La consommation mondiale d'énergie est passée de 194 EJ (exajoules) en 1973 à 418 EJ en 2019, soit une augmentation de 115 % en 46 ans.
Si les tendances économiques, environnementales et politiques actuelles sont maintenues, il est fort probable que cette tendance haussière se consolide dans les années à venir.
Face à cette progression constante des besoins énergétiques globaux, il est impératif de mettre à profit toutes les sources d'énergie, qu'elles soient renouvelables ou non. Quand on sait que les énergies carbonées, principales actrices du mix énergétique mondial à plus de 80 %, sont déjà largement sollicitées, le recours aux sources non exploitées s'impose.
SirEnergies fait le tour d'horizon de ces ressources énergétiques qui n'ont pas encore été exploitées.
Les poudres métalliques, une énergie renouvelable en devenir
L'idée de produire de l'énergie grâce à la combustion de certaines poudres métalliques enchante de plus en plus les scientifiques spécialisés. Si sous leur forme solide et agglomérée, les métaux font de bien mauvais combustibles, les choses changent complètement quand ils sont réduits à l'état de poudre.
L'enjeu principal est de trouver un métal à forte densité énergétique qui se laisse manipuler facilement et de manière sécurisée.
Le fer, un métal très convoité
Un métal en particulier séduit de plus en plus des chercheurs pour ce type d'application : le fer.
La poudre de fer se présente aujourd'hui comme un vecteur d'énergie prometteur dont l'étude plus approfondie pourrait permettre de répondre à certains besoins. Certaines réalisations confortent déjà cette idée.
En octobre 2020 par exemple, des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven aux Pays-Bas ont pu installer avec succès un système de chauffage industriel à base de poudre de fer dans une brasserie du groupe Swinkels Family Brewers. En tant que carburant industriel, cette source d'énergie atypique alimentera annuellement la production moyenne de 15 millions de verres de bière.
Pour les applications industrielles, cette énergie renouvelable attire l'intérêt en raison de son excellente stabilité et de sa capacité à dégager d'énormes quantités de chaleur en brûlant. À grande échelle, cette énergie pourra être utilisée pour la motorisation des grands navires, les moteurs à combustion externes des voitures, le chauffage domestique, le fonctionnement des centrales thermiques et électriques.
La poudre de fer, une ressource abondante
Le fer est l'un des éléments les plus abondants sur Terre. Plus précisément, ce métal est le quatrième le plus abondant dans la croûte terrestre (5 % des roches composant cette couche géologique). Les réserves sont donc assez importantes pour permettre une exploitation sur plusieurs années.
La poudre de fer, une énergie renouvelable
Il faut brûler la poudre pour dégager l'énergie qu'elle contient sous forme de chaleur. On obtient alors de la rouille alors que l'opération ne produit aucune émission de CO2. En tant que ressource énergétique, la poudre possède une empreinte carbone zéro et est recyclable à l'infini.
La rouille obtenue de la combustion peut être transformée à nouveau en grains ferreux, et ainsi de suite. Pour cela, de l'électricité ou de l'hydrogène à très haute température est utilisée pour séparer les atomes d'oxygène de ceux de fer.
L'énergie des vagues
Même si elles ne sont pas encore bien développées, les ressources énergétiques fournies pas les océans possèdent un potentiel très intéressant.
L’énergie houlomotrice ou l'énergie des vagues désigne la conversion de la force du mouvement de la houle (oscillations de l'eau sous l'effet du vent à la surface) en énergie mécanique. L'énergie des vagues est en effet utilisée pour mettre sous pression un fluide hydraulique, ce qui engendre de la puissance mécanique pour actionner les turbines électriques.
La quantité d'énergie obtenue à partir de la houle est toutefois assez faible, 1 W/m²/an. Pour comparaison, l'énergie solaire produit en moyenne 200 Watts/m²/an.
Pour compenser cette faiblesse énergétique, l'immensité de la superficie exposée aux mouvements du vent est un atout dont il faut profiter. D'après le World Energy Council, les ressources en énergie des vagues se situeraient entre 1,3 TW et 2 TW en cas d'exploitation maximale.
Il n'existe pas encore de centrale houlomotrice à grande échelle. Il existe seulement certains projets qui essaient de peaufiner la maîtrise de cette énergie dans la production de l'électricité.
Atténuateurs, caissons flottants, plateformes à déferlement, colonnes d'eau, débordements de chenal sont entre autres des technologies qui sont actuellement peaufinées pour la récupération de cette énergie.
Les coûts financiers et techniques liés à l'exploitation de cette source renouvelable sont très importants pour un rendement relativement petit. Cela explique sans doute que les autorités compétentes ne soient pas très enthousiastes à l'idée développer la filière.
L'énergie thermique des mers
L’énergie thermique des mers encore appelée « Ocean Thermal Energy Conversion » fait partie des énergies marines les moins connues et exploitées. Il s'agit ici de profiter de la différence de température entre les eaux de surface et les eaux de profondeur pour produire de l'électricité. Grâce à un échange de chaleur, de l'énergie électrique peut être obtenue grâce à des ensembles thermoélectriques par le biais de l'effet Seebeck.
Les centrales maréthermiques sont idéalement implantées dans les zones où la profondeur des eaux atteint 1 000 m. Le gradient thermique entre les eaux de surface et profondes doit également équivaloir au minimum à 20 degrés Celsius.
Ces conditions ne sont rencontrées que dans les zones intertropicales. Pour la grande majorité, les projets en la matière ne sont encore qu'à l'étape de recherche et développement. Des pays comme le Japon, la France, la Chine ou encore les États-Unis se positionnent peu à peu pour démocratiser l'utilisation future de l'énergie thermique des mers.
En plus de proposer un bilan écologique honorable, cette énergie marine est prévisible et disponible de manière permanente durant toute l'année dans les zones concernées. En mer, ce sont près de 60 millions de kilomètres carrés qui sont exploitables. Le même problème de faible rendement énergétique se pose cependant ici, la production d'électricité associée entraîne ainsi des coûts assez élevés.
L’énergie osmotique
Encore appelée énergie de dilution, l'énergie osmotique est obtenue en tirant profit de la différence de potentiel salin entre de l'eau douce et de l'eau de mer. Les deux qualités d'eau sont séparées par une membrane semi-perméable pour permettre l'osmose, c'est-à-dire le déplacement d'atomes/d'ions d'un milieu à l'autre.
Dans le cadre d'une osmose à pression retardée, cela engendre une pression qui transmet à l'eau une énergie conséquente (équivalente à une chute d'eau de 120 m au niveau d'un barrage hydroélectrique). Ceci permet d'actionner une turbine qui produira de l'électricité.
On distingue aussi l'électrodialyse inversée qui fait charger positivement une solution et négativement l'autre, pour générer un courant électrique grâce à la différence de charge.
L'énergie de dilution est exploitable à toutes les embouchures de fleuves même si des investissements techniques considérables sont à réaliser. Elle est non intermittente, permet une production continue de l'électricité et dispose d'une empreinte carbone nulle.
Pour utiliser l'énergie de dilution pour des applications industrielles, les recherches sont toujours en cours pour améliorer les performances des membranes osmotiques. Il faudrait idéalement atteindre une production de 3 MW d'électricité avec 1 m² de membrane.
Potentiellement, c'est environ 1 700 TWh qui peuvent être produits annuellement pour une exploitation mondiale optimale de la ressource. Pour voir se développer la filière, les recherches devront également se concentrer sur l'optimisation des rendements de cette énergie renouvelable qui restent très bas.
Des alternatives au niveau de l'énergie nucléaire
La maîtrise de l’énergie nucléaire date déjà de plusieurs années. Elle représentait d'ailleurs 5 % de la production énergétique mondiale en 2019. Pour la produire, deux procédés peuvent être utilisés : la fission nucléaire ou la fusion nucléaire. Au niveau des deux modes, toutes les possibilités n'ont toutefois pas été complètement explorées.
L'énergie nucléaire à base de thorium
De manière habituelle, ce sont l'uranium 235 ou du plutonium 239 qui sont utilisés au niveau des centrales nucléaires. La réaction de fission consiste à casser ces noyaux lourds grâce à l'impact d'un neutron.
L'énergie de liaison des constituants du noyau se libère alors sous forme de chaleur, qui est ensuite transformée à près de 40 % en électricité. Depuis de nombreuses années, le thorium est un nouvel élément qui attire l'intérêt de plusieurs chercheurs pour les réactions nucléaires de fission.
La filière thorium pourrait connaître un réel développement d'ici 2025 avec une augmentation significative du nombre de centrales nucléaires spécialisées. En effet, les tests menés aux États-Unis, en France ou au Japon sur son exploitation par des réacteurs nucléaires à sels fondus donnent des résultats intéressants.
Son cycle ne libère pas de gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs. Quatre fois plus abondant que l'uranium sur Terre, ce combustible nucléaire permettrait alors une exploitation durable. Les investissements financiers et techniques impliqués sont toutefois plus importants.
De l'énergie à base de fusion nucléaire
La fusion est la réaction qui alimente les étoiles, le Soleil en l'occurrence, en énergie grâce à la liaison forte de deux noyaux d'hydrogène en noyaux d'hélium. Pour les chercheurs, l'idée ici est de contrôler la fusion de deux noyaux légers de deutérium et de tritium.
Pour cela, il est possible d'utiliser une réaction lente par confinement magnétique ou une réaction rapide par confinement inertiel au laser. Tous les projets sont au stade de recherche même si la production industrielle d'électricité par fusion nucléaire est envisagée depuis une cinquantaine d'années.
Il faut savoir que, même si l'énergie générée est colossale, elle ne peut actuellement être contrôlée pour une grande période. Par exemple, le tokamak supraconducteur expérimental avancé chinois a pu générer du plasma à une température de 100 millions durant 1 056 secondes le 30 décembre 2021, un record mondial en la matière. Il faudra énormément du temps pour mieux penser les infrastructures nécessaires pour contrôler efficacement la réaction à des fins de production d'électricité.
Il faudra compter au moins un demi-siècle pour que la fusion nucléaire devienne une source pleinement exploitable. Une chose est sûre, le jour où la stabilité de la fusion pourra être maintenue sur une longue période, les problèmes énergétiques de la Terre seront un lointain souvenir. Propre, illimitée et incroyablement puissante, l'énergie nucléaire à base de fusion a tout de la ressource énergétique parfaite.
Utilisation de la bioluminescence de certains êtres vivants, piézoélectricité, géothermie, fusion nucléaire, énergie osmotique… Les sources inexploitées ou très peu exploitées sur Terre existent bel et bien. Les investissements en recherche et développement de la part des grandes puissances mondiales pour les maîtriser complètement sont vivement à encourager. À terme, ils permettront d'améliorer la diversité du mix énergétique mondial afin de préserver les ressources qui doivent l'être.
Pour aller plus loin, n'hésitez pas à consulter notre article sur Les Smart Grids et l'énergie de demain.
