustible qui est aussi une ressource.
Comparer des combustibles et des matériaux tels que inox, cuivre, aluminium d’une façon juste n’est pas possible, ce comparatif le fait sur le plan de l’énergie grise, ce qui a son sens vu que produire de l’énergie est la vocation de ces appareils. Et ce comparatif permet de prendre la mesure que les ressources de la fabrication des centrales thermiques sont minimes par rapport à la consommation de combustible.
L’autre critère important, c’est que les combustibles ne sont pas recyclables, excepté pour l’uranium dont le recyclage est très marginal et qui n’est pas vraiment du recyclage mais plutôt une réutilisation unique et partielle.
Ainsi, la consommation globale de ressources est à l’évidence bien plus importante pour l’électricité thermique que pour le solaire et l’éolien.
De plus, que les centrales thermiques demandent moins de ressources ne me paraît pas si flagrant : dans leur procédé, il a une turbine qui entraîne une génératrice, exactement comme dans une éolienne. En quelque sorte, une centrale thermique est une éolienne qui fonctionne avec un vent artificiel !
Bien sûr l’immense avantage est d’avoir du vent quand on veut, par contre il faut fabriquer, et alimenter, la machine à vent. C’est donc beaucoup plus complexe à réaliser, et s’il y a du cuivre dans une génératrice d’éolienne il y en a aussi dans une génératrice de centrale thermique.
Je conçois que les économies d’échelle permettent aux grosses centrales thermiques de prendre l’avantage, par contre pour les petites centrales thermiques urbaines cet avantage n’est pas du tout évident.
- détail des calculs et sources :
(1) Quelques sources parlant du besoin en énergie de la fabrication des panneaux photovoltaïques :
Selon cette source, http://energie-developpement.blogspot.fr/2012/10/EROEI-taux-retour-energetique.html le taux de retour du photovoltaïque est de 6,8, donc il produit environ 7 fois ce qu’il a consommé au départ ; ce chiffre me semble sévère, car selon cette étude :
http://fr.slideshare.net/Innhotep/innhotep-energie-grise-photovoltaque
3 ans est le temps de retour d’une installation en toiture, à paris, avec des panneaux datant d’il y a 15 ans. Et cette valeur de 3 ans (ainsi que la durée de vie de 30 ans) est aussi reprise ici : http://www.photovoltaique.info/IMG/pdf/PV_Fab_Envt_final_26082009.pdf
(2) Cette durée de vie des panneaux est un chiffre communément accepté, il existe sur le marché des panneaux garantis pour cette durée de vie ( par exemple : http://www.alma-solarshop.fr/panneau-solarworld/624-panneau-solarworld-sunmodule-protect-250p.html ) : la longévité réelle est censée être bien au-delà.
La production diminue avec le temps, elle peut être garantie pour être de 85 % de la production originelle au bout de 25 ans. ( http://www.alma-solarshop.fr/panneau-bisol/921-panneau-solaire-bisol-bmo-250-transparent.html )
(3) Ces chiffres sont un « avis d’expert », et ils rejoignent cette source, fréquemment citée, sur l’eroi (taux de retour énergétique) :
http://energie-developpement.blogspot.fr/2012/10/EROEI-taux-retour-energetique.html
qui donne un eroi de 18 pour l’éolien, c’est à dire que l’éolien produit 18 fois plus qu’il n’a consommé pour sa fabrication.
Les chiffres annoncés dans ces calculs d’eroi sont en général très variables, comme on peut le voir sur wikipédia : https://fr.wikipedia.org/wiki/Taux_de_retour_%C3%A9nerg%C3%A9tique
Et en tous cas ce 20 pour 1 de l’éolien semble une moyenne acceptable.
Un mot sur l’EROI, le taux de retour énergétique, que je cite dans les sources : Pour l’électricité éolienne et photovoltaïque ce taux compare l’énergie grise des installations à l’électricité que ces procédés restituent. Ce qui est finalement la seule référence que l’on a « sous la main ».
Pour l’uranium et pour les autres combustibles, c’est l’énergie de l’extraction et de la préparation du combustible qui est comparée à l’énergie restituée, dans le combustible, avant la transformation en électricité ! . En dessous de 1 on dépense plus d’énergie qu’on en récupère donc ce n’est pas rentable. Si l’on comparait ces combustibles, comme pour l’éolien et le solaire, à l’électricité restituée, leur EROI serait de 0,3 et serait calamiteux !
(4) Pour citer une source sur le rendement des centrales thermiques : http://www.negawatt.org/telechargement/PointeElec/nW%20Pointe%20elec%20Presentation%20011209.pdf
Ce rendement est variable selon les énergies utilisées et le type de centrale.
http://direns.mines-paristech.fr/Sites/Thopt/fr/co/centrales-vapeur.html
Les centrales récentes arriveraient à des rendements supérieurs, approchant 40 %. Les centrales nucléaires actuelles ont été construites à une époque où on n’atteignait pas ces rendements, et de plus le fluide qui passe dans le réacteur, pour des raisons de sécurité, est sur un circuit différent que celui qui circule dans la turbine : il y a donc un échange de température supplémentaire qui n’est pas à l’avantage des centrales nucléaires. Les centrales à bois semblent être handicapées par une densité énergétique moindre que celle des autres combustibles, et les rendements réels seraient de l’ordre de 30 %, voire inférieurs, selon cette synthèse : http://www.perspectivesecologiques.com/telechargements/ADRET%20MORVAN%20Biomasse%20Energie%20Article%20J-F%20Davaut%20Avr14.doc
(5) ce que l’on retrouve dans deux sources précédemment citées :
http://energie-developpement.blogspot.fr/2012/10/EROEI-taux-retour-energetique.html
http://www.negawatt.org/telechargement/PointeElec/nW%20Pointe%20elec%20Presentation%20011209.pdf
Sur le Manifeste Négawatt (ma bible, édition 2015, à la page 64), c’est un chiffre de 14 % qui est retenu.
(6) l’énergie de la récolte du bois est retrouvée par un calcul, je la déduis de ce bilan co2 donné par l’Ademe :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Contenu_CO2#.C3.89missions_directes_en_CO2_des_combustibles
l’émission de co2 du bois, pour la récolte et le transport, représente la différence entre l’analyse en cycle de vie et les émissions directes, soit, selon la source, 29,5-18,8 = 10,7 g/kwh.
Pour retrouver le pourcentage que représente cette émission, il faut la rapporter aux émissions globales de co2 du bois, et là aussi il faut recourir au calcul, parce que ce chiffre a étrangement un côté confidentiel.
Ces émissions globales se calculent grâce au pouvoir calorifique du bois (5kWh/kg pour le bois sec à 0 %) et à son taux de carbone (50%)
chaque kg de bois contient donc 0,5 kg de carbone, et ces 0,5 kg libèrent 5 kWh ; pour chaque kWh libéré il y a émission de 0,5/5 = 0,1 kg de carbone, ce qui correspond à 3,67 fois plus en co2 donc 367 g/kWh. Oui, le bois a des émissions de co2 à la combustion comparables à celles du charbon.
Les émissions de la récolte 10,7 g/kWh), rapportées aux émissions totales (367 g/kWh), représentent 10,7/367 = 0,027 soit 2,7 %.
(7) – l’énergie de la déshydratation du bois se retrouve aussi par le calcul :
En calculant l’énergie nécessaire à échauffer cette eau de 20° à 100° (4,18 KJ par kg et par degré, soit 0,00116 kWh par kg d’eau et par degré,), puis pour la faire évaporer, c’est à dire la chaleur latente de vaporisation de cette eau (2265 Kj/kg, soit 0,63 kWh/kg).
En prenant 50 % de taux d’humidité, taux courant du bois à la récolte, ce bois contient, par kg, 0,5 kg d’eau pour 0,5 kg de matière sèche. Pour 1 kg de matière sèche il y a donc 1kg d’eau à évaporer. Pour chauffer cette eau : 0,09 Kwh (=1 x 0,00116 (100°-20°)), Pour évaporer cette eau : 0,63 Kwh (=1×0,63) Soit 0,72 Kwh au total.
Le pouvoir calorifique du bois sec à 0 % est d’environ 5 kWh/kg, il est toujours inférieur en pratique puisqu’il y a une eau résiduelle qui est évaporée en prélevant de l’énergie de la combustion du bois.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Bois_%C3%A9nergie#Pouvoir_calorifique
Donc dans 2 kg de bois à 50 % d’humidité, il y a 1 kg de bois sec qui a un pouvoir calorifique de 5 kWh, et 1 kg d’eau qui a demandé 0,72 kWh pour son évaporation.
En proportion cela fait 0,72/5= 0,144 soit 14,4 % de l’énergie contenue dans le bois.
(8) pour 100 unités d’énergie de combustible à la centrale, la déshydratation rajoute 14,4, la récolte 2,7. il faut donc 100 + 14,4 + 2,7 = 117,1 d’énergie.
La centrale, avec son rendement de 33 %, restitue toujours 33.
le rendement global de la « chaîne » s’exprime donc par 33/ 117,1 = 28,2%.