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Avenir sans Pétrole

Le gaz renouvelable: clé de voûte d'un scénario 100% renouvelable ?

2 Juin 2015 , Rédigé par Benoît Thévard

Depuis la sortie du rapport de l'ADEME "Vers un mix électrique 100% renouvelables" et, en parallèle, les derniers déboires de l'industrie nucléaire, l'idée d'une plus grande décentralisation de la production d'énergie fait son chemin. Le rapport "choc" de l'ADEME ne parle pourtant que de l'électricité qui ne représente aujourd'hui que 22% de l'énergie finale consommée en France. Le reste -que l'on oublie un peu trop vite- c'est le pétrole (45%), le gaz (20%), la biomasse et les déchets (9%) et le charbon (3%).

L'association NégaWatt a publié en 2011 un scénario -presque- 100% renouvelables, toutes énergies confondues. C'est-à-dire -presque- zéro fossiles (pétrole, gaz et charbon) et zéro fissiles (uranium) ! Vous en conviendrez, le défi n'est pas tout à fait le même et les transformations à réaliser sont énormes, tant dans les comportements que dans les infrastructures, les réseaux d'échange, l'organisation des services et des moyens de production. Il faut non seulement réduire de moitié la consommation, mais également inverser les rôles: ce n'est plus à l'offre de s'adapter à la demande, mais à la demande de s'adapter à l'offre puisque la production d'énergies renouvelables est très variable lorsqu'il s'agit de valoriser le rayonnement solaire et le vent.

Le gaz renouvelable: clé de voûte d'un scénario 100% renouvelable ?

Ce qui apparait comme le facteur limitant de la transition énergétique, c'est le stockage. Jusqu'à présent, la seule technologie connue pour le stockage d'électricité à grande échelle était la station de transfert d'énergie par pompage (STEP). Situées en zones montagneuses, les STEP permettent d'utiliser les surplus d'électricité pour faire remonter de l'eau en altitude grâce à des pompes. Lorsque la demande augmente, il est possible de libérer instantanément cette eau stockée pour la faire passer dans des turbines et produire de l'électricité, avec un bon rendement global compris entre 70% et 85%. Ce système ne peut être mis en œuvre que dans les zones à fort dénivelé et permettant le stockage de grandes quantités d'eau. Le coût est estimé entre 500 à 2000€/kW.

Source: http://www.connaissancedesenergies.org

Source: http://www.connaissancedesenergies.org

Le gaz: vecteur clé de la transition énergétique

Le gaz offre des avantages précieux dans le cadre de la transition énergétique. Pour le stockage et le transport d'énergie, le réseau de gaz est déjà existant, bien réparti sur le territoire, et la France dispose d'une capacité de stockage d'environ 26 milliards de mètres cubes (292 TWh), soit le tiers de la consommation totale d'énergie finale prévue dans le scénario négaWatt 2011.

Jusqu'à présent, il était importé à 99% (en France) et principalement issu des réserves fossiles (gaz naturel). Le gaz renouvelable, quant à lui, peut être issu de trois filières distinctes. La première est la méthanisation de matières organiques, technologie bien connue et mature, déjà exploitée commercialement. Le biogaz est formé lors d'une digestion anaérobie de déchets organiques ménagers, de l'agriculture ou de l'industrie.

La seconde consiste en une gazéification des matières ligneuses (notamment le bois) qui permet d'obtenir un gaz "pauvre". Celui-ci, après une opération de lavage et d'épuration, suit un processus de méthanation permettant d'obtenir majoritairement du méthane.

La troisième filière permet de stocker l'électricité renouvelable lorsqu'elle ne peut pas être consommée au moment de sa production. Le surplus permet de faire une électrolyse de l'eau afin d'obtenir de l'hydrogène. Celui-ci est ensuite combiné à du CO2 dans un processus de méthanation pour obtenir du méthane.

Enfin, le gaz est très intéressant pour la diversité de ses usages. Il peut être utilisé comme carburant (GNV), comme énergie pour la cuisson des aliments, comme combustible pour le chauffage ou dans des centrales thermiques à cogénération (électricité + chaleur). Pour toutes ces raisons, le gaz pourrait devenir un élément structurant du mix énergétique pour les décennies à venir.

Les voies possibles de valorisation d'énergie primaire renouvelable en gaz renouvelable. Source: http://eleves-ose.cma.mines-paristech.fr/2013/commentaires_news.php?id=83

Les voies possibles de valorisation d'énergie primaire renouvelable en gaz renouvelable. Source: http://eleves-ose.cma.mines-paristech.fr/2013/commentaires_news.php?id=83

La méthanation du bois

La première centrale de ce type (puissance de 20 MW) a démarré en 2013 à Göteborg (Suède) dans le cadre d'une étape de démonstration dont le coût d'investissement est estimé à 800€/kW. La deuxième phase commerciale du projet (80-100 MW) devrait démarrer en 2016.  Une telle usine absorbera 500 000 tonnes de résidus forestiers par an (plus de 1300 tonnes par jour) pour fournir 150 GWh de chaleur et 800 GWh de biométhane (de quoi chauffer 500 immeubles et faire rouler plusieurs dizaines de milliers de voitures). Même si la technique est au point avec un rendement global supérieur à 65%, la principale difficulté de ce type d'installation, c'est l'approvisionnement. Le dernier exemple en date était la centrale de Gardanne qui a provoqué beaucoup de débats, puisqu'elle consommerait 885 000 tonnes de bois dont le tiers serait importé et le reste, 500 000 tonnes, serait prélevé dans un rayon de ... 400 km ! Il faut donc s'interroger sur l'échelle pertinente pour les unités qui consomment de la biomasse.

Usine Gobigas en Suède

Usine Gobigas en Suède

La méthanation à partir d'électricité

Le principe consiste à réaliser une électrolyse de l'eau afin de produire de l'hydrogène qui, lorsqu'il est combiné à du monoxyde ou dioxyde de carbone (CO ou CO2) dans le processus de méthanation, permet d'obtenir du méthane. Le coût de cette technologie est estimé entre 1500 et 2000€/kW.

C'est en Allemagne qu'a démarré la première production commerciale de méthane à partir d'électricité renouvelable. Avec une puissance de 6 MW, elle absorbe jusqu'à 28 GWh d'électricité par an pendant les pics de production, pour produire 14 GWh de méthane (rendement d'environ 50%) pendant ses 4000 heures de fonctionnement annuel. Ainsi, l'usine démarre et s'arrête plus de trente fois par mois lorsque le prix spot de l'électricité est très bas, ce qui correspond aux périodes de faible demande. Le rendement est assez médiocre, mais ce procédé aurait ce rôle essentiel de stockage du surplus électrique.

Usine Audi E-gas en Allemagne

Usine Audi E-gas en Allemagne

Toutes ces installations sont très pointues et requièrent un haut niveau d'expertise et de technologie. Je fais plus souvent la promotion des solutions low-tech à l'échelle individuelle, mais pour la gestion des réseaux et la constitution d'un mix énergétique territorial diversifié, renouvelable, résilient et décentralisé, la technologie semble incontournable.

Le gaz renouvelable est une source et un vecteur d'énergie particulièrement intéressant pour de nombreuses raisons, notamment parce que son transport et sa distribution sont déjà bien en place. Il reste à développer les moyens de production et de consommation qui permettront un développement harmonieux, raisonnable et soutenable de la filière.

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Alice 31/08/2015 14:45

Je ne pense pas tout avoir saisi, mais en tout cas, je suis ravie de voir que des solutions existent. Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi notre gouvernement se dirige pas plus vers les énergies renouvelables. Surtout que ce serait générateur d'emplois. En attendant, je suis un peu plus optimiste suite à la lecture de cet article. merci.

Fabien 07/06/2015 20:25

"D'après les producteurs éoliens allemands, de l'ordre de 500 GWh d'électricité éolienne ont été perdus en 2014"
je suis intéressé pour savoir où vous avez obtenu cette info par curiosité ?

mais si l'éolien devait se généraliser partout, ce n'est pas 1% qui serait perdu, mais plusieurs dizaines de %. Car aujourd'hui, le charbon allemand où les systèmes électriques frontaliers de l'allemagne permettent d'absorber cette intermittence et son adéquation à la consommation.
du coup, une éolienne ferait plutôt avancer une dizaine de voitures dans votre exemple.

En tout cas, ne plantons pas d'éoliennes sans avoir bien explicité comment et par qui on gérait cette intermittence, quels en sont les coûts et les conséquences !

HollyDays 07/06/2015 17:13

Concernant le stockage de l'électricité éolienne non consommée par électrolyse, puis méthanation, il faut quand même avoir quelques ordres de grandeur en jeu, qui ramènent à sa juste proportion le potentiel de cette technique, à savoir celui celui d'un micro-marché de niche.

D'après les producteurs éoliens allemands, de l'ordre de 500 GWh d'électricité éolienne ont été perdus en 2014 parce qu'il n'y avait aucun consommateur à ce moment-là pour consommer cette électricité. Or la production annuelle d'électricité éolienne allemande a été de l'ordre de 50 TWh en 2014. Ce qui signifie que sur un an, en Allemagne, la production d'électricité éolienne perdue représente de l'ordre de 1% de la production d'électricité éolienne totale.

Le facteur de charge moyen en Allemagne des éoliennes terrestres tourne autour de 16%, et c'est 1% (= 1/100ème) de cette électricité effectivement produite que l'on va vouloir transformer en gaz, avec un rendement, au mieux, de 50%, d'après Audi (ce qui, franchement, me parait beaucoup : les ordres de grandeur à ma disposition suggèrent plutôt un rendement de 50% pour l'électrolyse et de 70% pour la méthanation, ce qui fait un rendement global de 35% pour l'ensemble... Mais passons, et supposons qu'Audi ait effectivement réussi à obtenir un rendement global de 50%).

Ceci veut donc dire qu'en transformant en gaz l'électricité perdue d'une éolienne terrestre typique de grande taille (disons, 2 MW de capacité, ce qui fait des pales de 120 m de diamètre en haut d'un mât de l'ordre de 100 ou 120 m de haut), on obtient de 2000 kW * 16% * 1% * 50% = 1,7 kW de puissance (continue) sous forme de gaz. Ou, si vous préférez, une production de 1,7 kWh/h * 24 h/jour = 40 kWh/jour de gaz. Si l'on met ensuite ce gaz dans le réservoir d'une voiture à moteur à explosion, ces 40 kWh/jour permettent donc à cette voiture de parcourir de l'ordre de 50 à 75 km/jour (là encore, avec des hypothèses optimistes sur le moteur).

Donc avec l'électricité perdue *d'une* éolienne de grande taille (coût de fabrication et d'installation = 2 millions d'euros), on arrive à alimenter *une seule* voiture pour, au mieux, 50 à 75 km par jour. Et même si on développait l'éolien au-delà de ce que les Danois ont fait (sans pour autant disposer des barrages suédois dont eux disposent), le ratio de 1% d'électricité perdue passerait peut-être à 2 ou 3%. Ce qui ne change pas l'énormité du rapport d'ordre de grandeur que je viens d'obtenir.

Il n'y a que moi à trouver la production d'un tel système ridiculement faible malgré l'énormité du système de production d'énergie mis en jeu ?

Benoît Thévard 10/06/2015 16:23

Bonjour Hollydays,
Je trouve cette approche intéressante mais curieuse. On parle ici d'un scénario qui mettrait en œuvre majoritairement des EnR et donc avec des besoins de stockage plus important. Comme dit Fabien, on pourrait passer à 10% de "pertes" ou plus si on ne compense plus avec des centrales thermiques. Par ailleurs, il y a la question de l'usage et du type d'énergie dont on a besoin. En Région Centre par exemple, on s'est rendu compte que l'on produirait plus d'électricité que nécessaire, mais un gros manque pour la mobilité et la chaleur. Dans ce cas, disposer de gaz pour la cuisson des aliments ou le chauffage de certains logements urbains peut être un atout.
Et puis je ne comprends pas bien le calcul qui consiste à intégrer le rendement de l'éolienne dans la production "ridiculement faible" de la méthanation. Si l'unité en question est dimensionnée pour absorber les surplus de 250 éoliennes, l'usine fournira 250*40kWh= 10 MWh, consommation de 250 voitures ce qui n'est plus ridiculement faible... Donc pas bien compris la conclusion en fait...

Fabien 07/06/2015 20:25

"D'après les producteurs éoliens allemands, de l'ordre de 500 GWh d'électricité éolienne ont été perdus en 2014"
je suis intéressé pour savoir où vous avez obtenu cette info par curiosité ?

mais si l'éolien devait se généraliser partout, ce n'est pas 1% qui serait perdu, mais plusieurs dizaines de %. Car aujourd'hui, le charbon allemand où les systèmes électriques frontaliers de l'allemagne permettent d'absorber cette intermittence et son adéquation à la consommation.
du coup, une éolienne ferait plutôt avancer une dizaine de voitures dans votre exemple.

En tout cas, ne plantons pas d'éoliennes sans avoir bien explicité comment et par qui on gérait cette intermittence, quels en sont les coûts et les conséquences !

cafuccio 03/06/2015 13:33

Sur le site de Euan Mearns se trouvent qulques discussions sur le stockage en général et les STEP en particulier. Par exemple:
- stockage STEP sans montagnes en Hollande
http://euanmearns.com/flat-land-large-scale-electricity-storage-fles/

-stockage STEP énorme en Ecosse:
http://euanmearns.com/estimating-storage-requirements-at-high-levels-of-wind-penetration/

Enfin, ne pas oublier que le but principal de la ferme des mille vaches si décriée est de produire du méthane à partir des déjections de vaches...

Benoît Thévard 10/06/2015 16:24

Merci Cafuccio pour ces liens intéressants. Je ne savais pas que certains se lançaient dans les STEP souterraines ! à suivre donc

Vincent 02/06/2015 23:58

> les derniers déboires de l'industrie nucléaire,

En France. L'EPR en Chine avance bien. Si nous ne savons plus construire de réacteurs, d'autres pays s'en chargeront (Chine, Russie, Corée, etc.)

Fabien 07/06/2015 20:28

D'ailleurs après avoir reculé au début des années 2000, le nombre de réacteurs en construction dans le monde est reparti à la hausse depuis ces dernières années.
Mais à mettre en regard des autres énergies qui augmentent aussi par ailleurs, gaz et charbon en tête !