énergie renouvelable

Se dit de formes d'énergie s’appuyant sur des ressources inépuisables (le Soleil, le vent, les mouvements de l’eau, la chaleur terrestre) ou se renouvelant rapidement à l’échelle humaine (cultures, forêts), par opposition aux sources d’énergie fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon, uranium), dont les stocks sont limités et non renouvelables à l’échelle humaine. (→ énergie solaire, éolienne, hydraulique, géothermique et biomasse).

1. Généralités sur les énergies renouvelables

Longtemps exploitées – dès l’Antiquité pour certaines d'entre elles (l’éolien, la force des cours d’eau) –, les énergies renouvelables sont devenues, en 1973, un sujet d'actualité lors du premier « choc pétrolier », dans un cadre de recherche de sécurité et d’indépendance énergétiques. Puis, avec la prise de conscience de l’aspect limité des réserves pétrolières (le pic de production a déjà été atteint dans de nombreux gisements, et les ressources pétrolières pourraient être épuisées dès le milieu du xix^e s.) et la nécessité de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre et la pollution de l’air, leur développement est devenu un enjeu majeur. Il est indissociable, dans une démarche de développement durable, de la lutte contre le gaspillage énergétique et de l’amélioration des technologies de transport et de stockage. Contrairement à celle des énergies fossiles, l’exploitation des énergies renouvelables n’émet pas de gaz à effet de serre, ni de polluants atmosphériques ou de déchets nucléaires toxiques, d’où le qualificatif souvent employé d’énergies « propres », ou « vertes ».

Au début du xxi^e s., les énergies renouvelables assurent environ 15 % de la consommation d’énergie mondiale. Bénéficiant de technologies plus performantes qu'autrefois, leur extension se heurte toutefois aussi bien à des rendements encore insuffisants qu'à des coûts d'exploitation trop élevés et des intérêts industriels bien installés. Par ailleurs, ces énergies ne sont pas forcément dépourvues d’impacts environnementaux négatifs (pollution visuelle et sonore des fermes éoliennes, compétition pour l’espace entre les cultures alimentaires et les cultures énergétiques, zones inondées par les retenues d’eau des barrages hydroélectriques, etc.).

2. L'énergie solaire

Ce que l'on désigne par énergie solaire est le rayonnement émis dans toutes les directions par le Soleil. La Terre le reçoit à raison d'une puissance moyenne de 1,4 kW/m², pour une surface perpendiculaire à la direction Terre-Soleil. Ce flux solaire est atténué lors de la traversée de l'atmosphère par absorption ou diffusion, suivant les conditions météorologiques et la latitude du lieu ; au niveau du sol, la puissance restante est de l'ordre de 1 kW/m². La quantité d'énergie utilisable varie entre 800 et 2 500 kWh/m²/an, encore suivant le lieu.

En France, la quantité moyenne d'énergie disponible se situe entre 1 200 et 1 900 kWh/an, avec pour moyenne 1 500 kWh/an ; les régions les plus favorisées sont le quart sud-est, ainsi qu'une zone atlantique entre Nantes et Arcachon.

2.1. Le Soleil, source de vie et d'énergies

Le rayonnement solaire est à l'origine de la plupart des formes d'énergie que nous exploitons ; les combustibles fossiles, charbon, pétrole et gaz naturel, en sont issus, mais ne sont pas renouvelables à l'échelle de l'humanité. C'est le rayonnement solaire qui est à l'origine des cycles hydrologiques (en engendrant le cycle évaporation, pluie ; → eau) qui alimentent les cours d'eau, des flux aériens (le rayonnement solaire ne chauffe pas de façon uniforme les masses d’air, ce qui génère les vents, en mouvement entre les zones chaudes et les zones froides),, ainsi que des marées océaniques (en liaison avec la Lune). C'est aussi le Soleil qui fournit aux végétaux l'énergie nécessaire à leur développement par photosynthèse – et les végétaux chlorophylliens étant à la base de la plupart des chaînes alimentaires, le Soleil fournit, de façon indirecte, l’énergie de tous les êtres vivants. En fait, seule l’énergie nucléaire ne provient pas de l’énergie solaire.

L’énergie solaire peut également être utilisée de façon directe : transformation du rayonnement solaire en chaleur (panneaux solaires thermiques) ou en électricité (panneaux solaire photovoltaïques). Mais si le Soleil constitue indéniablement un énorme réservoir d'énergie, inépuisable à l'échelle humaine, son exploitation se heurte au fait qu'elle est diffusée irrégulièrement, qu'elle est de faible densité, et que le rendement de conversion – en ce qui concerne les panneaux solaires photovoltaïques – est défavorable.

2.2. La conversion thermique à basse température

Les serres

Le rayonnement solaire, seule forme d'énergie transmissible à grande distance sous forme d'ondes électromagnétiques, est absorbé (inégalement) par les objets qui y sont exposés, et est converti en chaleur. Si de plus on expose des objets au rayonnement solaire à travers une paroi de verre, les fréquences correspondant au rayonnement infrarouge sont arrêtées, « piégées » par le verre : c'est ce que l'on connaît sous le nom d'effet de serre (nom également donné, par analogie, au phénomène de réchauffement de l’atmosphère dû aux gaz qui réémettent vers la surface terrestre une partie du rayonnement infrarouge qu’elle renvoie [→ effet de serre]).

Les serres pour cultures florales ou maraîchères sont connues depuis longtemps ; elles assurent des récoltes précoces. L'effet de serre peut être avantageusement complété au moyen d'un réchauffage par ruissellement sur les parois, en faisant appel à la géothermie basse température ou à la récupération de rejets industriels, ceux des centrales électronucléaires par exemple.

Les capteurs solaires

Les capteurs solaires plans sont constitués d'un caisson fermé par un couvercle en verre, et renfermant une canalisation parcourue par de l'eau (fluide caloporteur). Tout l'intérieur est peint en noir de façon à absorber le maximum de rayonnement ; le rendement d'un capteur bien réalisé dépasse 50 % et permet de produire l'eau chaude sanitaire d'une habitation. La température atteinte ne dépasse pas, en pratique, 80 °C. Le couplage de capteurs solaires avec un chauffe-eau électrique assure la fourniture d'eau chaude quelles que soient les conditions d'ensoleillement ; le gain d'un tel chauffe-eau solaire peut être estimé à environ 50 % de la dépense annuelle, avec un amortissement du surcoût d'installation sur une dizaine d'années.

Les capteurs à concentration permettent d'atteindre des températures supérieures à 150 °C ; une surface réfléchissante de forme cylindrique concentre le rayonnement solaire sur un récepteur parcouru par le fluide caloporteur. L'eau chaude produite peut être utilisée directement pour le chauffage de locaux, de serres, de piscines, ou à des fins industrielles. Elle peut aussi être transformée en travail mécanique ou électrique de façon très classique, avec toutefois un faible rendement dû à la température trop basse de la source chaude.

Pour en savoir plus, voir l'article capteur.

Les maisons solaires

Le rayonnement solaire peut aussi servir à chauffer directement des locaux d'habitation ; des maisons solaires ont été expérimentées dans des sites variés, les meilleurs étant ceux qui correspondent à un ensoleillement annuel maximal. La construction doit être fermée vers le nord, ouverte au sud ; la collecte de l'énergie se fait par les murs, des panneaux solaires, et éventuellement par une serre ; un système de chauffage d'appoint doit être prévu. Les difficultés proviennent de l'irrégularité du rayonnement, suivant la latitude du lieu, la saison, l'heure de la journée, et l'état de l'atmosphère ; de plus, le soleil manque essentiellement quand on en a le plus besoin, de l'automne au printemps. Un stockage de la chaleur est donc primordial, et de préférence sur une longue période, afin d'utiliser en hiver la chaleur captée et stockée pendant l'été.

2.3. La conversion thermique à haute température

Le four solaire

Le principe mis en œuvre est la concentration du rayonnement, mais avec un facteur multiplicateur beaucoup plus grand que dans le cas précédent. Le meilleur exemple en est le four solaire d'Odeillo, créé en 1968 en Cerdagne (Pyrénées orientales). À Odeillo, le rayonnement solaire est capté par un « champ » de 63 miroirs plans orientables de 45 m² chacun, puis réfléchi sur un miroir parabolique formé de 9 500 miroirs élémentaires de 0,45 m de côté courbés par contrainte mécanique. Le faisceau convergent ainsi obtenu permet d'atteindre une puissance de 1 MW, soit 1 000 fois la puissance reçue au sol ; les matériaux exposés à ce rayonnement peuvent être portés à des températures de 1 500 à 3 800 °C. Les recherches portent sur les réactions à hautes températures, les propriétés mécaniques et électriques des matériaux, la préparation d'oxydes réfractaires de grande pureté.

Les centrales solaires thermodynamiques

Elles utilisent des miroirs qui concentrent la lumière solaire et chauffent un fluide caloporteur, ensuite utilisé pour produire de l’électricité. Selon l’Agence internationale de l’énergie, ces centrales pourraient représenter 5 % de la production d’électricité en 2050.

La centrale solaire thermodynamique Thémis, construite en 1976, à Targassonne, dans les Pyrénées-Orientales, et arrêtée en 1986 en raison de problèmes de rentabilité, a été remise en route en 2006, avec le projet Pégase (Production d'électricité par turbine à gaz et énergie solaire).

2.4. La conversion photovoltaïque

C'est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L'effet photovoltaïque, c’est-à-dire la capacité d’un matériau semi-conducteur à générer un courant électrique lorsqu’il est percuté par des photons, a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel. Il est produit généralement dans des disques de silicium monocristallin (fabriqué à partir de silicium cristallisé en seul cristal), polycristallin (silicium sous la forme d’un seul cristal) ou, moins fréquemment (leur rendement est encore faible ou ils sont en phase de développement), dans des matériaux en couche mince : le silicium amorphe (à structure non cristallisée), le tellure de cadmium, des matériaux organiques...

De multiples applications ont été développées, des capteurs et panneaux installés sur les habitations aux centrales solaires (collecteurs paraboliques ou champs de panneaux solaires), en passant par les calculatrices, les montres et les lampadaires. Des prototypes de voitures pouvant recharger en partie leurs batteries grâce à des capteurs solaires sont aussi à l’étude.

3. L'énergie de la biomasse

La biomasse est l’ensemble des êtres vivants présents à un moment donné dans un milieu : arbres, plantes, algues, champignons, animaux, bactéries. Ils contiennent de l'énergie, issue de façon directe ou indirecte de l’énergie solaire ; ils ont d'ailleurs constitué pendant des millénaires l'unique source d'énergie utilisée par l'homme : les aliments de l'homme lui-même et du bétail qui étaient les seuls moteurs, et le bois, seul combustible connu jusqu’à la découverte des combustibles fossiles.

3.1. La conversion thermochimique

La combustion

La biomasse peut être utilisée directement comme combustible : il s’agit du bois-énergie (bûches, granulés de bois, sciure, etc.), de la paille, des résidus de récoltes et de l’industrie agroalimentaire (noyaux de fruits, par ex.) et de certains oléagineux cultivés (tournesol, betterave, colza…).

Le bois est de loin la forme d'énergie de la biomasse la plus utilisée. En France, il est essentiellement utilisé pour chauffer les habitations individuelles ; près de la moitié d'entre elles y ont recours, surtout en milieu rural où il est souvent peu onéreux, voire gratuit. Rappelons que la forêt recouvre près de 30 % de la superficie de la France. À la combustion directe s'ajoute également la pyrolyse ou carbonisation : en chauffant le bois, on obtient un gaz combustible, des produits condensables (eau et goudrons), et un résidu solide, le charbon de bois. Ce dernier est intéressant par sa faible densité, mais il ne contient que 30 à 50 % de l'énergie initiale du bois pyrolysé. Cependant, des installations à haut rendement, telle celle de Framatome-Cemagref implantée à Clamecy, permettent d'approcher un rendement de 90 %.

La combustion de la biomasse rejette du CO2, mais le bilan global est théoriquement neutre, car la quantité rejetée est égale à celle absorbée au cours de la croissance des végétaux.

La photosynthèse

En ce qui concerne le reste de la biomasse, il s'agit d'une ressource considérablement dispersée à la surface du globe, dont la « récolte » est souvent difficile (océans, zones arides). La production végétale est liée à l'action de la lumière ; la photosynthèse réalise la conversion directe de la lumière en énergie chimique sous forme de matériaux carbonés utilisables comme aliments, fibres, matières premières industrielles, et combustibles. En moyenne, le rendement énergétique de conversion de l'énergie solaire en substance végétale ne dépasse guère 2 % ; il varie selon les plantes et la région considérée.

La gazéification

La gazéification à l'air consiste à chauffer à haute température des déchets végétaux ou des ordures organiques (→ gazéification) ; on obtient un gaz combustible composé essentiellement de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Ce gaz peut alimenter les brûleurs de chaudières pour le chauffage collectif, ou être utilisé dans des moteurs à combustion interne de type Diesel ou essence, modifiés.

La gazéification à l'oxygène, technologie plus récente, permet d'obtenir de meilleurs rendements.

3.2. La conversion biochimique

Il s'agit de divers procédés de fermentation des végétaux.

La fermentation éthylique

Elle est connue depuis la plus haute antiquité ; elle fait intervenir une levure, s'applique à des jus sucrés (fruits, betterave) et produit de l'éthanol ou alcool éthylique.

La fermentation méthylique

Elle utilise, toujours sous l'action de levures, des déchets végétaux riches en amidon (ou éventuellement sucrés), et produit du méthanol ou alcool méthylique. Pour les végétaux non sucrés, la transformation préalable de l'amidon en sucres est indispensable ; elle s'obtient par traitement acide mais est très coûteuse. Éthanol et méthanol peuvent être utilisés comme carburants (biocarburants) dans les moteurs d'automobiles adaptés, après épuration (élimination de CO₂ et H₂S). La production mondiale de biodiesel a atteint 22 millions de tonnes en 2010 (fabriqué essentiellement en Europe) ; celle du bioéthanol 88,7 millions de tonnes en 2011 (essentiellement par le Brésil et les États-Unis).

La fermentation anaérobie des déchets végétaux

Elle permet d'obtenir un biogaz composé de méthane CH₄ (50 à 65 %) et de dioxyde de carbone CO₂ ; ce même gaz est connu depuis longtemps : le gaz des marais ou feu follet se forme naturellement dans la vase sous l'action de micro-organismes et en l'absence d'air ; il se forme également par décomposition des déchets animaux, tels le fumier et le purin, dans les décharges, les stations d’épuration, etc.

La fermentation méthanique peut être obtenue artisanalement (au niveau d'une exploitation agricole par exemple) dans des digesteurs, cuves légèrement chauffées dans lesquelles on introduit le fumier avec circulation continue du purin. Le chauffage des locaux de l'exploitation peut être assuré avec un troupeau de 30 bovins ou 500 porcs. Ce procédé concourt en même temps à la dépollution de l'environnement.

D'autres conversions biochimiques

La fermentation acétonobutylique consiste à traiter des jus sucrés, de topinambour par exemple, ou riches en cellulose (pomme de terre, betterave, sorgho, canne à sucre, bois, paille, papier) ; on obtient un mélange d'acétone, d'éthanol et de butanol. Le pouvoir calorifique de ce biogaz est peu élevé, et ses inconvénients ne manquent pas dans son emploi comme carburant moteur : départs à froid difficiles, importante corrosion due au méthanol qui, de plus, est toxique.

L'éthyle-tertio-butyl-éther (ETBE) est obtenu en ajoutant de l'isobutène à l'éthanol ; il remplace le plomb comme antidétonant dans l'essence sans plomb (il augmente l'indice d'octane du carburant).

Le Diester (appellation commerciale, acronyme de Diesel et ester) est obtenu à partir du colza et du tournesol ; mélangé au gazole, il peut être utilisé dans les moteurs Diesel et dans les chaudières de chauffage central. En France, plusieurs villes d'importance diverse ont équipé leur parc automobile pour l'utilisation du Diester.

La bioconversion directe est l'utilisation du rayonnement solaire pour obtenir directement des composés chimiques, sans passer par les étapes des conversions vues plus haut ; la photosynthèse artificielle par exemple permettrait, en raccourcissant la chaîne énergétique, d'élever sensiblement le rendement de conversion. On pourrait obtenir des biocombustibles, tels l'hydrogène, dont on perçoit les immenses possibilités dans l'avenir, ou des molécules spécifiques à usage pharmaceutique par exemple.

4. L'énergie des courants

Le rayonnement solaire est à l'origine des flux atmosphériques et des précipitations (→ météorologie) qui ont pour principales conséquences la formation et la circulation des cours d'eau. Ressources hydrauliques et surtout éoliennes sont les énergies les plus anciennement utilisées pour produire directement un travail mécanique.

4.1. L'énergie hydraulique

Les roues hydrauliques ont animé pendant longtemps les moulins à céréales, mais aussi des installations artisanales ou industrielles. L'invention de la turbine hydraulique puis de la dynamo et enfin de l'alternateur ont ouvert une voie importante vers l'hydroélectricité qui constitue la source d'énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde. Le principe consiste à créer une retenue d'eau en barrant le cours d'une rivière, et à utiliser l'énergie potentielle de l'eau accumulée.

Suivant la hauteur de chute, on distingue les usines de haute chute, de moyenne chute, et les usines au fil de l'eau. Différents types de turbines sont adaptés au fonctionnement optimal selon le type de chute. La production d'électricité d'origine hydraulique est d'une grande souplesse ; elle participe à la production de base des réseaux, mais peut venir également en complément aux heures de pointe grâce à sa rapidité de mise en œuvre. Si son prix de production est bas, il faut tenir compte du coût particulièrement élevé des investissements. Les barrages hydroélectriques participent également à l'écrêtement des crues.

Pour en savoir plus, voir l'article hydroélectricité.

4.2. L'énergie éolienne

L'énergie éolienne a animé les moulins depuis plus longtemps encore que l'énergie hydraulique ; c'est elle également qui gonfle les voiles des navires. Cette forme d'énergie est exploitée actuellement par des éoliennes, et est utilisée soit directement pour actionner des pompes, soit indirectement en produisant du courant électrique (aérogénérateurs).

Une éolienne est constituée d'une sorte d'hélice à arbre horizontal, orientable par rapport à la direction du vent selon un axe vertical. De nombreuses éoliennes de construction extrêmement simple sont installées un peu partout dans le monde, et beaucoup actionnent un système de pompage de l'eau nécessaire aux usages domestiques ou agricoles ; une réserve d'eau peut d'ailleurs être facilement constituée afin d'en régulariser la disponibilité.

Les aérogénérateurs modernes à axe horizontal sont dotés d'hélices dont les pales ont un profil semblable à celui d'une voilure d'avion ; le vent naturel et celui dû à la rotation des pales donnent naissance à une force résultante dont l'une des composantes provoque la rotation de l'hélice tandis que l'autre est appliquée au pylône. Des aérogénérateurs à axe vertical ont été réalisés ; leur « voilure » tournante de forme générale ovoïde a également un profil d'aile d'avion, et son fonctionnement est indifférent à la direction du vent ; ils ont l'inconvénient d'être coûteux, et leur rendement est assez médiocre.

La puissance des éoliennes est proportionnelle au diamètre de leur rotor (→ alternateur). Les plus grandes ont un rotor de 120 m de diamètre (sur un mat de 120 m de haut), pour une puissance de 6 millions de watts (MW).

Il existe des éoliennes en mer, ancrées au large à quelques dizaines de mètres de profondeur. Des éoliennes flottantes pouvant être installées loin des côtes ont aussi été mises au point.

Un aérogénérateur peut également être couplé à des panneaux de photopiles et à une batterie d'accumulateurs afin d'optimiser la fourniture d'électricité. La France est le 5^e pays européen en terme de puissance installée totale. En 2012, la production d’électricité éolienne en France a atteint 14,9 millions de MWh (en augmentation de plus de 20 % par rapport à 2011), soit 3,1 % de la consommation électrique du pays. Si l'exploitation de l'énergie éolienne est non polluante par elle-même, les parcs éoliens (ou fermes éoliennes) engendrent une pollution acoustique due à la rotation des pales, ainsi qu'une altération des paysages.

5. L'énergie géothermique

Le noyau de la Terre contient des éléments radioactifs tels que l'uranium dont la désintégration produit de la chaleur (radioactivité). Mises à part les manifestations naturelles parfois violentes que constituent les volcans, cette chaleur se propage vers la surface, et échauffe des nappes aquifères situées entre 500 et 2 000 m de profondeur. Ce sont les nappes les plus profondes qui sont portées à la température la plus élevée ; le gradient géothermique, qui est de l'ordre de 3 °C par 100 m, peut atteindre 100 °C par 100 m dans les zones limites de plaques (→ tectonique).

La température du sous-sol étant constante à une profondeur donnée, la géothermie a l’avantage d’être indépendante du climat, et a peu d’impacts négatifs sur l’environnement.

Suivant la profondeur des nappes et la température de l'eau disponible, on distingue la géothermie de très basse, basse, moyenne, et haute énergie.

5.1. La géothermie de très basse énergie

Elle est susceptible de fournir une eau à une température comprise entre 30 et 50 °C, suffisante pour assurer le chauffage de serres, et de piscines, et même le chauffage des locaux à condition de le compléter par l'appoint d'une autre source d'énergie. Étant donné la faible profondeur des nappes, les coûts de forage sont peu élevés ; la Maison de la Radio à Paris est chauffée de cette manière.

5.2. La géothermie de basse énergie

Elle exploite des nappes plus profondes : entre 1 500 et 2 000 m, et fournit de l'eau à des températures situées entre 50 et 90 °C, directement utilisable pour le chauffage. Le plus souvent, ces eaux sont fortement minéralisées, ce qui oblige à les réinjecter dans la nappe après extraction de l'énergie, et entraîne une augmentation des coûts d'exploitation ; mais cela a l'avantage de maintenir constants la pression du réservoir ainsi que le débit.

Le Bassin parisien présente 38 000 km² de nappes d'eaux salines situées entre 1 600 et 2 000 m de profondeur, représentant une puissance de 300 kW pour un débit de 100 m³/h.

5.3. La géothermie de moyenne énergie

Les nappes de moyenne énergie sont situées entre 2 000 et 2 500 m de profondeur et fournissent de l'eau entre 90 et 150 °C. En France, les principaux gisements sont en Alsace et dans les Limagnes. Mis à part le chauffage, ces nappes pourraient être utilisées pour produire de l'électricité en employant un fluide intermédiaire à bas point d'ébullition (ammoniac ou isobutane par exemple).

5.4. La géothermie de haute énergie

C'est une ressource liée au volcanisme ; elle fournit de la vapeur ou de l'eau sous pression à une température comprise entre 150 et 350 °C qui peut être directement utilisée pour actionner un turbo-alternateur. La puissance totale disponible à l'échelle mondiale est estimée à 300 000 MW. Les coûts d'installation et d'exploitation sont réduits et le kilowatt produit est moins cher que celui obtenu par les combustibles fossiles.

6. Les énergies de récupération

Une partie des déchets provenant des activités humaines peut être transformée de façon à utiliser l'énergie qu'ils contiennent. Les déchets combustibles (papier et cartons, bois, certaines matières plastiques) sont incinérés ; la chaleur produite permet de chauffer des locaux : la moitié des villes françaises de plus de 100 000 habitants sont chauffées ainsi.

La récupération de certains objets ou matériaux, à défaut de produire directement de l'énergie, permet d'en économiser : par exemple, les bouteilles de verre récoltées grâce au tri sélectif mis en place dans la plupart des localités permettent d’économiser de la matière première (sable et calcaire principalement), et aussi l'énergie nécessaire pour élaborer le verre car le calcin résultant du recyclage du verre fond à 1000 °C au lieu de 1500 °C pour le mélange des matières premières. De plus, l'environnement y trouve son compte.

Les activités industrielles consomment de grandes quantités d'énergie et en rejettent dans l'environnement. Ces rejets se font essentiellement à basse température, par exemple dans le cas des centrales électriques thermiques classiques ou nucléaires. Leur fonctionnement nécessite une source froide qui est soit l'eau d'un cours d'eau ou de la mer, soit l'atmosphère ; dans le premier cas, la température des eaux de rejet n'excède pas 20 °C ce qui présente peu d'intérêt, mais dans le second, elle est d'au moins 24 °C, même en saison froide ; on peut alors l'utiliser pour le chauffage de serres et même des sols.

7. Les autres sources d'énergies nouvelles

7.1. La pompe à chaleur

C'est une machine thermodynamique qui a pour fonction de transférer de l'énergie, sous forme de chaleur, d'un milieu extérieur à basse température et contenant de l'énergie bon marché vers un milieu intérieur à température plus élevée pour en accroître la température. Ce principe de fonctionnement est exactement semblable à celui d'un réfrigérateur ou d'un congélateur (→ froid), les milieux (ou sources) froid et chaud étant permutés.

Une pompe à chaleur est constituée d'un circuit fermé parcouru par un fluide caloporteur qui subit des alternances de vaporisation et de condensation grâce au fonctionnement d'un compresseur. Dans l'évaporateur, ce fluide passe de l'état liquide à l'état gazeux en prélevant de l'énergie au milieu (source froide), sous forme de chaleur ; dans le condenseur, il passe de l'état gazeux à l'état liquide en cédant de l'énergie au milieu à chauffer (source chaude). La source froide peut être l'air extérieur, de l'air intérieur extrait, l'eau d'un cours d'eau ou d'un lac, ou encore le sol ; le milieu intérieur peut être l'eau d'une installation de chauffage central, ou l'air d'une installation à air pulsé. On parle de pompe à chaleur de type air-eau, ou eau-eau, etc. Le compresseur consomme une certaine quantité d'énergie, le plus souvent sous forme d'électricité fournie par le réseau de distribution, et qui est transmise à la source chaude ; mais au résultat cette source chaude reçoit plus d'énergie que ce que le compresseur a consommé ; la différence provient de la source froide, dont l'application est généralement gratuite. L'efficacité d'une pompe à chaleur s'exprime par le coefficient de performance (COP) ; c'est le rapport entre l'énergie totale fournie à la source chaude et la quantité d'énergie fournie au compresseur ; une pompe à chaleur de type air-eau a un COP voisin de 2 ; il atteint 3,5 pour le type eau-eau, la difficulté étant de trouver une source d'eau à proximité des locaux à chauffer.

7.2. L'énergie de la mer

Elle peut prendre diverses formes ; celle des marées est à la fois d'origine solaire et lunaire ; celle des vagues résulte de l'action du vent ; et enfin le gradient de température entre les eaux de surface et celles des fonds est source d'énergie thermique. D’autres pistes sont explorées, comme les centrales osmotiques, fonctionnant sur la différence de salinité entre l’eau douce et l’eau salée.

L'énergie marémotrice

Il faut que la différence de niveau entre basse mer et haute mer soit suffisante pour qu'elle soit exploitable. En France, l'usine marémotrice de la Rance mise en service en 1967 est constituée d'un long barrage de 750 m, et haut de 27 m fermant l'estuaire de la Rance. À marée montante comme à marée descendante, l'eau traverse chaque groupe et produit de l'électricité ; pour une année, la production moyenne est de l'ordre de 550 GWh. Cependant les usines marémotrices présentent le défaut de modifier en profondeur les écosystèmes des estuaires.

L'énergie des vagues et des courants

Différents procédés ont été mis au point pour récupérer l'énergie des vagues : caissons flottants, radeaux articulés, colonnes oscillantes. Ces systèmes flottants sont réunis en fermes houlomotrices ; les difficultés sont nombreuses mais les résultats sont prometteurs. Cependant les technologies flottantes ont un impact visuel et peuvent interférer avec la navigation et la pêche. À Monaco, la houle actionne une pompe alimentant l'aquarium du Musée océanographique.

La force des courants peut aussi être exploitée, grâce à des turbines sous-marines appelées hydroliennes. Toutefois, les hydroliennes peuvent affecter la faune et la flore locales, ainsi que la sédimentation.

L'énergie thermique des mers

L'idée d'exploiter l'énergie thermique des mers revient au professeur Jacques Arsène d'Arsonval et a été expérimentée dans les années 1930 par le physicien français Georges Claude sur un cargo afin de fabriquer de la glace. Les projets, nombreux, font appel à des technologies diverses, mais la différence de température entre source froide (le fond) et source chaude (la surface) n'est que de 24 °C au mieux, et dans les mers tropicales seulement.

7.3. La fusion thermonucléaire

Des recherches sont menées dans quelques pays (États-Unis, Union européenne, Russie) sur la fusion thermonucléaire ; des noyaux légers de deutérium et tritium (isotopes de l'hydrogène) en fusionnant les uns avec les autres donnent des noyaux plus lourds d'hélium ainsi que des neutrons, la réaction s’accompagnant d’une libération d’énergie colossale (17,6 MeV). Les réactions de fusion thermonucléaire sont nombreuses dans l'Univers : elles se produisent dans les étoiles et sont à l'origine du formidable rayonnement qu'émet notre Soleil par exemple. Mais elles nécessitent des températures très élevées, de l’ordre de 100 000 000 °C, et un gaz à l'état de plasma contenu par un procédé de confinement magnétique ou inertiel. Malgré d'énormes difficultés, la communauté scientifique espère disposer, d’ici la fin du xxi^e s., d'une source d'énergie quasiment inépuisable (l'hydrogène étant très abondant) et parfaitement propre. Les espoirs de réaliser la fusion thermonucléaire reposent sur le réacteur expérimental ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – projet international réunissant l’Union européenne, la Russie, le Japon, la Chine, la Corée du Sud et les États-Unis –, en construction depuis 2007 à Cadarache, en France, et dont la phase d’exploitation devrait commencer en 2025 (premier plasma).

7.4. Les piles à combustible

Ce sont des générateurs électriques qui convertissent directement l'énergie chimique contenue dans un combustible (l'hydrogène par exemple) en électricité ; le rendement est voisin de 60 %. Le prix de revient très élevé réserve, pour l'instant, ce procédé aux missions spatiales de longue durée. Toutefois, avec l'attention portée à la protection de l'environnement et les craintes suscitées par l'appauvrissement progressif des ressources énergétiques fossiles, la pile à combustible fait l'objet d'intenses recherches. Non polluante (pas de rejets de gaz à effet de serre), silencieuse et d'un excellent rendement énergétique, elle présente d'importants atouts pour contribuer, dans le futur, à la production d'énergie (électricité et chaleur) et à la propulsion des véhicules automobiles.