Les énergies renouvelables : panorama technique

Introduction

Les énergies renouvelables (ENR) sont issues de flux naturels réputés inépuisables à l'échelle humaine : soleil, vent, eau, biomasse, chaleur de la Terre. Elles sont au cœur du RE 2020, du Plan Énergie-Climat et de la loi APER 2023 (accélération de la production d'énergies renouvelables).

Panorama et gisement

Filière	Gisement France	État développement
Éolien terrestre	40 GW visés 2030 (22 actuels)	Maturité industrielle
Éolien offshore	18 GW visés 2035	Décollage
Solaire PV	44 GW visés 2028 (20 actuels)	Croissance rapide
Solaire thermique	ECS et réseaux de chaleur	Marché stable
Hydraulique	25,7 GW, saturé	Maintenance
Biomasse (bois, biogaz)	300 TWh/an mobilisables	Développement
Géothermie	Profonde (RCU) et surface (PAC)	Marché de niche

Rappels physiques

• Éolien : $P = \tfrac{1}{2}\rho A v^3$, Betz $\eta_{max} = 59\%$.
• PV : $P_c = G \cdot A \cdot \eta_{cell}$, référence STC 1000 W/m² à 25 °C.
• Solaire thermique : rendement 60-80 %, capteurs plans ou à tubes sous vide.
• Hydraulique : $P = \eta \rho g Q H$.
• Biomasse : PCI bois plaquettes ~3 500 kWh/tonne.
• Géothermie : gradient géothermique moyen 30 °C/km.

Facteurs de charge

Ratio production réelle / production max théorique :

• PV France : 12-15 %.
• Éolien terrestre : 24-27 %.
• Éolien offshore : 40-50 %.
• Hydraulique fil de l'eau : 40-60 %.
• Nucléaire : 65-75 %.

Intermittence et stockage

• Solutions : STEP (station de transfert d'énergie par pompage, 5 GW en FR), batteries lithium (marché émergent, 400 MW sur RTE en 2024), hydrogène (à venir).
• Effacement diffus (loi Brottes 2013, opérateurs Voltalis).
• Flexibilité de la demande : tarifs dynamiques, EV smart charging.

Impact environnemental

• Empreinte carbone/kWh (ADEME) : PV 55 g, éolien 14 g, hydraulique 6 g.
• Enjeux biodiversité : oiseaux/chauves-souris (éoliens), poissons (hydraulique), foncier (PV au sol).
• Recyclage : SOREN (PV), REP éolien via REVER (2024).

Cadre APER 2023

• Définition de zones d'accélération validées par les communes.
• Agrivoltaïsme régulé (décret 2024) : compatibilité agricole obligatoire.
• Ombrières PV sur parkings > 1500 m² : obligation d'installer d'ici 2028.
• Simplification des procédures pour éolien offshore.

Exemple chiffré 1 — éolienne et limite de Betz

Éolienne de diamètre $D = 90$ m, vent $v = 10$ m/s, $\rho = 1{,}225$ kg/m³.

$P_{vent} = \frac{1}{2}\rho S v^3 = \frac{1}{2} \times 1{,}225 \times \frac{\pi \times 90^2}{4} \times 1\,000 = 3{,}90\ \text{MW}$

Limite de Betz : $P_{max} = 0{,}593 \times 3{,}90 = 2{,}31$ MW. Avec $C_p = 0{,}45$ réel : $P = 1{,}75$ MW. La puissance varie en $v^3$ : passer de 10 à 12 m/s multiplie la production par $1{,}2^3 = 1{,}73$.

Exemple chiffré 2 — solaire thermique

Capteur plan 4 m², rendement optique 0,78, ensoleillement 800 W/m², pertes 4 W/m²/K, écart de température 40 K :

$\eta = 0{,}78 - \frac{4 \times 40}{800} = 0{,}58 \quad ; \quad P = 0{,}58 \times 4 \times 800 = 1\,856\ \text{W}$

Sur 5 h : 9,3 kWh, soit de quoi porter 200 L d'eau de 15 à 55 °C ($Q = mc\Delta T = 200 \times 4{,}18 \times 40 / 3\,600 = 9{,}3$ kWh). Adéquation parfaite pour un ECS familial.

Exemple chiffré 3 — micro-hydraulique

Débit $Q = 0{,}25$ m³/s, hauteur de chute $H = 12$ m, rendement global 0,75 :

$P = \rho g Q H \eta = 1\,000 \times 9{,}81 \times 0{,}25 \times 12 \times 0{,}75 = 22{,}1\ \text{kW}$

Sur 6 500 h/an : 144 MWh, soit la consommation électrique (hors chauffage) d'environ 55 foyers.

Exemple chiffré 4 — méthanisation

10 000 t/an de lisier et déchets verts, potentiel 100 Nm³ CH₄/t, PCI du méthane 9,94 kWh/Nm³ :

$E = 10\,000 \times 100 \times 9{,}94 = 9{,}94\ \text{GWh/an}$

En cogénération (35 % élec, 45 % thermique) : 3,5 GWh électriques + 4,5 GWh de chaleur valorisable.

Points-clés à retenir

• Chaque filière a une formule maîtresse : $\frac12\rho S v^3$ (éolien), $\rho g Q H$ (hydraulique), $\eta S G$ (solaire).
• Betz (59,3 %) est une limite physique indépassable, indépendante de la technologie de la machine.
• Comparer les filières se fait en énergie annuelle (MWh) et en coût actualisé (LCOE : ~50-60 €/MWh éolien terrestre, 55-75 €/MWh PV au sol en 2025).