Énergie renouvelable

Les énergies renouvelables (EnR en abrégé) sont des sources d'énergie dont le renouvellement naturel est assez rapide pour qu'elles puissent être considérées comme inépuisables à l'échelle du temps humain. Elles proviennent de phénomènes naturels cycliques ou constants induits par les astres : le Soleil essentiellement pour la chaleur et la lumière qu'il génère, mais aussi l'attraction de la Lune (marées) et la chaleur générée par la Terre (géothermie). Leur caractère renouvelable dépend d'une part de la vitesse à laquelle la source est consommée, et d'autre part de la vitesse à laquelle elle se renouvelle.

L'expression « énergie renouvelable » est la forme courte et usuelle des expressions « sources d'énergie renouvelables » ou « énergies d'origine renouvelable » qui sont plus correctes d'un point de vue de la physique.

La part des énergies renouvelables dans la consommation finale mondiale d’énergie était estimée en 2017 à 18,1 %, dont 7,5 % de biomasse traditionnelle (bois, déchets agricoles, etc.) et 10,6 % d'énergies renouvelables « modernes » : 4,2 % de chaleur produite par les énergies renouvelables thermiques (biomasse, géothermie, solaire), 3,6 % d'hydroélectricité, 2 % pour les autres renouvelables électriques (éolien, solaire, géothermie, biomasse, biogaz) et 1 % pour les biocarburants; leur part dans la production d'électricité était estimée en 2018 à 26,2 %.

L'énergie solaire, l'énergie éolienne et la biomasse sont trois types d'énergies renouvelables.

Éléments de définitions

Le Soleil est la principale source des différentes formes d'énergies renouvelables : son rayonnement est le vecteur de transport de l'énergie utilisable (directement ou indirectement) lors de la photosynthèse, ou lors du cycle de l'eau (qui permet l'hydroélectricité) et l'énergie des vagues (énergie houlomotrice), la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans (énergie thermique des mers) ou encore la diffusion ionique provoquée par l’arrivée d’eau douce dans l’eau de mer (énergie osmotique). Cette énergie solaire alliée à la rotation de la Terre est à l'origine des vents (énergie éolienne) et des courants marins (énergie hydrolienne).

La chaleur interne de la Terre (géothermie) est assimilée à une forme d'énergie renouvelable, et le système Terre-Lune engendre les marées des océans et des mers permettant la mise en valeur de l'énergie marémotrice.

L'énergie solaire comme la chaleur interne de la Terre proviennent de réactions nucléaires (fusion nucléaire dans le cas du Soleil, fission nucléaire dans celui de la chaleur interne de la Terre).

Les combustibles fossiles ou minéraux (matériaux fissiles) ne sont pas des sources d'énergie renouvelables, les ressources étant consommées à une vitesse bien supérieure à la vitesse à laquelle celles-ci sont naturellement créées ou disponibles.

L'expression « énergies renouvelables et de récupération » (EnR&R) est parfois utilisée lorsque l'on ajoute aux énergies renouvelables la valorisation de la chaleur produite par différentes activités productives[1].

Histoire

Utilisation de différents types d'énergie renouvelable
Énergie éolienne : Navire égyptien, vers
Énergie issue de la biomasse : Production de feu par friction du bois à l'aide d'un archet
Énergie issue de la biomasse : Travail du sol avec bœufs de trait en Zambie
Énergie hydraulique : Moulin à eau

Pendant la plus grande partie de son histoire, l'humanité n'a disposé que d'énergies renouvelables pour couvrir ses besoins énergétiques. Au Paléolithique, les seules énergies disponibles étaient la force musculaire humaine et l'énergie de la biomasse utilisable grâce au feu ; mais de nombreux progrès ont permis d'utiliser ces énergies avec une efficacité grandissante (inventions d'outils de plus en plus performants).

Le progrès le plus significatif a été l'invention de la traction animale, qui est survenue plus tard que la domestication des animaux. On estime que l'homme a commencé à atteler des bovins à des araires ou des véhicules à roues durant le IVe millénaire av. J.-C. Ces techniques inventées dans l'ancien croissant fertile ou en Ukraine, ont par la suite connu un développement mondial[2].

L'invention du voilier a été un progrès important pour le développement des échanges commerciaux dans le monde.

Celle des moulins à eau et à vent a également apporté une énergie supplémentaire considérable. Fernand Braudel qualifie de « première révolution mécanique » l'introduction progressive, du XIe siècle au XIIIe siècle, des moulins à eau et à vent : « ces « moteurs primaires » sont sans doute de modique puissance, de 2 à 5 HP[n 1] pour une roue à eau, parfois 5, au plus 10 pour les ailes d'un moulin à vent. Mais, dans une économie mal fournie en énergie, ils représentent un surcroît de puissance considérable. Plus ancien, le moulin à eau a une importance bien supérieure à celle de l'éolienne. Il ne dépend pas des irrégularités du vent, mais de l'eau, en gros moins capricieuse. Il est plus largement diffusé, en raison de son ancienneté, de la multiplicité des fleuves et rivières, ... »[3].

À la fin du XVIIIe siècle, à la veille de la révolution industrielle, la quasi-totalité des besoins d'énergie de l'humanité était encore assurée par des énergies renouvelables. Dans un essai d'évaluation de la répartition des consommations par source d'énergie, Fernand Braudel estime à plus de 50 % la part de la traction animale, environ 25 % celle du bois, 10 à 15 % celle des moulins à eau, 5 % celle de la force humaine et un peu plus de 1 % celle du vent pour la marine marchande ; il renonce à chiffrer la part des moulins à vent, faute de données, tout en précisant : « les éoliennes, moins nombreuses que les roues hydrauliques, ne peuvent représenter que le quart ou le tiers de la puissance des eaux disciplinées »[3]. On peut donc, évaluer la part totale de l'énergie éolienne (voile + moulins à vent) entre 3 et 5 %. Il mentionne pour mémoire la batellerie fluviale, la marine de guerre, le charbon de bois et de terre.

L'apparition de la machine à vapeur, puis du moteur Diesel, ont entraîné le déclin des moulins à eau et de l'énergie éolienne au XIXe siècle ; les moulins à eau et à vent ont disparu, remplacés par les minoteries industrielles. L'énergie hydraulique a connu un nouvel âge d'or avec l'hydroélectricité, apparue en Suisse, Italie, France et États-Unis à la fin du XIXe siècle.

Au XIXe siècle, François de Larderel met au point, en Italie, les techniques d'utilisation de la géothermie.

Dans les années 1910, les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent en Californie. En 1911, la première centrale géothermique est construite à Larderello.

Au milieu du XXe siècle, l'énergie éolienne n'était plus utilisée que pour la navigation de plaisance et pour le pompage (agriculture, polders).

Puis, les éoliennes sont réapparues, bénéficiant de techniques plus performantes issues de l'aviation ; leur développement a pris de l'ampleur à partir des années 1990. Le solaire thermique et le solaire photovoltaïque se développent au début des années 2000. Sous l'effet des progrès technologiques et des économies d'échelle liées aux volumes croissants installés, les fillières de production d'énergie renouvelable, encore émergentes au début des années 2000, voient leurs coûts évoluer rapidement.

Depuis la fin du XXe siècle, en réponse à un début de raréfaction du pétrole[4],[5], aux impacts climatiques et sanitaires négatifs des énergies carbonées[6], ainsi qu'aux accidents nucléaires de Tchernobyl[7] et Fukushima[8],[9],[10],[11] et aux controverses sur le traitement des déchets du nucléaire[7],[9],[12], une réorientation mondiale vers les énergies renouvelables est constatée[13].

Aperçu général

En 2017, la part des énergies renouvelables dans la consommation finale mondiale d’énergie était estimée à 18,1 %, dont 7,5 % de biomasse traditionnelle (bois, déchets agricoles, etc.) et 10,6 % d'énergies renouvelables « modernes » : 4,2 % de chaleur produite par les énergies renouvelables thermiques (biomasse, géothermie, solaire), 3,6 % d'hydroélectricité, 2 % pour les autres renouvelables électriques (éolien, solaire, géothermie, biomasse, biogaz) et 1 % pour les biocarburants[14].

Dans le secteur de l'électricité, la part globale en 2018 était de 26,2 %, l'hydroélectricité ayant la plus grande part avec 15,8 %[14]. La part des énergies renouvelables dans la consommation d'énergie primaire, dans laquelle les énergies renouvelables ont tendance à être sous-représentées en raison de la méthode de calcul appliquée (voir bilan énergétique), était de 13,7 % en 2016[15].

Afin de rattraper le retard pris par rapport aux objectifs de Rio de Janeiro et Kyoto, l'ONU a proposé en 2011 comme objectif de produire 30 % de l'énergie utilisée en 2030 grâce à des énergies renouvelables, contre 13 % en 2010[16]. Différents types d’énergies renouvelables existent :

Énergie solaire

Énergie solaire
Répartition de l'énergie solaire moyenne reçue au sol.
Énergie solaire thermique : Chauffe-eau solaire
Énergie solaire thermodynamique : Centrale solaire d'Ivanpah
Énergie solaire photovoltaïque : Panneaux solaires intégrés en toiture

Deux grandes familles d'utilisation de l'énergie solaire se distinguent :

  • l'énergie solaire thermique, utilisation de la chaleur transmise par rayonnement ;
  • l'énergie photovoltaïque, utilisation du rayonnement lui-même pour produire de l'électricité.

Énergie solaire thermique

L'énergie solaire thermique est connue depuis très longtemps et est utilisée par exemple, pour chauffer ou sécher des objets en les exposant au soleil.

L'énergie thermique peut être utilisée directement ou indirectement :

L'énergie solaire thermique peut également être utilisée pour la cuisine. Apparue dans les années 1970, la cuisine solaire consiste à préparer des plats à l'aide d'un cuiseur ou d'un four solaire. Les petits fours solaires permettent des températures de cuisson de l'ordre des 150 °C, les paraboles solaires permettent de faire les mêmes plats qu'une cuisinière classique à gaz ou électrique.

Énergie photovoltaïque

L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire grâce à des panneaux ou des centrales solaires photovoltaïques. L’énergie photovoltaïque se base sur l’effet photoélectrique pour créer un courant électrique. En fonction des technologies, un système photovoltaïque produit entre 20 et 40 fois plus d'énergie tout au long de son fonctionnement (équivalent primaire) que ce qui a été utilisé pour le fabriquer[17].

Énergie éolienne

Moulins à vent.

L’énergie éolienne consiste à utiliser l’énergie mécanique des déplacements de masse d’air à l’intérieur de l’atmosphère.

L’énergie éolienne a été exploitée dès l’Antiquité, à l’aide de voiliers comme en témoigne la « barque solaire » de Khéops. L’énergie éolienne a aussi été exploitée à l’aide de moulins à vent équipés de pales en forme de voile, comme ceux que l’on peut voir aux Pays-Bas, ou encore, ceux mentionnés dans Don Quichotte. Ces moulins utilisent l’énergie mécanique pour actionner différents équipements. Les meuniers utilisent des moulins pour faire tourner une meule à grains.

Aujourd’hui, ce sont les éoliennes qui prennent la place des moulins à vent. Les éoliennes transforment l’énergie mécanique en énergie électrique.

Énergie hydraulique

Un moulin à eau.

Les énergies hydrauliques (à l'exception de l'énergie marémotrice) ont leur origine principale dans les phénomènes météorologiques et donc à l'énergie solaire. Le soleil provoque l'évaporation de l’eau, principalement dans les océans et en libère une partie sur les continents à des altitudes variables. On parle du cycle de l'eau pour décrire ces mouvements. L’eau (en fait, la vapeur d'eau) acquiert, en altitude, une énergie potentielle de pesanteur ; lorsque l'eau tombe, une partie de cette énergie peut être captée et transformée dans des barrages hydroélectriques, lors du retour de l’eau vers les océans. Avant l’avènement de l’électricité, les moulins à eau permettaient de capter cette énergie mécanique pour entraîner des machines ou des outils (machines à tisser, moulins à moudre le blé, etc.).

Depuis l’invention de l’électricité, l'énergie mécanique peut être transformée en énergie électrique. D'autres énergies hydrauliques existent et proviennent généralement de sources marines :

Énergie des vagues

Elle est produite par le mouvement des vagues et peut être captée par des dispositifs tels le Pelamis, sorte de ver en métal articulé, ou encore le Searev.

Énergie marémotrice

L'énergie marémotrice est produite par le mouvement de l’eau créé par les marées (variations du niveau de la mer).

Énergie hydrolienne

Elle est issue de l'utilisation des courants sous-marins (dont ceux de marée).

Énergie thermique des mers

La thalassothermie est la récupération directe de l'énergie thermique de l'eau au moyen d'une pompe à chaleur pour réchauffer par exemple un circuit de chauffage urbain[18].

La différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes (une source chaude, une source froide) permet d'appliquer le cycle de Carnot pour produire de l'énergie mécanique puis de l'énergie électrique.

Énergie osmotique

Elle a pour origine la diffusion ionique qui a lieu lors de l’arrivée et du mélange d’eau douce dans l’eau salée de la mer[19] et elle consiste à tirer parti du phénomène d'osmose qui se produit lors du mélange d'eau de mer et d'eau douce (grâce à leur salinité différente). La première centrale osmotique a été ouverte en 2009 à Hurum en Norvège par la société Statkraft à l'embouchure du Fjord d'Oslo au bord de la Mer du Nord.

Biomasse

L'énergie tirée de la biomasse provient, indirectement, de l’énergie solaire stockée sous forme organique grâce à la photosynthèse. Elle est exploitée par combustion ou métabolisation. Cette énergie est renouvelable à condition que les quantités brûlées n’excèdent pas les quantités produites ; cette condition n'est pas toujours remplie. Le bilan environnemental est un souci majeur lié à l'utilisation de l'énergie récupérée.

Jusqu'au XVIIIe siècle, la biomasse était la principale ressource énergétique utilisée par l'humanité, en particulier sous forme de bois ; c'est encore aujourd'hui, et de loin, la principale énergie renouvelable. Mais cette ressource produit de nombreux polluants et a l'inconvénient majeur d'exiger des surfaces considérables pour sa production, du fait de la faible efficacité énergétique de la photosynthèse : 3 à 6 %[20] contre, par exemple, 14 à 16 % pour une cellule photovoltaïque en silicium monocristallin[21] ; en outre, sa production sous forme de biocarburants entre en conflit avec la production vivrière. Les biocarburants ont un impact environnemental et social contesté (concurrence avec la production alimentaire, dépenses énergétiques très importantes pour le transport et la transformation des matières premières).

Énergie géothermique

Le principe consiste à extraire l’énergie géothermique contenue dans le sol pour l’utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité. Dans les couches profondes, la chaleur de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches du noyau et de la croûte terrestre issue de l’énergie nucléaire produite par la désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium[22]. Pour autant, la géothermie comporte aussi des risques au niveau humain. Les techniques évoluent et permettent de chercher la chaleur à de plus grandes profondeurs. La modification des pressions dans les sous-sols a un impact sur l'activité sismique. La fréquence des tremblements de terre mais aussi leur puissance peut être augmentée à cause de l'exploitation de cette énergie[23]. Contrairement à d’autres énergies renouvelables, la géothermie profonde ne dépend pas des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent).

La géothermie très basse énergie exploite la chaleur de la couche superficielle du sol, qui provient, non pas des profondeurs de la croûte terrestre, mais du soleil et du ruissellement de l'eau de pluie ; elle est utilisée pour :

  • la climatisation passive avec par exemple, le système de l'échangeur air-sol ;
  • le chauffage et la climatisation avec la pompe à chaleur géothermique ; ces pompes à chaleur exploitent une énergie partiellement renouvelable car une partie de l’énergie qu’elles fournissent provient de l'énergie solaire emmagasinée chaque été dans la terre par le soleil, et comme des systèmes efficaces de production de chaleur car elles assurent une production d’énergie thermique supérieure à l’énergie électrique consommée.

Avantages escomptés

La civilisation moderne est très dépendante de l'énergie et spécialement des énergies non renouvelables, qui s'épuiseront tôt ou tard. Passer d'une ressource actuellement non renouvelable à une ressource renouvelable peut signifier passer d'énergies dites « carbonées » (pétrole, gaz naturel, charbon) ou jugées dangereuses (nucléaire) à des énergies propres et sûres, telles que notamment l'énergie solaire (thermique ou photovoltaïque), éolienne, hydraulique, géothermique et marémotrice[24]. Les avantages recherchés sont notamment :

Réduction des émissions de gaz à effet de serre

La combustion d'énergie fossiles génère de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2). L'effet de serre d'origine humaine est principalement causé par l'augmentation de la consommation de combustibles fossiles[26]. Comme les énergies renouvelables émettent généralement des quantités nettement inférieures de gaz à effet de serre, de nombreux pays dans le monde encouragent leur développement[27]. Avec le développement des énergies renouvelables et les économies de combustibles fossiles qui en découlent, les émissions de dioxyde de carbone causées par l'activité humaine doivent être réduites[28].

Les gaz à effet de serre émis par les EnR le sont principalement lors de la production et, dans une moindre mesure, lors du transport des matériaux, puisque le mix énergétique actuel repose encore principalement sur l'énergie provenant de combustibles fossiles à cette fin. Toutefois, ces émissions sont amorties plusieurs fois au cours du cycle de vie, de sorte qu'il en résulte une économie nette de gaz à effet de serre.

Un cas particulier est la bioénergie, lorsque la production des combustibles utilisés nécessite de mettre de nouvelles terres en culture. Le brûlage de la forêt primaire pour les surfaces cultivées de soja ou palmier à huile et le recours à des intrants qui dégagent eux-mêmes des gaz à effet de serre (protoxyde d'azote) peuvent réduire les avantages de ce type d'énergie pour le climat. Une analyse du cycle de vie permet de déterminer si les avantages écologiques escomptés sont réels dans chaque cas[29]. Le bilan carbone des biocarburants est souvent moins bon que celui des énergies fossiles (cf. Bilan carbone, économies énergétiques et émission de gaz à effet de serre des biocarburants).

Nature finie des sources d'énergie non renouvelable

L'épuisement des ressources non renouvelables (telles que les combustibles fossiles et nucléaires) est un problème non résolu dans l'histoire de la pensée économique[30]. Ces ressources, disponibles seulement pour une durée limitée, ont joué un rôle central dans l'industrie énergétique[31],[32]. Indépendamment d'autres aspects tels que le changement climatique, une transition à long terme vers d'autres types d'approvisionnement énergétique, comme les énergies renouvelables, semble inévitable[33].

Selon l'historien économique anglais Edward Anthony Wrigley, l'humanité est dans une phase où de nouvelles solutions doivent être trouvées. L'accès aux sources d'énergie fossiles a apporté une prospérité sans précédent à trois continents et en modifie rapidement deux autres. Comme il s'agit de biens de consommation, ils sont en voie d'épuisement. Si l'étendue des ressources en charbon, en pétrole et en gaz fait l'objet de nombreuses études et reste pour l'instant incertaine, il est peu probable qu'elles durent plus de deux ou trois générations pour répondre aux besoins énergétiques futurs, surtout si ceux-ci continuent à augmenter. La dépendance continue aux combustibles fossiles conduirait à une catastrophe[34].

Avantages en termes géopolitiques et de sécurité

Les énergies renouvelables, lorsqu'elles se substituent aux énergies fossiles ou à l'énergie nucléaire, favorisent l'indépendance énergétique des pays ne disposant pas de ressources fossiles ou fissiles. Cela se traduit par :

  • une plus grande indépendance économique et politique vis-à-vis des pays exportateurs de combustibles fossiles ou d'uranium[35] : l'insécurité énergétique ainsi que la tendance à la hausse des prix des combustibles fossiles sont considérées comme une menace majeure pour la stabilité politique et économique des pays importateurs[36],[37],[38] ; mais de nouvelles dépendances s'installent : en mai 2017, Solarworld, le dernier gros fabricant allemand de panneaux photovoltaïques, a annoncé son dépôt de bilan[39] ; en 2018, sur les dix plus grands producteurs de modules photovoltaïques, huit sont chinois, un coréen et un américain[40] ; selon le gouvernement américain, la Chine produit 60 % des cellules photovoltaïques et 71 % des panneaux solaires dans le monde[41] ;
  • l'évitement de conflits liés aux ressources[42] (la guerre d'Irak est souvent considérée comme ayant été en partie motivée par les ressources pétrolières du pays[43]) et de dépenses pour sécuriser des sites d'extraction d'uranium (déploiement de commandos français au Niger[44]) ;
  • la réduction des risques économiques liés aux pénuries d'énergie, voire à une crise énergétique (comme les premier et deuxième chocs pétroliers) grâce à des sources d'énergie primaire abondantes. Ainsi c'est dans le contexte de la crise du pétrole qu'aux États-Unis un mouvement a émergé dans le but de changer le système énergétique et de développer les sources d'énergie renouvelables. En 1976, le physicien américain Amory B. Lovins a inventé le terme « Soft Energy Path », décrivant une manière de s'éloigner progressivement d'un système énergétique centralisé basé sur les combustibles fossiles et nucléaires pour se tourner vers l'efficacité énergétique et les sources d'énergie renouvelables, pour finalement les remplacer complètement[45],[46],[47].

Amélioration de la santé publique

Nombre de problèmes sanitaires et environnementaux peuvent être grandement atténués voir éliminés par l'utilisation à grande échelle des énergies renouvelables d'origine éolienne, hydraulique et solaire[48]. Le fait d'éviter les dommages à la santé peut, dans certains cas, plus que compenser les coûts d'une politique climatique. Des recherches menées pour les États-Unis ont montré que les avantages économiques pour la santé résultant du remplacement de l'énergie d'origine fossile dépassaient d'environ 60 % les subventions à l'énergie éolienne. En outre, contrairement à l'atténuation du changement climatique, qui est mondial et n'a qu'un effet à long terme, le bénéfice pour la santé d'une réduction de la pollution de l'air a un effet local et à court terme[49].

Autres avantages escomptés

  • La sûreté (faible risque d'accident, faibles conséquences d'un éventuel accident, etc.).
  • La propreté (peu, voire pas du tout de déchets, peu dangereux et facile à gérer : recyclables, par exemple) de certaines technologies d'énergie renouvelables.
  • Pas de déchets radioactifs ou d'autre danger inhérent à la production d'énergie nucléaire[50].
  • Pas de destruction ou de pollution de l'environnement liée à l'extraction de sources d'énergies fossiles[51],[52].
  • L'énergie solaire photovoltaïque ou thermique peut servir de recours en été lorsque l'eau des fleuves ne suffit plus à refroidir les centrales conventionnelles, qui doivent alors être ralenties ou arrêtées, ou à alimenter les centrales hydroélectriques. Ces situations sont de plus en plus fréquentes en raison du réchauffement climatique, qui entraine la baisse du niveau de nombreux cours d'eau et une augmentation de leur température[53],[54].

Contraintes et limites

Gestion de l'intermittence et stockage

Carte mondiale de la vitesse du vent à 100 m au-dessus de la surface[55].

L'énergie solaire et ses dérivés (vent, chute d'eau, marémotrices, hydroliennes liées aux courants, etc.), sont presque toujours intermittents. Ainsi les sources d'énergie intermittentes sont les sources de production d'énergie renouvelable correspondant à des flux naturels, qui ne sont pas disponibles en permanence et dont la disponibilité varie fortement sans possibilité de contrôle. Certaines de ces sources d'énergie ont des variations régulières, comme l'énergie marémotrice et (partiellement) l'énergie solaire, d'autres sont moins régulières, comme l'énergie éolienne.

Le stockage est nécessaire pour valoriser avec efficacité les énergies renouvelables et propres lorsqu'elles sont intermittentes, telles que l'énergie éolienne et l'énergie solaire. Le stockage de l'énergie consiste à mettre en réserve une quantité d'énergie provenant d'une source en un lieu donné, sous une forme aisément utilisable, pour une utilisation ultérieure. Des moyens différents sont nécessaires selon la taille du système : petits stockages délocalisés (1 à 100 kW), stockages semi-massifs ou régionaux (1 MW à 1 GW) et systèmes massifs et centralisés (plusieurs gigawatts)[56]. Les analyses menées dans le cadre d’études de scénarios ou les EnR deviennent prépondérantes (ADEME[57], Agora Energiewende[58]) démontrent que le besoin de flexibilité, et en particulier de stockage d’électricité, augmente de manière non linéaire avec le taux de pénétration des EnR[59].

Un réseau électrique intelligent est un réseau de distribution d'électricité qui favorise la circulation d’information entre les fournisseurs et les consommateurs afin d’ajuster le flux d’électricité en temps réel et permettre une gestion plus efficace du réseau électrique. Les smart grids utilisent des technologies informatiques pour optimiser la production, la distribution, la consommation, et éventuellement le stockage de l'énergie afin de coordonner l'ensemble des mailles du réseau électrique, du producteur au consommateur final[60]. Un réseau interconnecté à échelle continentale de type smart grid permettrait de réduire les aléas de production et de consommation, grâce à la multiplication des sources de production disponibles et au recouvrement de plages horaires d'utilisation différentes[56] ; le problème de l'intermittence deviendrait ainsi moins critique (voir Débat sur l'énergie éolienne)[56].

L'utilisation locale d'énergies renouvelables produites in situ diminue les appels aux systèmes de distribution de l'électricité, mais au-delà d'un seuil (25 à 30 % de la production environ en zone insulaire faute d'interconnexion[56]) augmente la difficulté pour gérer l'intermittence ou les surplus de production. Selon le Syndicat des énergies renouvelables, l'obligation imposée aux installations EnR dans les zones non interconnectées (si elles dépassent 30 % de la demande d'électricité) de mettre en œuvre des technologies de stockage leur permettant de lisser leur production et de fournir des réserves de puissance, implique une augmentation de leur coût de production de l’ordre de 100 %[61].

Réseaux

Un autre problème est le transport de l'énergie dans le temps et l'espace. Dans les pays industrialisés, les consommateurs et producteurs d'énergie sont presque tous reliés à un réseau électrique, qui peut assurer des échanges d'un bout à l'autre d'un pays ou entre pays, mais avec des pertes plus importantes sur les longues distances, qu'on peut réduire avec les nouvelles CCHT (lignes à courant continu à haute tension). Il est également nécessaire de gérer la répartition des flux d'énergie dans le temps pour éviter des congestions et équilibrer au mieux le système offre/demande en électricité ou autre forme d'énergie. De nouveaux défis se posent avec par exemple les futurs besoins pour la recharge des véhicules électriques (intermittence et localisations variables)[56].

Ces énergies sont parfois produites loin de leur zone de consommation (en mer par exemple pour l'éolien) ; pour alimenter un réseau, il faut donc combiner le bouquet énergétique, avoir une gestion active de la demande pour tamponner les fluctuations de la production, reporter la consommation de pointe vers les heures creuses, et compenser les « creux de production » en associant des sources complémentaires ou des moyens de stockage suffisants, de l'amont à l'aval de la filière, c'est-à-dire du producteur au consommateur, en utilisant éventuellement le réseau de distribution (réseau de gaz par exemple) comme « tampon » ou en créant des réseaux plus large d'échange (différents de l'ancien réseau de distribution).

L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a estimé qu'environ un quart de l'investissement à faire dans les réseaux (de transport d'énergie) de 2010 à 2035 sera lié à la croissance de la production d'électricité d'origine renouvelable[56] (ex. : en Europe, 20 000 km de nouvelles lignes THT nécessaires selon l'Ademe[56], notamment pour intégrer à horizon 2020 le paquet énergie, avec en France au moins 25 000 MW éoliens et 5 400 MW photovoltaïques « crête » prévus : « avec un objectif de 19 GW terrestres, RTE devra investir un milliard d'euros sur dix ans en infrastructures de transport[56] ».

En Allemagne, les gisements de vent, dans le nord du pays, sont géographiquement distants des grands centres de consommation, en particulier le sud industriel gros consommateur. La transition énergétique a donc rendu nécessaire le développement d'un réseau de transport d'électricité à l'échelle du pays. Le plan de développement du réseau, élaboré fin 2014, estime que 7 700 kilomètres sont hautement prioritaires. La BNetzA constatait dans son rapport de mai 2017 que seuls 850 kilomètres de nouvelles lignes avaient été déployés depuis cette date, dont seulement 90 en 2016. La population s’oppose « de façon virulente » au passage des lignes afin de préserver les paysages, car les Länder traversés ne bénéficient souvent ni du courant acheminé ni des revenus associés à la production des EnR[62].

Nuisances et pollutions

La collecte et la combustion de la biomasse peut produire des nuisances (déforestation, réduction de biodiversité, etc.) et des polluants (NOx, suies, dioxinesetc., c'est notamment le cas de la biomasse solide comme le bois)[63],[64].

Selon l'OMS, près de 1,7 million de décès prématurés par an sont attribués à la pollution de l'air intérieur, causée essentiellement par la cuisine en Asie du Sud et de l'Est, l'Inde en particulier, où 700 millions de personnes dépendent des combustibles solides (bois, charbon, déchets végétaux et animaux) et des foyers traditionnels pour cuisiner[65].

Depuis 2007, la filière bois se développe aussi très vite en Grande-Bretagne où les centrales à charbon sont remplacées par des centrales à bois ; ces centrales sont très gourmandes en bois si bien que la Grande-Bretagne est obligée d'en importer, depuis les forêts humides du sud des États-Unis, en Louisiane ou dans le Mississippi, où, les normes étant moins protectrices, les forestiers n'hésitent pas à faire des coupes à blanc sans se préoccuper de la repousse, ni de l'impact sur la biodiversité que ces forêts abritent[66].

Les installations hydroélectriques, outre les destructions provoquées par l'engloutissement d'une vallée, peuvent se rompre (entre 1959 et 1987, trente accidents ont fait 18 000 victimes dans le monde, dont plus de 2 000 morts en Europe[67],[68]), ou provoquer des séismes. Les émissions de gaz à effet de serre (notamment de méthane) peuvent être importantes[69] ; et, en raison de la richesse en mercure des sols (Amazonie...)[70], le développement bactérien dans l'eau peut entrainer la formation de méthylmercure avec des pollutions toxiques en aval[71] (notamment en Amérique du Sud).

Les terres rares utilisées pour la fabrication de certaines éoliennes (néodyme et dysprosium pour les alternateurs de certaines éoliennes en mer)[72] sont sources de pollutions très importantes au niveau de leur extraction[73]. Selon une capacité éolienne en mer projetée pour 2029 à 120 GW dans le monde, le besoin représente moins de 6 % de la production annuelle de néodyme et plus de 30 % de la production annuelle de dysprosium. Dans ce contexte, au moins un manufacturier propose des éoliennes qui n’utilisent pas d’aimants permanents pour une implantation en mer, sachant que des solutions de substitution existent : génératrices asynchrones ou génératrices synchrones sans aimant permanent par exemple[74]. Les technologies solaires photovoltaïques commercialisées en 2019 n’utilisent pas de terres rares[74].

Impact sur le réchauffement climatique

Si les énergies renouvelables peuvent avoir un niveau faible à nul d'émissions de gaz à effet de serre (éolien, solaire...) lors de leur fonctionnement, ou un bilan carbone relativement neutre (combustion au bois compensée par le stockage, à terme, du carbone par les forêts), il faut aussi prendre en compte le cycle de vie des systèmes :

  • Les installations hydroélectriques nécessitent une très grande quantité de béton, matériau à l'impact environnemental important. Les émissions de gaz à effet de serre peuvent également être importantes[69], notamment si les arbres ne sont pas abattus avant la mise en eau.
  • Tous les systèmes nécessitent l'extraction, la fabrication et l'acheminement des matières premières.

Risques pour la faune

La fondation pour la recherche sur la biodiversité (FRB) appelle à ne plus traiter à part les deux nécessités que sont la lutte contre le réchauffement climatique et la préservation de la biodiversité. Une étude dirigée par Alexandros Gasparatos, professeur à l'université de Tokyo, publiée en avril 2017 et traduite par la FRB, analyse, à travers 500 références scientifiques, les rapports compliqués qu'entretiennent énergies renouvelables et biodiversité : oiseaux tués par les éoliennes, déforestation pour alimenter les centrales à bois, centrales hydroélectriques perturbant la migration de certaines espèces de poissons, inondant de vastes zones en amont, fragmentant les habitats et affectant les écosystèmes. Ces impacts doivent être évalués avant de décider des investissements : faut-il par exemple implanter les éoliennes sur les couloirs de migrations des oiseaux ou dans des zones accueillant une forte biodiversité[66] ?

Statistiquement une éolienne tue de 0 à 3 oiseaux par an et un kilomètre de ligne à haute tension en tue plusieurs dizaines par an[75]. De plus il existe un risque pour les chauves-souris[76]. Selon la Fondation pour la recherche sur la biodiversité (FRB), les estimations varient entre 234 000 et 573 000 oiseaux tués annuellement par des éoliennes aux États-Unis. Les chauves-souris seraient plus impactées encore, moins par des collisions que des suites de traumatismes internes, appelés barotraumatismes, associés à des réductions soudaines de pression de l'air à proximité des pales[66]. Les éoliennes à axe vertical, type Savonius hélicoïdales, réduisent le risque de tuer des oiseaux tout en nécessitant un espace plus réduit.

La construction d'un barrage hydroélectrique a des conséquences lourdes : inondation de vallées entières, modification profonde de l'écosystème local. De plus, les barrages hydroélectriques font obstacle à la migration des poissons, ce qui représente un problème pour les fleuves du nord-ouest de l'Amérique du Nord, où les populations de saumons ont été réduites de manière importante. Ce problème a cependant été atténué par la construction de passes à poissons et la réduction des populations est due surtout à d'autres facteurs : surpêche, pollution, mortalité accrue en mer, etc.

Intégration éco-paysagère

Éoliennes dans la campagne allemande.

Un développement significatif des énergies renouvelables aura des effets sur les paysages et le milieu, avec des différences sensibles d'impact écologique ou paysager selon l'installation concernée et selon que le milieu est déjà artificialisé ou que l'aménagement projeté vise un espace encore sauvage. Les impacts paysagers et visuel sont pour partie subjectifs.

La construction des grandes installations (type centrale solaire) a toujours un impact sur le paysage. On cite souvent les grandes éoliennes, et plus rarement les toitures solaires. C'est pourquoi des efforts sont faits pour tenter de mieux intégrer ces installations dans le paysage. Une production décentralisée peut aussi théoriquement diminuer le besoin de pylônes et lignes à haute tension, mais l'expérience des pays déjà largement engagés dans les énergies renouvelables montre qu'elles accroissent les besoins en lignes à haute tension : ainsi, l'Allemagne a besoin de 3 600 km de lignes supplémentaires à 380 kV d'ici à 2025 pour acheminer l'électricité des éoliennes, situées très majoritairement dans le nord du pays, vers les villes du sud[77]. L'essor des éoliennes en mer nécessite d'installer des lignes à haute tension pour les raccorder au réseau ; de plus, les énergies renouvelables ayant un caractère intermittent, il faut développer fortement les interconnexions de telle sorte qu'il soit possible de fournir l'énergie grâce à d'autres moyens de production ; ainsi, la Norvège met à profit les capacités de régulation de ses barrages pour développer massivement ses interconnexions : quatre existent déjà avec le Danemark, mais d'autres sont en discussion avec l'Allemagne, les Pays-Bas, le Royaume-Uni[78]. Les réseaux moyenne tension peuvent être enterrés.

Disponibilité des ressources minières

Les technologies développées pour la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables nécessitent une quantité accrue et plus diversifiée de matières minérales, à quantité d’énergie produite constante, par rapport aux technologies traditionnelles (hydraulique, fossile et nucléaire)[79].

Les technologies renouvelables dépendent de plusieurs métaux fonctionnellement importants, tels que l’argent, l’indium, le tellure, le néodyme, le gallium, et plusieurs terres rares. La littérature scientifique ne s’accorde pas sur la gravité des contraintes d’approvisionnement potentielles de ces matériaux critiques[80]. Néanmoins, ces terres rares sont de moins en moins nécessaires dans la production des équipements d'énergie renouvelables, l'industrie cherchant des substituts : ainsi, les aimants permanents permettent de se passer du dysprosium dans les turbines d'éoliennes, et le nouveau moteur électrique de l'alliance Renault-Nissan ne contient pas de terres rares[81]. Des entreprises de production d'énergie renouvelable ont éliminé totalement les terres rares[82].

Contraintes économiques et organisationnelles

La mise en œuvre concrète se confronte à des contraintes d'environnement et de marché (La logique des fonds de placement n'est pas toujours une logique d'investissement), de gouvernance et au cadre du droit, qui toutes évoluent.

Les agents économiques concernés sont en outre souvent dispersés. Il faut les rassembler et imaginer des conditions d'organisation adaptées : contrats de filière, contrats territoriaux, planification de smart grids adaptés aux ENR, « contrats d'implantation » des unités de production énergétique[83]. La définition des filières et leur organisation se construisent peu à peu et avec l'évolution technique et juridique.

Contraintes environnementales

L’hydroélectricité est sensible aux effets du changement climatique[84]. Dans le contexte du changement climatique, l’AIE recommande aussi (rapport 2013[85],[86]) de mieux préparer le réseau électrique aux événements climatiques : Ainsi, les perturbations liées aux conditions météorologiques, du réseau d'électricité aux États-Unis ont été décuplées de 1992 à 2012. Les événements météorologiques représentent 20 % environ de toutes les perturbations au début des années 1990, mais en représentaient 65 % en 2008[87] ; elle recommande aussi d’améliorer l’efficience des systèmes de climatisation, y compris dans les pays en développement[88].

Aspects économiques

Coûts

Pour la construction de nouvelles centrales de production d'électricité, selon une étude de la banque Lazard, il est devenu plus avantageux de miser sur le solaire et l'éolien, dans presque tous les pays, de l'Europe aux États-Unis, en passant par l'Australie, le Brésil, l'Inde, l'Afrique du Sud et le Japon ; mais ces énergies ne sont pas toujours disponibles immédiatement et restent donc « complémentaires » de la production d'électricité basée sur les énergies fossiles ou le nucléaire[89]. L'AIE considère que dans les pays émergents, les freins au développement sont les barrières réglementaires, les contraintes de réseaux et les conditions microéconomiques, tandis que dans les pays développés le développement rapide des renouvelables conduit à fermer des centrales électriques thermiques[90].

Coût actualisé de production (LCOE) au niveau mondial en 2019 (en dollars US par MWh)
Source Éolien Solaire PV Charbon Gaz en cycle combiné
Éolien terrestre bas | moyen Échelle industrielle bas | moyen Existant | neuf Existant | neuf
BNEF[91] 27 | 47 26 | 51
Lazard[92] 28 | 41 32 | 37 33 | 109 44 | 56
IRENA[93] 44 | 56 58 | 85

En comparaison, le coût de production du nucléaire historique en France est de l’ordre de 30 à 60 euros/MWh ; le chiffre de 60 intègre les coûts de démantèlement et de retraitement du combustible[59]. Le coût de l’EPR de Flamanville est estimé en 2019 à 12,4 milliards d’euros[94] ; pour une puissance de 1 630 MW et un taux d’utilisation de 85 %, le coût de revient serait de 154 euros/MWh[59].

En octobre 2019, Bloomberg New Energy Finance (BNEF) relève que « le prix de l'énergie éolienne et solaire continue de baisser, l'éolien en mer affichant les réductions de coûts les plus impressionnantes et le photovoltaïque solaire et l'éolien terrestre étant désormais aussi bon marché que toute autre source d'énergie en Californie, en Chine et dans certaines régions d'Europe ». L'organisme conclut : « En conséquence, les centrales électriques à combustibles fossiles sont de plus en plus marginalisées sur un certain nombre de marchés, une tendance qui devrait se poursuivre dans les années à venir »[91].

En novembre 2019, selon la banque Lazard, « l'énergie éolienne terrestre et l'énergie solaire à l'échelle industrielle, qui sont devenues compétitives en termes de coûts par rapport à la production conventionnelle il y a plusieurs années sur une base de nouvelle construction, continuent à maintenir leur compétitivité avec le coût marginal des technologies de production conventionnelles existantes »[92].

En mai 2019, l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a publié une étude sur les coûts de 17 000 projets EnR et 9 000 appels d'offres qui a révélé que « dans la plupart des régions du monde aujourd'hui, les énergies renouvelables sont la source de nouvelle production d'électricité la moins coûteuse. À mesure que les coûts des technologies solaires et éoliennes continueront de baisser, cela deviendra le cas dans encore plus de pays. Parmi les projets qui entreront en service en 2020, 77 % des projets d'éolien terrestre et 83 % des projets de grandes centrales photovoltaïques devraient offrir une nouvelle source d'électricité moins coûteuse que l'alternative la moins chère des combustibles fossiles, et ce sans aide financière »[93].

En décembre 2019, le World Nuclear Industry Status Report (WNISR) du militant antinucléaire Mycle Schneider estime que « l’analyse des coûts actualisées de l’énergie (LCOE) pour les États-Unis montre que l’ensemble des coûts de production d’électricité d’origine renouvelable se situe désormais en-dessous de ceux du charbon et du gaz à cycle combiné. Entre 2009 et 2018, les coûts du solaire commercial ont baissé de 88 % et ceux de l’éolien de 69 %, alors que dans le même temps, ceux du nucléaire augmentaient de 23 %[95]. »[96],[97],[98].

Cependant les sources d'énergie intermittentes, telles que l'énergie éolienne et solaire, peuvent entraîner des coûts supplémentaires liés à la nécessité de disposer d'un stockage ou d'une production de secours[99]. Dans certaines régions et certaines périodes, le solaire photovoltaïque peut être très compétitif s'il produit lorsque la demande et les prix sont les plus élevés, comme pendant les pics de la mi-journée en été, observée dans les pays où l'air conditionné est un grand consommateur[100].

Comparer le prix de l'électricité renouvelable et celui d'autres sources implique de prendre en compte les coûts des externalités négatives (dommages causés à autrui ou à l'environnement sans compensation, dont ceux des effets des émissions de gaz à effet de serre ou GES) : en effet, ces coûts ne sont pas intégrés dans la formation des prix de marché ; des tentatives ont été faites pour corriger ce biais du marché, en particulier par le marché du carbone où s'échangent des droits d'émission de GES[101]. La taxe carbone s'est montrée efficace dans les pays où elle a été mise en place (Danemark, Finlande, Suède[102],[103],[104]).

Externalités

Les énergies renouvelables, comme toutes les autres, induisent des externalités, c'est-à-dire des coûts qui sont supportés par des personnes ou entités autres que leurs producteurs.

Une étude publiée en 2014 par deux chercheurs du CIRED pour le débat sur la transition énergétique décrit ces externalités et en tente un premier chiffrage en les répartissant selon les trois enjeux principaux soulevés par l'insertion des EnR intermittentes[105] :

  • l’adaptation à la courbe de charge résiduelle (Adequacy) : des moyens de pointe supplémentaires deviennent nécessaires selon le degré de corrélation entre la demande et le productible EnR en période de pointe ; par exemple, les besoins de moyens de pointe dus à l'éolien pourront dépendre de la possibilité de subir une vague de froid associée à un épisode très peu venteux ;
  • ajustement en temps réel offre-demande (Balancing) : l’accroissement de la variabilité de la demande résiduelle (résultant de la soustraction de la production EnR de la demande brute) et de son incertitude (prévision imparfaite) implique des besoins supérieurs de flexibilité et de réserves ;
  • renforcement des réseaux : au-delà du simple coût de raccordement, les besoins de renforcement des réseaux croissent avec la puissance installée, pour permettre le foisonnement et le maintien de la qualité de la fourniture.

Un quatrième enjeu pourrait prendre de l'importance lorsque les EnR atteindront des taux de pénétration élevés : les déversements[n 2] (pertes de production qui deviendront inévitables pendant les périodes où la production EnR dépassera la demande totale, y compris les possibilités d'exportations) ; il arrive déjà que de telles pertes se produisent au Danemark et en Allemagne[105].

L'étude du CIRED fournit une évaluation, sur la base des études sur les systèmes existants avant 2013, des coûts d'insertion des énergies intermittentes pour un taux de pénétration de 10 à 15 % :

  • pour l'éolien : de l'ordre de 10 /MWh (adequacy 5 /MWh + balancing 2 /MWh + réseau 4 /MWh) ;
  • pour le solaire : de l'ordre de 25 /MWh (adequacy 12 /MWh + balancing 2 /MWh + réseau 10 /MWh).

Pour des taux de pénétration plus élevés, les coûts réseaux seront probablement en forte augmentation, car des renforcements structurants en très haute tension importants deviendront indispensables ; les perspectives de percées technologiques sur les nouvelles technologies de stockage (batteries, hydrogène), encore loin de la compétitivité pour des usages réseau, pourraient à long terme changer ce diagnostic, étant entendu que le coût futur du stockage serait à inclure dans les coûts d’insertion[105].

Le rapport sur les coûts de la décarbonation publié en 2019 par l'Organisation de coopération et de développement économiques et l'Agence pour l'énergie nucléaire (AEN) estime les coûts systèmes liés aux énergies intermittentes (éolien et solaire photovoltaïque) à moins de 10 $/kWh lorsque la part de ces énergies est de 10 %, et à plus de 50 $/kWh, soit près de 100 %, si leur part atteint 75 %[106]. Ces chiffres sont en contradiction avec ceux estimés dans le cadre d’études de scénarios ou les EnR deviennent prépondérantes (ADEME[57], Agora Energiewende[58], Enerpresse[59]).

Financement par le marché

Selon le bilan annuel 2015 commandé par le Programme des Nations unies pour l'environnement, les investissements mondiaux dans les énergies renouvelables ont progressé de 5 % en 2015, à 286 Mds $ (milliards de dollars) (hors grands projets hydroélectriques, estimés à 43 Mds $), dépassant leur précédent record de 278,5 Mds $ atteint en 2011 ; ce record a été obtenu malgré la chute des prix des combustibles fossiles. Les investissements dans les installations de production d'énergies renouvelables ont représenté plus du double de ceux dans les énergies fossiles (charbon et gaz), estimés à 130 Mds $. La part des énergies renouvelables dans la production d'électricité n'est cependant encore que légèrement supérieure à 10 %. Pour la première fois, les investissements des pays en développement et émergents ont dépassé ceux des pays développés : 156 Mds $ (+19 %) contre 130 Mds $ (-8 %) ; la Chine à elle seule a investi 102,9 Mds $ (+17 %), soit 36 % du total mondial, suivie par l'Europe : 48,8 Mds $ (-21 %), les États-Unis : 44,1 Mds $ (+19 %) et l'Inde : 10,2 Mds $ (+22 %)[107],[t 1]. Le solaire arrive en tête avec 161 Mds $ (+12 %), suivi par l'éolien : 109,6 Mds $ (+4 %) ; les autres énergies renouvelables totalisent 15,2 Mds $ et ont toutes connu un fort recul en 2015 ; ainsi, les investissements dans les biocarburants sont tombés à 3,1 Mds $ alors qu'à leur apogée en 2007 ils atteignaient 28,3 Mds $ ; les investissements en biomasse-déchets sont tombés à 6,0 Mds $ contre 18 Mds $ en 2011[t 2].

La maturité du marché des énergies renouvelables est attestée par l'essor des obligations vertes (green bonds en anglais) : alors que les émissions cumulées de ces titres atteignaient 17,4 milliards de dollars fin 2013, plus de 26 Mds $ ont été émis sur les 9 premiers mois de 2014 ; les émissions de 2014 devraient totaliser 40 Mds $ et celle de 2015 près de 100 Mds $. En novembre 2013, EDF a émis 1,4 Mds € dont 550 M€ ont été investis dans neuf parcs éoliens et une installation de biométhanisation situés aux États-Unis, au Canada et en France ; GDF Suez a levé 2,5 Mds € en mai 2014[108].

En octobre 2014, le plus grand gestionnaire d'actifs européen : Amundi et l'électricien EDF ont annoncé un partenariat pour proposer des produits d’épargne investis dans les énergies renouvelables par la création d’une société de gestion commune, qui espère lever 1,5 milliard d’euros auprès d’investisseurs institutionnels et de particuliers dans ses deux premières années d’exercice[109].

L’initiative RE 100, lancée en septembre 2014 lors de la Climate Week de New York, regroupe début décembre 2015 45 grandes entreprises qui se sont engagées à consommer 100 % d’électricité verte en 2020, ou parfois un peu plus tard. Parmi elles, des industriels (Johnson & Johnson, Nestlé, Nike, Philips, Unilever), des banques (Goldman Sachs, Commerzbank, UBS), des distributeurs (Ikea, Marks & Spencer, H&M) et une entreprise française : La Poste. Apple a reçu les félicitations de Greenpeace dans son dernier rapport sur les politiques environnementales des géants du Web, car il atteint un taux de 100 % dans ses centres de données. Google investit également dans des projets d’énergie éolienne ou solaire et se définit d’ores et déjà comme le plus gros acheteur « corporate » d’énergie verte dans le monde. Son campus de Mountain View est alimenté à 100 % par des éoliennes. En 2014, 37 % de l’électricité que le groupe a consommée était d’origine renouvelable, et il s’est publiquement engagé à tripler ses achats d’électricité verte d’ici à 2025. EDF Renouvelables a conclu un contrat avec Google qui s’est engagé à acheter, pendant quinze ans, l’électricité qui sera produite par le parc éolien Great Western, situé dans le nord-ouest de l’Oklahoma (200 MW) ; EDF Renouvelables a aussi conclu des accords similaires avec Microsoft et Procter & Gamble[110].

Achat direct par des entreprises

Les contrats de vente de long terme (power purchase agreement - PPA) entre des producteurs d'électricité renouvelable et de grandes entreprises sont courants aux États-Unis, qui concentrent 60 % de la capacité contractualisée dans le monde fin 2016 (16 GW) ; en Europe, de tels contrats ont été négociés en Grande-Bretagne, aux Pays-Bas, en Suède et en Espagne ; en France, la SNCF et Aéroports de Paris ont lancé des consultations pour des fournitures à prix fixe sur 10 à 20 ans[111].

En 2018, 7,2 GW de nouveaux contrats de long terme ont été signés par des entreprises entre janvier et juillet, contre 5,4 GW pour l'ensemble de l'année 2017 ; les États-Unis restent en tête, avec Facebook (1,1 GW) suivi par AT&T ; en Europe, 1,6 GW ont été signés contre 1,1 GW en 2017, dont les trois quarts par les producteurs d'aluminium Norsk Hydro et Alcoa ; en France, Engie a lancé un appel à candidatures pour vendre de la production renouvelable « dans un cadre hors subventions » à ses clients, via un contrat d'achat de long terme[112].

Subventions aux énergies renouvelables

Certaines énergies renouvelables sont rentables et se sont développées spontanément : énergie hydroélectrique (réserve d'eau et d'énergie potentielle), certaines énergies issues de la biomasse (bois, résidus agricoles, déchets urbains) ; d'autres, dont le coût de production dépasse leur valeur économique ou dont le retour sur investissement est long, n'ont pu démarrer que grâce à des aides ou subventions les rendant rentables pour les investisseurs.

Les systèmes de subventions en cours varient selon le pays et le contexte local, pouvant parfois se superposer, en particulier lorsque plusieurs niveaux de pouvoir politique interviennent :

États-Unis

L'American Reinvestment and Recovery Act (plan de relance de 2009) a accordé un crédit d'impôt sur la production : renewable energy Production Tax Credit (PTC) de 2,3 c$/kWh pendant dix ans[113] ; l'Energy Policy Act de 2005 instituait au niveau fédéral des crédits d'impôt pour les énergies renouvelables, reconduits en 2008 : le renewable energy Investment Tax Credit (ITC), crédit d'impôt de 30 % des investissements dans les systèmes solaires résidentiels et commerciaux, les piles à combustible et le petit éolien (< 100 kW), et de 10 % pour la géothermie, les micro-turbines et les centrales de cogénération de moins de 50 MW, jusqu'au 31/12/2016 ; de plus, une trentaine d'États ont aussi leur programme de soutien sous forme de tarifs d'achat, de subventions ou de quotas[114]. La Californie a accordé dès les années 1980 des déductions fiscales qui ont permis la construction de parcs éoliens tels qu'Altamont Pass (576 MW, 1981-1986).

Australie

Le système de Certificat vert est utilisé. Le programme RET (Renewable Energy Target, Objectif d'énergie renouvelable)[115], institué par des lois de 2000 et 2001, a pour but d'amener la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité australienne à 20 % en 2020, grâce à un système de certificats (Large-scale Generation Certificates et Small-scale Technology Certificates) émis pour chaque MWh d'électricité renouvelable produit par les producteurs d'EnR, qui les vendent aux fournisseurs d'électricité, qui les remettent en fin d'année au Clean Energy Regulator[116] pour attester de leur conformité aux objectifs annuels du programme RET. Ces certificats verts sont également utilisés au Royaume-Uni (ROCs - Renewable Obligation Certificate System), en Suède, en Belgique, en Pologne, ainsi que dans 31 États des États-Unis qui ont institué des quotas d'énergie renouvelable dans l'électricité commercialisée (cf. plus bas : systèmes de quotas).

Europe

Le système de soutien le plus utilisé initialement, à la suite de la mise en place de la Directive 2001/77/EC, est celui des tarifs d'achat réglementés (en anglais : feed-in tariff, c'est-à-dire tarif d'injection [au réseau]) : les fournisseurs d'électricité ont l'obligation légale d'acheter toute la production des installations de production d'électricité à partir d'énergie renouvelable, pendant 10 à 20 ans, à des tarifs fixés par l'administration ; le surcoût de ces tarifs par rapport aux prix du marché de gros est remboursé aux fournisseurs au moyen d'une surtaxe sur les factures d'électricité des consommateurs.

Allemagne

Le tarif d'achat réglementé était en 2012 de 8,8 c€/kWh pour les éoliennes terrestres et 15,6 c€/kWh pour les éoliennes en mer ; il est répercuté sur les consommateurs d'électricité par le biais de l'équivalent de la CSPE, appelé EEG-Umlage qui atteignait 5,277 c€/kWh en 2013 (+0,25 c€/kWh de taxe pour les éoliennes en mer) sur un prix moyen de l'électricité pour un ménage-type allemand de 28,5 c€/kWh[117].

France

Le tarif d'achat a été fixé pour l'éolien par l'arrêté du à 8,2 c€/kWh (indexé ensuite selon une formule qui l'amenait en 2012 à 8,74 c€/kWh) pour l'éolien[118] ; le surcoût par rapport au prix du marché (moyenne en 2015 : 42,6 €/MWh), calculé à 3 156 M € en 2013 par la Commission de régulation de l'énergie qui l'évalue à 3 722,5 M € pour 2013 et 4 041,4 M € pour 2015, est répercuté sur les consommateurs d'électricité par le biais de la contribution au service public de l'électricité (CSPE), fixée à 13,5 €//MWh en 2013, 16,5 €/MWh en 2014 et 19,5 €/MWh en 2015 alors que la CRE estime qu'elle devrait être fixée à 25,93 €/MWh pour couvrir les charges et les arriérés ; la compensation du surcoût des EnR représente 63,7 % de la CSPE, et le photovoltaïque représente 62 % de ces 63,7 %[119].

Un autre dispositif fréquemment utilisé (conjointement à celui des tarifs d'achat) est celui des appels d'offres : en France, il a pour finalité de soutenir les filières en retard de développement et est utilisé surtout pour les grandes installations (parcs éoliens en mer, grandes centrales solaires, centrales à biomasse...) ; la Cour des Comptes relève que certains appels d'offres n'ont pas atteint leurs objectifs (cahier des charges insuffisamment respecté par les projets, tarifs proposés trop élevés, nombre insuffisant de projets candidats, etc.) : celui de 2004 lancé pour installer 500 MW d’éolien terrestre n’a retenu que 287 MW, soit 56 % de l'objectif ; celui de 2010 n'a retenu que 66 MW pour un objectif de 95 MW. Pire : de nombreux appels d’offres n’ont pas permis de limiter les prix proposés par les porteurs de projet, soit par manque de concurrence, soit du fait de difficultés techniques ayant incité les candidats à prendre des marges de risque importantes, en particulier celui qui a été lancé en 2011 pour des parcs éoliens en mer : le prix de référence fixé dans l'appel d'offres n'a pas été respecté pour trois des quatre sites concernés[120].

Quotas

Des systèmes de quotas sont utilisés aux États-Unis et en Chine : la puissance publique impose aux entreprises électriques une contribution minimale d’énergies renouvelables en termes de capacité installée ou d’électricité produite sous la forme de quotas, qui évoluent dans le temps avec les objectifs de politique énergétique ; ce dispositif est très souvent complété par d’autres mécanismes de soutien tel que les crédits d’impôts, ainsi, dans les États américains où ce système est mis en place, sa contribution à la valorisation des kWh n’est que de l’ordre de 25%[121]. Ces États américains, au nombre de 31, ont institué des « normes de portefeuille d'énergie renouvelable » (Renewable portfolio standard, RPS) qui obligent les fournisseurs d'électricité à atteindre une certaine part d'énergie renouvelable dans l'électricité commercialisée[122] (Ex. 15 % en 2025 en Arizona, 30 % en 2020 au Colorado, 33 % en 2020 en Californie[123]) ; les producteurs de ces énergies reçoivent des certificats (REC) pour chaque kWh produit, qu'ils vendent à leurs clients fournisseurs en même temps que leur électricité ; les fournisseurs peuvent alors présenter ces certificats à l'administration pour démontrer leur conformité au RPS ; sinon ils doivent payer des pénalités[122]. Un rapport constate que ce système de RPS est plus efficace lorsqu'il est combiné avec les crédits d'impôt fédéraux (PTC)[124].

Contrat pour différence

Le contrat pour différence (ou prime ex-post) est un nouveau système en vigueur en 2014 sur option en Allemagne, en Italie et au Royaume-Uni, et préconisé par la Commission européenne : un niveau de référence (target price) est défini par le régulateur ; le producteur vend l’électricité produite au prix de marché de gros, directement ou via un « intégrateur », notamment pour les acteurs sans accès direct au marché (petits producteurs) ; le producteur perçoit un complément de rémunération (« prime ») dans le cas où la différence entre le niveau de référence et le prix de marché est positive ; sinon le producteur doit verser le surplus perçu ; une variante (le contrat pour différence asymétrique) ne prévoit pas ce reversement. Selon le SER, ce système impose au producteur des coûts supplémentaires de commercialisation pouvant aller jusqu'à 10 % du coût d'achat[121].

Une variante, la prime ex-ante, appliquée en Espagne jusqu'en 2008 et au Royaume-Uni depuis 2014 en option, prévoit une prime définie initialement par le régulateur et fixée pour une durée limitée ; cela simplifie le système et diminue donc son coût, mais suppose des hypothèses sur les prix de marché futurs et donc un risque pour le producteur[121]. En réaction au poids croissant des subventions aux énergies renouvelables, les états envisagent des réformes pour améliorer l'efficacité des systèmes de soutien en accroissant leur sélectivité et en cherchant à insérer progressivement les EnR dans les mécanismes de marché ; c'est ce que préconisent la Commission européenne[125], la Cour des comptes[126] et la CRE, soulevant la contestation du SER[127]. C'est également dans ce sens que se dirige la réforme en cours de lancement en Allemagne[128], et les projets esquissés par le gouvernement français dans le cadre de la transition écologique ; le SER et le CLER contestent ces projets, en particulier l'idée lancée par la Commission européenne de lancer des appels d'offres technologiquement neutres (mise en concurrence de l’ensemble des technologies), qui selon eux empêcherait le développement de filières industrielles nouvelles ; pour eux, les appels d'offre devraient être réservés aux gros projets, de même que la mise en œuvre à terme d’un mécanisme de « prix de marché plus prime ex-post » (Feed-in-Premium ex-post, ou contrat pour différence) ; ils souhaitent que les petites installations continuent à bénéficier de l'obligation d'achat à tarif réglementé[129],[130].

Le ministère de l'Énergie a annoncé le sa décision : le système actuel des tarifs d’achat sera remplacé par un dispositif de vente sur le marché, assorti d’une prime variable, calculée par différence entre le prix moyen de l’électricité sur le marché et un prix cible maximal. Un dispositif calqué sur le modèle allemand ou le « contract for difference » britannique. Cette évolution s’appliquera seulement aux grandes installations (hors filières émergentes comme l’éolien en mer) ; elle répond aux nouvelles lignes directrices sur les aides d’État adoptées en avril 2014 par la Commission européenne et sera incluse dans la loi sur la transition énergétique. À compter du , les producteurs devront aussi renoncer au système du guichet ouvert pour les installations d’une certaine taille, qui seront alors attribuées exclusivement par appel d’offres[131].

À compter du , le système des tarifs d’achat réglementés dont bénéficient les énergies renouvelables va disparaître, pour faire place à un dispositif de vente sur le marché assorti d’une prime ; ce nouveau dispositif, imposé par Bruxelles, s’appliquera aux installations de puissance installée supérieure à 500 kW, hors filières émergentes comme l’éolien en mer ; l’éolien terrestre bénéficiera d’un délai supplémentaire, probablement de deux ans ; le solaire photovoltaïque, qui dépend des appels d’offres pour les grandes centrales, sera concerné dès 2016, ainsi que la biomasse, la géothermie et le biogaz. Pour vendre leur électricité sur le marché, de nombreux producteurs d’énergie verte vont devoir se tourner vers un intermédiaire : l’agrégateur, car les producteurs doivent fournir des prévisions à l’avance, et subissent des pénalités en cas d'erreur ; or, dans les renouvelables, il est difficile d’établir des estimations fiables, surtout pour les petits producteurs ; les agrégateurs, qui achètent de l’électricité à plusieurs producteurs, voient leurs risques d’erreur minimisés grâce à la diversification de leur portefeuille. Parmi les agrégateurs, outre EDF et Engie, les acteurs allemands vont mettre à profit leur expérience[132].

En Allemagne, la vente directe des énergies renouvelables assortie d'une prime de marché, possible depuis 2012 et obligatoire depuis 2014 pour les nouvelles installations de plus de 500 kilowatts, a du succès : selon les gestionnaires de réseaux, deux tiers de la production d'électricité d'origine renouvelable devrait être vendue sur le marché en 2016 et environ trois quarts en 2019, selon la fédération professionnelle BDEW. Les agrégateurs allemands, dont l'électricien norvégien Statkraft, leader en Allemagne avec 8 700 MW, oe encore Next Kraftwerke, qui agrège un portefeuille de 1 500 MW composé de 3 000 installations, essentiellement des petites centrales à biomasse, éoliennes et solaires, comptent se positionner sur le marché français[133].

Montant des subventions

En France, la Commission de régulation de l'énergie (CRE) dresse chaque année l'inventaire des charges de service public (surcoûts créés par les obligations de service public) ; en 2018, les surcoûts découlant de l'obligation d'achat des EnR ont atteint 4 659 millions € au titre des contrats d'achat et 8,8 millions € au titre des compléments de rémunération. Ces subventions sont financées par la taxe intérieure sur la consommation finale d’électricité (TICFE) et la taxe intérieure sur la consommation de gaz naturel (TICGN) ; la TICFE sur l'électricité est fixée de 2017 à 2019 à 22,5 €/MWh, soit 2,25 c€/kWh. La CRE constate que les charges de service public liées aux EnR sont en baisse en 2018, du fait de la hausse observée des prix de marché de gros de l’électricité au cours du deuxième semestre 2018 et de la baisse de la production et du coût d’achat subséquent pour la filière éolienne en raison d’une météorologie défavorable au cours de l’été 2018[134].

En Allemagne en 2019, la contribution EEG (EEG-Umlage, équivalent allemand de la TICFE), a baissé de 5,7 % à 6,405 c€/kWh contre 6,792 c€/kWh en 2018, après une première baisse de 1,3 % en 2017. Cette baisse est principalement liée à la prévision de hausse des prix de gros de l’électricité et aux réformes qui ont privilégié les appels d'offres ; la contribution EEG avait progressé de 1 c€/kWh en 2006 à 6,35 c€/kWh en 2016[135]. Pour 2020, la contribution EEG a été relevée de 0,35 c€, passant ainsi à 6,756 c€/kWh[136].

Un rapport publié fin 2016 par l'Institut pour l'économie de marché de Düsseldorf évalue le coût de la transition énergétique en Allemagne jusqu'en 2025 à 520 milliards €, dont 408 milliards € de subventions aux énergies renouvelables (EEG-Umlage) et 55 milliards € de renforcements de réseaux[137].

Prospective économique

L'Agence internationale de l'énergie prévoit, en octobre 2019, que 1 200 GW de capacités supplémentaires d'énergies renouvelables seront installées d'ici à 2024 dans le monde, une augmentation du 50 % du parc installé, et que le solaire représentera près de 60 % de cette augmentation, grâce à la baisse des coûts des cellules photovoltaïques, qui devraient encore reculer de 15 à 35 % d'ici à 2024 ; l'éolien terrestre arrive en deuxième position ; l'éolien en mer verra sa base installée tripler au cours des cinq prochaines années, notamment en Europe où les appels d'offres se multiplient, aux États-Unis et en Chine, mais il représentera seulement 4 % des nouvelles capacités. La part des renouvelables dans la production d'électricité passerait ainsi de 25 % aujourd'hui à 30 % dans cinq ans. Le charbon verrait sa part réduite à moins de 35 %, mais il continuerait à progresser en valeur absolue et resterait la première source d'électricité dans le monde. La croissance prévue par l'AIE est cependant insuffisante pour tenir les objectifs de l'Accord de Paris : 280 GW par an de capacités renouvelables seraient nécessaires pour cela, soit moitié plus que le rythme actuel[138].

Le rapport de synthèse du GIEC publié en 2014 a compilé 1 184 scénarios issus de 31 modèles, élaborés pour la plupart par le Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung et par l'Université Stanford[139]. Il remarque, dans sa partie « Adaptation, atténuation et développement durable », que dans les scénarios qui imposent un accès restreint à l'une des technologies bas carbone (abandon de l'énergie nucléaire ou du captage et stockage de dioxyde de carbone, recours restreint aux énergies renouvelables), « les coûts de l’atténuation du changement climatique peuvent augmenter considérablement[140]. »

Une étude publiée en 2014 par l'Institut Fraunhofer prévoit que la transition énergétique allemande (Energiewende) sera rentabilisée à partir de 2030 ou 2035 par les économies d'énergies fossiles qu'elle permettra. La prévision est faite au sein d'un scénario sans augmentation du prix des énergies fossiles, tout en prenant en compte les investissements annexes : moyens de stockage (power-to-gas, power-to-heat, batteries), stations de recharge pour la mobilité électrique, pompes à chaleur, réseaux, etc. ; les auteurs insistent sur la priorité à donner aux secteurs du transport et du chauffage, bien plus qu'à la production d'électricité[141].

Le rapport ETP 2014 de l'Agence internationale de l'énergie publié en mai 2014 étudie le scénario « 2DS »[142] (pour « 2 degrees scenario »), visant à limiter l'augmentation moyenne de la température à °C conformément aux recommandations du GIEC. L'analyse de ce scénario par l'AIE prévoit que les 44 000 milliards de dollars d'investissements mondiaux nécessaires pour une décarbonation du système énergétique sont compensés par les 115 000 Mds $ d'économies de combustibles qu'elle apporte ; même avec un taux d'actualisation de 10 %, le gain net serait encore de 5 000 Mds $[142].

Une équipe de recherche de l'université Stanford a montré que la production d'électricité à partir de la biomasse serait plus rentable économiquement et écologiquement que son utilisation dans les transports en tant que biocarburant. Pour cela, Elliott Campbell et ses collègues ont estimé la quantité de CO2 émise par une voiture électrique et par une voiture alimentée au bioéthanol, en intégrant l'énergie directement consommée et l'énergie grise. D'après leur calcul, une voiture électrique émet deux fois moins de CO2 qu'un véhicule identique fonctionnant à l'éthanol. En outre, un hectare de culture permet de parcourir 52 000 km à l’électricité contre 31 000 à l’éthanol[143].

Une étude de l’Ademe publiée en 2018 prévoit que « l’optimisation économique de l’évolution du système électrique français conduit à une part d’EnR de 85 % en moyenne en 2050, et de plus de 95 % en 2060 »[144],[145]. En complément des énergies renouvelables, l’opportunité du développement d’une filière nucléaire de nouvelle génération (EPR) a été envisagée. Selon les hypothèses retenues par l'étude, le prolongement d'une partie du parc nucléaire actuel permettrait de réaliser une transition efficiente vers les énergies renouvelables, alors que le développement de la filière EPR ne serait pas compétitif[146]. Cette étude fait l'objet d'une controverse « car si on décide de faire toute la place aux renouvelables intermittentes comme le propose l’Ademe, cela devrait coûter cher à la France par rapport à un futur raisonnable où toutes les options bas carbone, nouveau nucléaire y compris, auraient concouru sur un pied d’égalité économique »[147]. De plus, certains observateurs estiment que les hypothèses ayant servi de base à l'étude de l'Ademe sont trop optimistes[148],[149],[147].

Des sources académiques estiment qu'un scénario énergétique entièrement renouvelable permettant de garantir la qualité de vie des pays développés à l'ensemble de la population mondiale serait techniquement faisable avec les meilleures techniques disponibles actuellement en matière d'efficacité énergétique[150][source insuffisante].

Une étude universitaire finlandaise de 2019 estime qu'une transition énergétique mondiale vers 100 % d'énergies renouvelable est faisable et moins coûteuse que le système énergétique mondial actuel et peut être réalisée d'ici 2050. Les auteurs concluent qu'un système électrique neutre en carbone peut être construit dans toutes les régions du monde d'une manière économiquement viable. Selon ce scénario, la transformation nécessitera des changements constants mais évolutifs au cours des 35 prochaines années. Le scénario permet notamment de réduire les coûts, sans recourir ni à l'énergie nucléaire ni à la séquestration du dioxyde de carbone ; les installations nucléaires existantes sont toutefois utilisées jusqu'à la fin de leur durée de vie technique[151]. Cette étude a fait l'objet d'une publication scientifique dans la revue Nature Communications[152].

Une étude publiée en 2019 par des chercheurs de l'université Stanford analyse le système énergétique de 143 pays représentant 99,7 % des émissions mondiales de CO2. Pour ces pays, les auteurs émettent l'hypothèse d'une transition énergétique à 100 % d'énergie renouvelable (éolienne, hydraulique, solaire) au plus tard en 2050. L'étude estime que cette transition réduit les coûts énergétiques des 143 pays analysés de 61 % par an[153].

Une étude laisse penser qu'il serait possible de répondre en 20 à 40 ans à tous les besoins énergétiques par des sources renouvelables et plus propres, avec les technologies d'aujourd'hui, en occupant 0,4 % de la surface du globe, à un coût à peu près comparable à celui des énergies fossiles et nucléaires, mais avec un effort de transformation des réseaux de production, stockage et transport de l'énergie très important, ce qui demande une forte volonté sociétale et politique[154]. Pour les États-Unis, ce serait un effort de mobilisation « comparable au projet Apollo de voyage sur la Lune ou à la construction de tout le réseau routier inter-États[154] ».

Le 5 juillet 2013, l’AIE a recommandé[86] quatre mesures urgentes et « sans regret », « qui ne devraient pas menacer la croissance économique » :

  1. investir dans l’efficacité énergétique dans le bâtiment, l’industrie et les transports, ce qui pourrait représenter jusqu’à 49 % des gisements de réduction ;
  2. mettre fin à la construction et à l’utilisation des centrales à charbon les moins efficaces ;
  3. réduire les émissions de méthane dans la production d’hydrocarbures ;
  4. éliminer les subventions aux énergies fossiles.

Situation actuelle

Monde

Ensemble des énergies renouvelables

Le développement des énergies renouvelables fait l'objet d'une cible de l'Objectif de développement durable no 7 de l'ONU. En 2017, 179 pays se sont fixés des objectifs en matière d’énergie renouvelable ; la trentaine de nations sans objectifs sont surtout en Afrique et en Asie Centrale[r 1] ; 151 pays ont fixé des objectifs pour les énergies renouvelables électriques, 59 pour les transports et 47 dans le domaine du chauffage et du froid[155].

En 2018, après deux décennies de croissance, le rythme de croissance des nouvelles capacités solaires, éoliennes et hydroélectriques se stabilise à 177 GW. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), « ce tassement inattendu des tendances de croissance soulève des inquiétudes sur la capacité à atteindre les objectifs climatiques de long terme ». Ce ralentissement est lié surtout à la Chine, dont les mises en service chutent de 80 à 75 GW, le gouvernement ayant annoncé en juin 2018, sans préavis, ne plus accorder d'autorisation de mise en service d'installation solaire jusqu'à la fin de l'année et baisser ses tarifs d'achat pour les nouvelles installations ; le pays concentre malgré cela près de 45 % de la puissance installée mondiale de l'année.

En 2017, selon l'Agence internationale de l'énergie, la part des énergies renouvelables dans la consommation mondiale d’énergie primaire était de 13,8 %, dont 9,5 % issus de la biomasse et des déchets, 2,5 % de l'hydroélectricité et 1,8 % des autres EnR (éolien, solaire, etc.)[156]. En 1973, la part des EnR était de 12,3 %, dont 10,4 % pour la biomasse et les déchets et 1,8 % pour l'hydroélectricité[156].

En 2016, la part des énergies renouvelables dans la consommation finale mondiale d’énergie était estimée à 18,2 % (contre 79,5 % pour les combustibles fossiles et 2,2 % pour l'énergie nucléaire), dont 7,8 % pour la biomasse traditionnelle et 10,4 % pour les énergies renouvelables « modernes » : 4,1 % de chaleur produite par les énergies renouvelables thermiques (biomasse, géothermie, solaire), 3,7 % d'hydroélectricité, 1,7 % pour les autres renouvelables électriques (éolien, solaire, géothermie, biomasse, biogaz) et 0,9 % pour les biocarburants. Les taux de croissance moyens annuels les plus élevés sur dix ans (2005-2015) ont été ceux des énergies renouvelables « modernes » : (+5,4 % l'an), alors que la biomasse traditionnelle ne croissait que de 0,2 % par an ; au total, les énergies renouvelables ont progressé de 2,3 % par an contre 1,6 % par an pour les autres énergies : fossiles et nucléaire[t 3].

La part de la biomasse dans la consommation totale d'énergie finale s'élevait à 12,8 % en 2016 : 9,2 % pour le chauffage des bâtiments, dont 7,8 % de biomasse traditionnelle (bois pour l'essentiel) et 1,4 % de biomasse moderne ; 2,2 % pour la production de chaleur dans l'industrie, 0,9 % dans les transports et 0,4 % pour la production d'électricité. La part de la biomasse dans la consommation finale d'énergie pour le chauffage des bâtiments s'élevait à 25,8 % (traditionnelle : 21,8 %, moderne : 4,0 %) ; dans les usages thermiques de l'industrie : 6,1 % ; dans les transports : 3,0 % et dans la production d'électricité : 2,1 %[r 2].

La différence entre les statistiques de 2016 provient des conventions adoptées pour les bilans énergétiques de l'AIE, qui minorent la part des énergies renouvelables électriques dans l'énergie primaire (cf. bilans énergétiques).

Énergie renouvelable thermique

Cinq premiers pays par capacité de production d'énergie renouvelable thermique en 2017[r 3]
Rang Solaire thermique[n 3] Géothermie Biogazole (production) Bioéthanol (production)
1. Drapeau de la République populaire de Chine Chine Drapeau de la République populaire de Chine Chine Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau des États-Unis États-Unis
2. Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau de la Turquie Turquie Drapeau du Brésil Brésil Drapeau du Brésil Brésil
3. Drapeau de la Turquie Turquie Drapeau de l'Islande Islande Drapeau de l'Allemagne Allemagne Drapeau de la République populaire de Chine Chine
4. Drapeau de l'Allemagne Allemagne Drapeau du Japon Japon Drapeau de l'Argentine Argentine Drapeau du Canada Canada
5. Drapeau du Brésil Brésil Drapeau de la Hongrie Hongrie Drapeau de l'Indonésie Indonésie Drapeau de la Thaïlande Thaïlande

L'énergie primaire renouvelable la plus utilisée est celle de la biomasse : environ 46,4 EJ (exajoules) en 2016, soit 12,8 % de la consommation finale d'énergie, dont 7,8 % de biomasse traditionnelle et 5 % de biomasse moderne. L'utilisation traditionnelle de la biomasse en 2016 est estimée à 28,4 EJ (bois, charbon de bois, excréments, résidus agricoles), contre 27,7 EJ en 2005 ; sa progression est inférieure à celle de la demande, si bien que sa part dans la consommation finale d'énergie est tombée de 9,2 % en 2005 à 7,8 % en 2016 ; les modes d'utilisation modernes de la biomasse ont produit environ 13,1 EJ de chaleur en 2016, dont 7,9 EJ dans l'industrie et 5,2 EJ dans les secteurs résidentiel et commercial (chauffage et cuisine). La puissance des systèmes de chauffage à biomasse « modernes » a atteint environ 314 GWth en 2017. L'Europe est le principal consommateur de biomasse moderne avec 3,6 EJ en 2016, dont 91 % issus de biomasse solide, 4 % de biogaz et 4 % de déchets urbains[r 4].

La biomasse fournit environ 6,8 % de la consommation totale de chaleur de l'industrie, particulièrement à partir de biomasse solide ; cette utilisation reste stable ; l'utilisation de résidus de biomasse pour la production de chaleur est très répandue dans l'agro-industrie, l'industrie du bois et du papier et celle du ciment ; plus de 50 % de ces usages industriels sont concentrés dans trois pays : le Brésil, l'Inde et les États-Unis ; le Brésil est en tête avec 1,4 EJ, surtout à cause de son utilisation de la bagasse pour produire de la chaleur dans l'industrie du sucre et de l'alcool[r 5].

L'utilisation de bois pour le chauffage résidentiel est très développée en Europe et en Amérique du Nord ; le marché des granulés de bois est resté inchangé en 2017 à 14 Mt, dont 11,1 Mt en Europe (Italie, Allemagne et France) et 2,9 Mt en Amérique du Nord[r 5] ; l'utilisation du bois dans les chaufferies des réseaux de chaleur s'est largement développée dans l'Europe du Nord ; en Lituanie, 61 % de l'énergie du chauffage urbain provenait des résidus de l'exploitation forestière ; aux États-Unis, en 2014, 2,5 millions de ménages utilisaient le bois comme combustible principal, pour leur chauffage, et 9 millions comme combustible secondaire ; en Chine, un programme lancé en 2008 encourage l'utilisation de granulés de résidus agricoles pour le chauffage et pour réduire l'utilisation du charbon dans le chauffage urbain ; plus de 6 Mt de granulés, d'un contenu énergétique de 96 PJ, ont été produits et vendus en 2015 en Chine[157].

La production de biogaz est en progression, mais ses usages diffèrent selon les régions: aux États-Unis et en Suède, le biométhane est produit surtout pour les transports, alors qu'au Royaume-Uni il est surtout injecté dans les réseaux de gaz : l'Europe compte plus de 500 installations de production de biométhane ; l'Asie tient un rôle de leader pour le développement de petits digesteurs produisant du biogaz pour la cuisine et le chauffage : par exemple, l'Inde a 4,9 millions de digesteurs familiaux ou villageois ; elle développe également la production à échelle industrielle avec 300 MW fin 2017[r 6].

Les biocarburants ont représenté 2,8 % de la consommation de carburants du transport mondial en 2015 ; la production mondiale d'éthanol a progressé de 2,5 % en 2017 et celle de biodiesel est restée stable après un bond de 9 % en 2016[r 7] ; la production et la consommation de biocarburants sont concentrées à 80 % aux États-Unis (maïs), au Brésil (canne à sucre) et en Europe (colza, etc.) ; la production de biocarburants a progressé de 2,5 % en 2017, atteignant 143 Gl (gigalitre = milliard de litres) ; les États-Unis (maïs) et le Brésil restent de loin les principaux producteurs, suivis par l'Allemagne, l'Argentine, la Chine et l'Indonésie ; la production d'éthanol représente 65 % du total, en progression de 3,8 % à 105,5 Gl, dont 84 % aux États-Unis (60 Gl) et au Brésil (28,5 Gl) ; le biodiesel constitue 29 % du total ; sa progression a progressé de 1 % en 2017 à 36,6 Gl ; les principaux producteurs sont les États-Unis (16 %), le Brésil (11 %), l'Allemagne (9 %), l'Argentine (9 %) et l'Indonésie (7 %) ; les 6 % restants sont la production d'huile végétale carburant, qui a progressé de 10 % en 2017 à 6,5 Gl, produits en Finlande, aux Pays-Bas, à Singapour et aux États-Unis ; le bio-méthane carburant se développe rapidement aux États-Unis : 17,4 PJ (pétajoules), en Suède (4,7 PJ) et en Allemagne (1,3 PJ au total)[r 8].

La puissance thermique des capteurs de chaleur solaire installés en 2017 a été de 35 GWth (contre 36,2 GWth, soit -3 %, en 2016 et 40,1 GWth en 2015, soit -8,5 %), portant le total installé à 472 GWth ; le ralentissement a été particulièrement prononcé en France (-27 %) et au Japon (-15 %) ; la production de chaleur du solaire thermique a atteint environ 388 TWh ; la Chine reste le principal marché, avec 26,1 GWth, soit 75 % du marché mondial et 19 fois plus que le deuxième marché : la Turquie 1,35 GWth ; la puissance installée de la Chine atteignait 325 GWth fin 2016, soit 71,2 % du total mondial, suivie par les États-Unis (3,9 %), la Turquie (3,3 %), l'Allemagne (3,0 %) et le Brésil (2,1 %) ; la demande continue à ralentir en Europe et en Chine, mais de nouveaux marchés se développent dans des pays comme la Turquie, l'Inde et le Brésil ; la tendance au développement de systèmes collectifs se confirme, ainsi que l'utilisation du solaire thermique pour le chauffage urbain (dont 90 % en Europe, le Danemark comptant à lui seul pour 76 % avec 932 MWth), la production de froid et les applications industrielles[r 9].

L'usage direct de la chaleur géothermique (bains thermaux, chauffage de piscines, chauffage de locaux, procédés agricoles et industriels), parfois en cogénération, est estimé à 25 GWth, en progression de 1,4 GWth en 2017[r 10].

Les données manquent au sujet des pompes à chaleur. En 2014 (dernières données disponibles en 2018), la puissance installée des pompes à chaleur géothermiques s'élevait à 50,3 GWth, produisant environ 91 TWh de chaleur ; sur la base des taux de croissance historique, la capacité devrait être d'environ 65 GWth en 2017 ; mais les données manquent sur les pompes à chaleur air-air, qui ont la plus grande part du marché. Les principaux marchés sont la Chine, les États-Unis et l'Europe, où les marchés les plus importants en 2017 ont été la France, l'Italie, l'Espagne, la Suède et l'Allemagne ; le Japon et la Corée du Sud sont aussi des marchés significatifs : en 2016, les pompes à chaleur avaient une part de 10 % dans le marché japonais de la production d'eau chaude. Le marché chinois des pompes à chaleur air-air était dominé en 2016 par les applications de refroidissement : 50 millions d'unités, contre seulement 1,5 million pour le chauffage et l'eau chaude ; ce marché connait depuis 2013 un taux de croissance annuel de 16 %. En Europe, 1 100 000 pompes à chaleur ont été installées en 2017 (+10 %), portant le parc à 10,6 millions d'unités ; en unité par ménage, la Norvège vient en tête, suivie par l'Estonie, la Finlande et la Suède ; les pompes à chaleur sont de plus en plus utilisées dans les systèmes de chauffage urbain. Aux États-Unis, les pompes à chaleur atteignaient en 2016 une part de marché de 24 % dans le chauffage et le refroidissement des locaux, avec des ventes estimées à 2,4 millions d'unités[r 11]. Fin 2016, la puissance installée totale des pompes à chaleur en Europe atteignait 73,6 GWth, produisant environ 148 TWh de chaleur, dont 94,7 TWh (soit 64 %) tirés de l'air ambiant ou du sol et le reste de l'énergie motrice (électricité en général)[158].

Électricité renouvelable

En 2018, 26 % de l’électricité produite dans le monde provenaient de sources renouvelables[159]. En 2018, plus des deux tiers de la capacité électrique mondiale nouvellement installée étaient renouvelables[160], mais, après deux décennies de croissance, le rythme des nouvelles capacités solaires, éoliennes et hydroélectriques se stabilise à 177 GW. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), « ce tassement inattendu des tendances de croissance soulève des inquiétudes sur la capacité à atteindre les objectifs climatiques de long terme ». Ce ralentissement est lié surtout à la Chine, dont les mises en service chutent de 80 à 75 GW, le gouvernement ayant annoncé en juin 2018, sans préavis, ne plus accorder d'autorisation de mise en service d'installation solaire jusqu'à la fin de l'année et baisser ses tarifs d'achat pour les nouvelles installations ; le pays concentre malgré cela près de 45 % de la puissance installée mondiale de l'année. Alors que les renouvelables représentent 63 % de la croissance des nouvelles installations, leur part dans la production électrique n'est que de 25 % du fait de leurs durées de fonctionnement inférieures à celles des centrales thermiques[161]. La Chine totalise 647 GW de puissance électrique renouvelable installé, soit 29,5 % du total mondial, suivie par les États-Unis : 241 GW, l'Allemagne : 112 GW, l'Inde : 106 GW et le Japon : 79 GW ; l'Union européenne totalise 443 GW[r 12]. La part des renouvelables dans la production d'électricité à la fin 2017 était estimée à 26,5 % : 16,4 % d'hydroélectricité, 5,6 % d'éolien, 2,2 % de biomasse, 1,9 % de photovoltaïque et 0,4 % de divers (géothermie, solaire thermodynamique, énergies marines)[r 13].

Cinq premiers pays producteurs[n 4] de chaque énergie renouvelable électrique en 2017[r 3]
Rang Hydroélectrique
(production)
Géothermie
(capacité)
Éolien
(capacité)
Biomasse
(production)
Solaire PV
(capacité)
Solaire thermodynamique
(capacité)
1. Drapeau de la République populaire de Chine Chine Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau de la République populaire de Chine Chine Drapeau de la République populaire de Chine Chine Drapeau de la République populaire de Chine Chine Drapeau de l'Espagne Espagne
2. Drapeau du Brésil Brésil Drapeau des Philippines Philippines Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau des États-Unis États-Unis
3. Drapeau du Canada Canada Drapeau de l'Indonésie Indonésie Drapeau de l'Allemagne Allemagne Drapeau du Brésil Brésil Drapeau du Japon Japon Drapeau d'Afrique du Sud Afrique du Sud
4. Drapeau des États-Unis États-Unis Drapeau de la Turquie Turquie Drapeau de l'Inde Inde Drapeau de l'Allemagne Allemagne Drapeau de l'Allemagne Allemagne Drapeau de l'Inde Inde
5. Drapeau de la Russie Russie Drapeau de la Nouvelle-Zélande Nouvelle-Zélande Drapeau de l'Espagne Espagne Drapeau du Japon Japon Drapeau de l'Italie Italie Drapeau du Maroc Maroc
Puissance installée des énergies renouvelables (GW)[162],[r 1]
Énergie fin 2003 fin 2012 fin 2013 fin 2014 fin 2015 fin 2016 fin 2017
Hydroélectricité 715 960 1 000 1 036 1 071 1 095 1 114
Éolien 48 283 318 370 433 487 539
Solaire photovoltaïque 2,6 100 139 177 228 303 402
Solaire thermodynamique 0,4 2,5 3,4 4,3 4,7 4,8 4,9
Biomasse <36 83 88 101 106 114 122
Géothermie 8,9 11,5 12 12,9 13 12,1 12,8
Total EnR 800 1 440 1 560 1 701 1 856 2 017 2 195
Puissance installée énergies renouvelables 2011

La puissance installée des EnR électriques atteignait 2 195 GW fin 2017, en progression de 8,8 % par rapport à 2016 ; l'hydroélectricité a progressé de 1,7 % à 1 114 GW et les autres EnR de 17 % à 1 081 GW[r 1]. La production hydroélectrique mondiale est estimée à 4 185 TWh en 2017, en progression de 2 % ; 19 GW ont été mis en service en 2017, portant la puissance installée mondiale à environ 1 114 GW (+1,7 %), accroissement le plus faible observé depuis cinq ans ; ce total exclut les 150 GW de centrales de pompage-turbinage, considérées non-renouvelables[n 5] ; 7,3 GW ont été mis en service en Chine, portant sa puissance installée à 312,7 GW, soit 28 % du total mondial, et sa production à 1 190 TWh ; les autres pays ayant inauguré des centrales importantes sont le Brésil (+3,4 GW), l'Inde (+1,9 GW) et l'Angola (+1,4 GW). La puissance installée hydroélectrique mondiale se répartit en 2017 entre la Chine (28 %), le Brésil (9 %), le Canada (7 %), les États-Unis (7 %), la Russie (4,3 %), l'Inde (4 %) et 40 % pour le reste du monde[r 14].

La puissance équipée des centrales à énergie marémotrice était d'environ 529 MW fin 2017, dont plus de 90 % représentés par deux centrales marémotrices : Sihwa en Corée du sud (254 MW) et La Rance en France (240 MW) ; plusieurs installations (4 MW) utilisant l'énergie des courants de marée, des courants marins et des vagues, ont été mises en service en 2017, en particulier en Écosse, portant la puissance totale de ces applications à 17 MW pour les courants de marée et 8 MW pour l'énergie des vagues[r 15].

La puissance des centrales électriques à biomasse a augmenté de 8 GW en 2017 pour atteindre 122 GW, produisant 555 TWh, y compris la production électrique des centrales de cogénération[r 1].

La puissance installée des centrales géothermiques a progressé de 0,7 GW en 2017, en particulier en Indonésie (+275 MW) et en Turquie (+243 MW), portant le parc mondial à 12,8 GW[r 16].

Le marché du solaire photovoltaïque a été en 2017 le premier marché mondial en termes d'additions de capacité : plus de 98 GWc sont venus s'ajouter au parc, l'accroissant d'un tiers et le portant à 402 GWc ; la Chine a compté pour plus de la moitié de cet accroissement : +53,1 GWc, portant sa puissance installée à 131,1 GWc et sa production à 118 TWh (+79 %), suivie par les États-Unis : +10,6 GWc (-30 %), parc : 51 GWc ; l'Inde : +9,1 GWc (contre +4 GWc en 2016), parc : 18,3 GWc ; le Japon : +7 GWc (-13 %), parc : 49 GWc[r 17].

Le solaire thermodynamique a progressé de 100 MW, soit +2 %, pour atteindre environ 4,9 GW ; plusieurs projets qui devaient être mis en service en 2017 ont été retardés, mais les projets en construction atteignent 2 GW, surtout en Chine, au Moyen-Orient et en Afrique ; la capacité de stockage d'énergie thermique des centrales en fonctionnement atteint 13 GWh, sous forme de sels fondus ; l'Espagne (2,3 GW) et les États-Unis (1,7 GW) concentrent 80 % du parc et le marché continue à basculer vers les pays émergents et ceux dotés de niveaux élevés d'insolation : l'Afrique du Sud est restée le leader du marché en 2017, et même le seul pays à mettre en service une nouvelle centrale : Xina Solar One (100 MW), portant sa puissance installée à 300 MW ; 200 MW sont en construction : Kathu Solar Park (100 MW) et Ilanga 1 (100 MW) ; la Chine annonce 20 projets de centrales de tous types (miroirs cylindro-paraboliques, tour solaire, Fresnel) en cours de construction, pour un total de 1 GW ; des chantiers sont également en cours au Maroc (Noor II : 200 MW et Noor III : 150 MW), en Israël (Ashalim A et B : 231 MW), au Chili (Atacama 1 : 110 MW), en Australie (Aurora : 100 MW), en Arabie Saoudite (Duba 1 : 43 MW et Waad al Shamal : 50 MW), au Koweït (Shagaya : 50 MW), en Inde ((14 MW)), en France (9 MW) et au Danemark (17 MW) ; les Émirats arabes unis projette une centrale de 700 MW au « Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park[r 18] ».

La puissance installée éolienne a progressé de 52 GW en 2017, atteignant 539 GW (+11 %) ; comme en 2016, le marché s'est contracté de 6 % du fait d'un net ralentissement en Chine, qui reste en tête avec 19,7 GW d'installations, portant son parc à 188,4 GW, suivie par les États-Unis : 7,0 GW, l'Allemagne : 6,1 GW, le Royaume-Uni : 4,3 GW et l'Inde : 4,1 GW ; l'Union européenne a installé 15,6 GW au total, soit 25 % de plus qu'en 2016, portant son parc à 168,7 GW, dont 15,8 GW en mer ;le marché s'élargit à tous les continents, avec 90 pays concernés, dont 30 ont plus de 1 GW en fonctionnement ; l'éolien en mer a connu un redémarrage avec 4,3 GW d'installations, dont 3,1 GW en Europe et 1,2 GW en Chine, portant le parc mondial à 18,8 GW, dont 15,8 GW en Europe[r 19].

Part des énergies renouvelables (hors grande hydraulique) dans la puissance installée et la production d'électricité[t 4] 

Année installations
de l'année
puissance
installée totale
production
2007 19,5 % 7,5 % 5,2 %
2008 27,3 % 8,2 % 5,3 %
2009 41,7 % 9,2 % 5,9 %
2010 31,6 % 10,2 % 6,1 %
2011 39,8 % 11,4 % 6,9 %
2012 48,6 % 12,7 % 7,8 %
2013 40,2 % 13,8 % 8,5 %
2014 49,0 % 15,2 % 9,1 %
2015 53,6 % 16,2 % 10,3 %

Europe

Part des énergies renouvelables dans la consommation finale d'énergie[163]
2004 (Moyenne UE : 8,5 %)
2010 (Moyenne UE : 12,9 %)
2017 (Moyenne UE : 17,0 %)
  • n/a
  • < 5 %
  • 5–10 %
  • 10–20 %
  • 20–30 %
  • 30–40 %
  • 40–50 %
  • 50–60 %
  • > 60 %
  • En 2018, les énergies renouvelables ont représenté 18 % de la consommation finale d’énergie de l’Union européenne[164],[165],[166]. En 2019, les énergies renouvelables ont fourni 35 % de l'électricité de l'UE[167]. Douze pays européens ont déjà atteint leurs objectifs 2020 de développement d’énergies renouvelables[165], tandis que les deux les plus en retard sont les Pays-Bas et la France[168],[169].

    Le développement des énergies renouvelables est un des éléments importants de la politique énergétique de l’Union européenne. Le livre blanc de 1997 fixait l’objectif de 12 % d’énergie renouvelable commercialisée pour l’Union en 2010. Par la suite, des directives sont venues préciser cet objectif :

    • la directive électricité renouvelable (2001) fixe l’objectif indicatif de 21 % d’électricité renouvelable dans la consommation brute de l'Union en 2020 ;
    • la directive biocarburant (2003) donne des objectifs indicatifs de 5,75 % de substitution par les biocarburants pour 2010 ;
    • la directive 2009/28/CE sur les énergies renouvelables (refondue en 2018) porte l'objectif de la part des énergies renouvelables dans l'énergie finale à 20 % en 2020 et 32 % en 2030 (dont 10 % dans le secteur des transports) et remplace les précédentes ;
    • la Commission étudie la possibilité d’une directive chaleur renouvelable.

    En 2018, la Commission, le Conseil et le Parlement ont fixé l'objectif de 32 % de renouvelables dans la consommation finale brute de l'UE en 2030, ainsi qu'un objectif de 14 % d'énergies renouvelables dans les transports en 2030 ; les agrocarburants de première génération seront gelés au niveau de leur production de 2020, et ceux à base d'huile de palme devront disparaître d'ici 2030, et pour commencer leurs importations seront gelées au niveau atteint en 2019 ; la part des biocarburants avancés et du biogaz doit être d'au moins 1 % en 2025 et d'au moins 3,5 % en 2030[170],[171].

    L’Autriche, la Grèce et l'Allemagne sont en tête dans le domaine de la production de chaleur solaire. L’Espagne a connu un boom grâce à l’élargissement à l’ensemble de son territoire de l’Ordonnance Solaire de Barcelone (obligation d’installer un chauffe-eau solaire sur toute nouvelle construction d’habitation collective ou lors de rénovations). Les succès de ces pays sont en partie basés sur leurs avantages géographiques, bien que l'Allemagne n'ait pas de ressources exceptionnelles en soleil ou en vent (bien moins bonnes pour le vent par exemple que l'Angleterre).

    Des aides stimulent le développement des énergies renouvelables :

    • des crédits d’impôt sont proposés aux particuliers pour l’installation d’appareil utilisant les énergies renouvelables : chauffe-eau solaire, chauffage bois… En France, la plupart des conseils régionaux, et quelques conseils départementaux et municipalités offrent aussi des subventions ;
    • le principe de l'obligation d’achat, par les fournisseurs d'électricité, de l'électricité d'origine renouvelable à des prix de kWh réglementés, fixés à l’avance pour une durée déterminée, a été retenu dans la plupart des pays européens pour soutenir les producteurs et investisseurs et encourager l’émergence de nouvelles technologies. Le surcoût des kWh renouvelables par rapport au prix de gros du marché est remboursé aux fournisseurs d'électricité grâce à une taxe prélevée sur les factures d'électricité de tous les consommateurs : en France, la contribution au service public de l'électricité, et en Allemagne, l'EEG-Umlage. La forte augmentation de ces taxes a amené le gouvernement allemand à lancer une réforme de ce système tendant à privilégier l'autoconsommation de l'électricité par les producteurs.

    En 2014 un jugement de la Cour de justice de l'Union européenne a confirmé le droit des États à réserver leurs aides nationales aux énergies renouvelables aux installations situées sur leur territoire. Les énergies renouvelables seraient pourtant mieux utilisées si elles étaient exploitées dans les régions où les conditions météorologiques sont les plus favorables ; l'Allemagne a cinq fois plus de surface de panneaux solaires que l'Espagne ou la Grèce, et la puissance éolienne installée en Espagne est deux fois supérieure à celle du Royaume-Uni, pourtant mieux venté. Mais chaque pays tient à ce que ses aides créent des emplois sur son territoire, sans prendre en compte le coût très élevé de ces créations d'emplois[172].

    Allemagne

    En 2018, les renouvelables représentaient 16,7 % de l’énergie finale en Allemagne[173]. Les énergies renouvelables ont produit 40 % de l'électricité en Allemagne en 2019 ; cela représente 43 % de la demande allemande, mais la progression des installations terrestre d'éoliennes a fortement ralenti[174],[175].

    Autriche

    32,6 % d’énergie produite à partir de sources renouvelables entrent en 2017 dans la consommation finale brute de l'Autriche[169].

    Danemark

    Le Danemark a été pionnier de l'électricité éolienne et reste le pays qui produit le plus d'électricité à partir du vent par habitant. En 2019, la part des énergies renouvelables dans son mix électrique a atteint 75 % (47 % d'éolien, 3 % de solaire, 25 % de biomasse)[176],[177],[178]. Le Danemark est le premier pays en Europe à produire la moitié de son électricité par des sources d’énergie intermittentes, à l'aide, entre autres, de câbles sous-marins d’interconnexion qui relient le pays aux installations de stockage hydroélectriques situées en Norvège et en Suède, permettant de compenser la production intermittente[176]. Les chiffres publiés par l’Agence internationale de l'énergie (AIE) révèlent qu’en 2010 le charbon, le gaz et le pétrole produisaient encore 66,1 % de l’électricité du Danemark[176]. Or, ces énergies fossiles n’intervenaient plus en 2018 qu’à raison de 28,4 % dans le mix électrique[176]. Une chute de presque 40 % due essentiellement à l’essor des énergies renouvelables puisque les Danois ont toujours renoncé au nucléaire[176]. En 2017, la part d’énergie produite à partir de sources renouvelables à atteint 35,8 % dans la consommation finale brute du Danemark[168].

    Écosse

    À la pointe dans les domaines de l'éolien en mer et des énergies marines, et grâce à des caractéristiques démographiques et géographiques favorables (vents réguliers, façades maritimes), et à une volonté politique de développer les énergies renouvelables, l'Écosse produit 80 % de son électricité à partir de ces deux ressources, et l'entreprise privée Scottish Power a annoncé la création d'un parc de 215 éoliennes pouvant produire 539 MW et approvisionner 300 000 foyers en électricité, soit toute la ville de Glasgow ; l'Écosse souhaite ainsi parvenir à 100 % de production renouvelable en 2020[179],[180].

    Espagne

    En 2019, la part des énergies renouvelables dans le mix électrique espagnol a atteint 36,8 %[181]. L'Espagne se plaçait en 2017 au 6e rang mondial pour la production d'électricité d'origine éolienne, au 9e rang mondial pour la production d'électricité solaire photovoltaïque et au 1er rang mondial pour la production d'électricité solaire thermodynamique[182].

    Finlande

    41 % d’énergie produite à partir de sources renouvelables entrent en 2017 dans la consommation finale brute de la Finlande[168].

    France

    En 2017, la part des énergies renouvelables dans le bouquet énergétique de la France est de 10,7 %[183].

    Les énergies renouvelables sont l'un des secteurs en plein développement, ici représentées par secteur en 2005 et 2013. Ce graphique montre l'importance grandissante de la biomasse, notamment encouragée par la PPE et par un projet de stratégie nationale de mobilisation de la biomasse[184].

    Selon les objectifs du Grenelle de l'environnement, les énergies renouvelables devraient produire 23 % de la consommation d'énergie finale française d'ici 2020[185]. L'énergie éolienne devrait produire 10 % de l'électricité en France en 2020. La programmation pluriannuelle des investissements de production de chaleur a fixé des objectifs pour la géothermie : une multiplication par 6 de la production de chaleur à partir de géothermie entre 2006 et 2020[186].

    Ce développement est financé via la contribution au service public de l'électricité. En France, l'énergie photovoltaïque est produite par de nombreux opérateurs (particuliers, propriétaires de bâtiments industriels ou agricoles, etc.) qui vendent l'électricité produite par leur installation aux fournisseurs d'électricité qui sont soumis à une obligation d'achat[187], à des conditions tarifaires régies par la loi. Les tarifs d'achat sont fixés par le ministre chargé de l'énergie après consultation de la Commission de régulation de l'énergie, de façon à stimuler l’investissement par ces opérateurs tout en limitant les « effets d’aubaines » ; le surcoût découlant de ces tarifs d'achat est mis à la charge des consommateurs d'électricité via la contribution au service public de l'électricité.

    La CRE a publié en avril 2014 un rapport sur les coûts et la rentabilité des énergies renouvelables[188] ; ce rapport recommande pour l'éolien :

    • le recours aux appels d'offres plutôt qu'au tarif d'achat unique ;
    • une révision de la structure des tarifs d'obligation d'achat afin d’éviter la rentabilité excessive des installations bénéficiant des meilleures conditions de vent, un appel d’offres permettant également d’atteindre cet objectif ;
    • un allongement de la durée des contrats, afin de la faire correspondre à la durée d’exploitation réelle des parcs éoliens, et un abaissement des tarifs en conséquence ;
    • une révision régulière du tarif, inchangé depuis 2006, afin de refléter l’évolution des coûts.

    Pour le photovoltaïque, il recommande la généralisation des appels d’offres à l’ensemble des filières matures, et le maintien des tarifs d’achat dynamiques (révisés chaque trimestre en fonction de la puissance cumulée des demandes de raccordement enregistrées au cours du trimestre précédent).

    Pour la filière biomasse, il constate la grande diversité des installations et un fort taux d'abandon (60 %) des projets lauréats des appels d'offres, notamment en raison de la perte d’un débouché chaleur ; il maintient cependant sa préférence pour les appels d'offres, en préconisant la prise en compte de la dimension régionale des projets ; un tarif d’achat régionalisé, comportant des clauses contraignantes en matière notamment de contrôle des plans d’approvisionnement de l’installation, pourrait également constituer une solution appropriée, mais la construction des grilles tarifaires serait très complexe.

    Le , l'ADEME a publié une étude présentant 14 scénarios à l'horizon 2050 avec des parts d'énergies renouvelables (EnR) allant de 40 % à 100 % ;

    • avec 40 % d'EnR et 55 % de nucléaire, le coût de l’électricité passe à 117 €/MWh
    • avec 80 % d'EnR (supposant des coûts élevés et une acceptabilité restreinte), le coût de l’électricité passe à 138 €/MWh
    • avec 100 % d'EnR (supposant un accès facilité au capital), le coût de l’électricité passe à 103 €/MWh
    • avec 100 % d'EnR (Le scénario central avec 63 % d'éolien, 17 % de solaire, 13 % d'hydraulique, 7 % d'autres EnR : géothermie, biomasse, énergies marines) aboutit à un coût d'électricité de 119 €/MWh,

    Pour arriver à ces résultats, les auteurs de l'étude ont supposé que le coût du nucléaire passerait à 80 €/MWh contre 42 €/MWh en 2015 et que celui des EnR baisserait fortement : 60 €/MWh pour le solaire au sol, 107 €/MWh pour les éoliennes en mer flottantes. La consommation d'électricité est supposée baisser de 465 TWh en 2014 à 422 TWh en 2050. La gestion de l’intermittence des EnR serait résolue par plusieurs moyens : l’intelligence des systèmes (par exemple : recharge des appareils électriques au moment où le soleil brille), le stockage intrajournalier utilisant des batteries ou des moyens hydrauliques (stations de transfert d’énergie par pompage), et le stockage intersaisonnier à l’aide du power to gaz (transformation de l’électricité en gaz)[189].

    En 2013, les énergies renouvelables ont produit 8,8 % de l'énergie primaire consommée en France (bois 3,9 %, hydraulique 1,9 %, agrocarburants 1 %, éolien 0,5 %, déchets urbains renouvelables 0,4 %, divers 1 %)[190] et 18,6 % de l'électricité produite en France (hydroélectricité : 13,8 % ; éolien : 2,9 % ; solaire : 0,8 % ; autres EnR : 1,1 %)[191]. Dans la consommation d'énergie finale en 2012, les EnR thermiques représentent 9 % et l'électricité 23,9 %[192] dont 18,6 % d'EnR ; la part des EnR dans la consommation finale atteint donc 13,4 %. Selon la Commission de régulation de l'énergie, les surcoûts prévisionnels 2013 dus aux EnR atteignent 3 018,8 M €, dont 2 106,8 M € pour le photovoltaïque, soit 70 % ; en 2014, ils passeront à 3 722,5 M€, dont 2 393 M€ de photovoltaïque, soit 62 %[193].

    Islande

    L'Islande est dotée d'une électricité 100 % renouvelable : 30 % provient de la géothermie, et 70 % des barrages hydroélectriques en 2018[194]. Au niveau de la consommation finale de l'ensemble des énergies, la part de l'électricité représente 51,8 %, celle des Réseaux de chaleur, provenant à 97 % de la géothermie, est de 21,7 %, et la part des énergies fossiles est de 23 % ; la part des renouvelables est de 77 %[195].

    Italie

    En 2017 la part d'EnR dans la consommation finale d'énergie s'élevait à 17,4 %, dans le secteur électrique, les EnR ont produit 35 % de la production nationale d'électricité[196].

    Lettonie

    39 % d’énergie produite à partir de sources renouvelables entrent en 2017 dans la consommation finale brute de la Lettonie[169].

    Portugal

    En 2005, 16 % de l’électricité du Portugal était renouvelable[197]. Le seuil des 50 % a été franchit dès 2010 et en 2014 le Portugal atteint 63 % d’EnR[197].

    Royaume-Uni

    Le Royaume-Uni est le 3e producteur d’électricité éolienne d'Europe et le 1er mondial pour l'éolien en mer. Pendant quatre mois de l’année 2019, l’énergie utilisée par le Royaume-Uni provenait davantage de ressources énergétiques renouvelables que des énergies fossiles[198],[199].

    Suède

    Avec 54,5 % d’énergie produite à partir de sources renouvelables dans sa consommation finale brute en 2017, la Suède est le pays de l'Union européenne où cette part est la plus élevée[200],[168].

    Suisse

    La Suisse, grâce à ses nombreux cours d'eau et à ses barrages, principalement alpins, produit une proportion élevée de son électricité de manière renouvelable. En 2017, 59,6 % de sa production d'électricité est d'origine hydroélectrique. S'y ajoutent 4,0 % d'autres énergies renouvelables, principalement du solaire photovoltaïque ou provenant de l'incinération des ordures ménagères ; la contribution des autres sources d'énergie renouvelable (éolien, géothermie, etc.) est marginale[201].

    Plusieurs réseaux sont en fonction ou en projet pour utiliser la chaleur des lacs pour le chauffage à distance ou le froid à distance, via des pompes à chaleur[202].

    Amérique

    Brésil

    En 2012, les énergies renouvelables représentaient 82,7 % de la production totale d'électricité [203].

    Canada

    Chili

    En 2019, 43 % de la production électrique est issue d'énergies renouvelables[204].

    États-Unis

    En 2007, les énergies renouvelables représentaient 9,6 % du total de la « production » d'énergie primaire commercialisée aux États-Unis contre 11,7 % pour le nucléaire[205]. En 2008, les États-Unis occupent le premier rang mondial pour les investissements dans les énergies renouvelables (24 milliards de dollars)[206].

    Paraguay

    Depuis les années 2000 pratiquement 100 % de la production électrique du Paraguay est issue d'énergies renouvelable[207],[208],[209].

    Asie

    Chine

    La Chine est le premier pays producteur d'énergies renouvelables au monde ; il est également premier producteur d'électricité renouvelable dans chaque catégorie : hydroélectricité, éolien, solaire et biomasse[210]. En 2017, la part des énergies renouvelables dans la consommation primaire d'énergie de la Chine est de 9,2 % (3,7 % de biomasse et déchets, 3,2 % d'hydraulique et 2,3 % d'éolien et de solaire)[211]. En 2017, le gouvernement chinois investit 361 milliards de dollars supplémentaires pour développer ses énergies renouvelables et réduire sa dépendance du charbon[212].

    Inde

    En 2017, la part des énergies renouvelables dans la consommation primaire d'énergie de l'Inde est de 23,4 % (21,2 % de biomasse et déchets, 1,4 % d'hydraulique et 0,8 % de solaire et éolien)[213].

    Japon

    En 2018, 20,3 % de la production d'électricité était d'origine renouvelable (8,8 % hydraulique, 1,9 % biomasse, 2 % déchets, 6,6 % solaire, 0,7 % éolien, 0,2 % géothermie)[214].

    Afrique

    En 2016 la part des énergies renouvelables dans la consommation primaire d'énergie des pays africains est proche de 50 %, du fait d’une forte utilisation de bois-énergie combinée avec une faible consommation d’énergie[183]. En 2016, les investissements atteindraient 5,8 Mds €. Le Kenya devrait accueillir 1,4 GW de renouvelables ; l'Éthiopie installera 570 MW de géothermie et d'éolien entre 2014 et 2016 ; l'Afrique du Sud devrait installer 3,9 GW en 2015-16, surtout en éolien et solaire, et prévoit 17,8 GW d'ici 2030[215].

    À grande échelle, la Fondation Desertec construit dans le Sahara des centrales solaires thermiques à concentration. D'après ses ingénieurs, « les déserts de la planète reçoivent toutes les 6 heures du soleil l’équivalent de ce que consomme l’humanité chaque année » et quelques centaines de km2 d'étendue désertique pourrait satisfaire l'ensemble des besoins énergétiques de la planète[216].

    Algérie

    L’Algérie a lancé, le 3 février 2011[217], son Programme national de développement des énergies nouvelles et renouvelables et de l'efficacité énergétique[218]. Ce programme, qui s'étale sur la période allant de 2011 à 2013, ambitionnait de produire 22 000 MW d'électricité à partir du solaire et de l'éolien dont 10 000 MW destinés à l'exportation[219].

    Le gouvernement algérien a adopté fin février 2015 son programme de développement des énergies renouvelables 2015-2030. Une première phase du programme, démarrée en 2011, avait permis la réalisation de projets pilotes et d'études sur le potentiel national. Le nouveau programme précise les objectifs d'installations d'ici à 2030 :

    Le total s'élève ainsi à 22 GW, dont plus de 4,5 GW doivent être réalisés d'ici à 2020[220].

    Afrique du Sud

    Congo

    En 2015, les énergies renouvelables représentaient environ 95,8 % de la consommation totale réelle en République démocratique du Congo[221],[209],[222].

    Maroc

    Au Maroc, la part du renouvelable dans la puissance installée électrique est passée de moins de 2 % en 2008 à 38 % fin 2018[223]. Au moyen des projets déjà lancés comme l’extension de Noor Ouarzazate, la construction de la station solaire de Midelt et les initiatives dans l’éolien au nord du pays et au Sahara, le Maroc vise à rendre 42 % de sa puissance installée électrique renouvelable en 2020 et passer à 52 % en 2030[223],[224],[225],[226].

    Mais en 2018 la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité n'est que de 19 % (éolien : 11,3 % ; hydraulique : 5 % ; solaire : 2,8 %)[227] contre 18 % en 2010, et leur part dans la consommation d'énergie primaire a reculé de 10,9 % en 2010 à 8,8 % en 2017[228].

    Perceptions, appropriation par le public

    Les EnR semblent de plus en plus faire consensus.

    En France, en 2010, 97 % des Français se déclaraient favorables au développement des EnR[229] avec une préférence pour le solaire (61 % contre 68 % en 2009), l’éolien (53 % contre 43 % en 2009), devant l'hydraulique (20 %) et la géothermie (20 %). L'acceptabilité générale a augmenté (74 % des personnes interrogées en 2010 plébiscitent l’installation d'éoliennes sur le territoire (-3 points par rapport à 2009)), mais des critères d'esthétique sont cités par 67 % des répondants et des craintes de nuisances sonores (59 %) comme frein à leur développement, sauf si elles sont situées à plus de 1 km du domicile. Utiliser son domicile pour produire de l'électricité à partir de sources renouvelables semble intéressant pour 44 % des personnes interrogées et très intéressant pour 28 % d'entre elles. En 2010, grâce notamment aux aides publiques, le solaire a gagné +13 % et les pompes à chaleur (+5 %). L'acceptabilité générale EnR est en hausse, 75 % des Français étant favorables à leur installation. Cependant, l'ADEME enregistre une baisse d’acceptabilité pour les projets installés « sur son toit », l'installation des équipements étant jugé trop compliquée pour le particulier (pour 44 % des répondants, +8 % par rapport à 2009) et encore initialement trop coûteuse (pour 45 % des répondants, soit +11 % par rapport à 2009) ou avec un temps de retour sur investissement trop long. Le principe du tiers-investisseur peine à se développer pour les petits projets en France, et la baisse des couts de rachats de l'électrifié photovoltaïque a probablement contribué à freiner ce secteur, en fort développement dans d'autres pays.

    Organisations professionnelles et associations

    L'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a été créée après une réunion préparatoire le à Bonn (conférence pour la fondation de l'Agence) ; elle est entrée en fonctionnement le .

    Fin 2012, pour l'Europe des Vingt-Sept, le marché total des énergies renouvelables représentait près de 1,2 million d'emplois (dans le photovoltaïque, la biomasse solide et l'éolien surtout, pour un chiffre d'affaires cumulé (toutes EnR confondues) évalué à plus de 137 milliards d'euros[230].)

    En mai 2014, elle compte 131 États membres et 37 autres candidats à l'adhésion[231].

    La « Ligue des Champions EnR »[232] a pour but de créer une compétition entre les villes européennes selon leur production d'énergies renouvelables. Ce concours comporte deux classements, un pour le solaire, et un pour la biomasse. Il existe des ligues EnR nationales pour l'Allemagne, la Bulgarie, la France[233], la Hongrie, l'Italie, la Pologne et la République tchèque.

    En France, les deux principales associations représentatives du secteur EnR sont :

    • le Syndicat des énergies renouvelables[234] créé en 1993 pour promouvoir les intérêts des industriels et des professionnels français des énergies renouvelables et défendre les intérêts français au niveau des principaux programmes européens de soutien au secteur ; au , le SER regroupe 400 adhérents, représentant un chiffre d’affaires de 10 milliards d'euros et plus de 75 000 emplois dans le domaine des énergies renouvelables. Le SER représente surtout les grandes entreprises du secteur : parmi les 15 membres de son conseil d'administration, on note deux représentants d'EDF Renouvelables, un de la Compagnie nationale du Rhône, un de Total, un de General Electric Énergie renouvelable, un de Siemens, un de Dalkiaetc.
    • le CLER - Réseau pour la transition énergétique, association agréée de protection de l'environnement créée en 1984 et habilitée à siéger dans les instances nationales par arrêté du , a pour objectif de promouvoir les énergies renouvelables, la maîtrise de l'énergie et, plus largement, la transition énergétique. Le CLER fédère près de 200 structures professionnelles réparties sur l'ensemble du territoire. Ses adhérents sont surtout des associations (ONG, associations locales spécialistes des énergies renouvelables et de l'efficacité énergétique), des organismes publics (agences de l'énergie, organismes de formation et de recherche, collectivités territoriales, établissements publics et syndicats d'énergies, Espaces Info Énergie, agences départementales d’information sur le logement) et des professionnels de taille modeste (bureaux d'études, développeurs de projets, exploitants ou installateurs, fournisseurs d'équipements, architectes, etc.).

    Évolution et tendances

    Une nette tendance à la réorientation vers les énergies renouvelables est constatée depuis la fin du XXe siècle, en réponse à un début de raréfaction du pétrole, aux impacts climatiques et sanitaires négatifs des énergies carbonées, à la dangerosité du nucléaire et à la difficulté de traiter ses déchets ou à sa moindre acceptabilité après les catastrophes de Tchernobyl et Fukushima.

    Des concepts d'éolienne aéroportée sont à l'étude pour aller chercher les vents d'altitude, plus puissants, plus réguliers : Magenn[235], Kite Gen, et Skywindpower[236] conçus pour s'élever de 300 à 5 000 m avec l'espoir de produire beaucoup plus d'électricité qu'avec une éolienne terrestre, car la puissance des courants-jets est 20 à 30 fois supérieure à celle des vents en basse altitude.

    D'après Statkraft, le potentiel technique mondial de l'énergie osmotique serait de 1 600 TWh/an, soit 50 % de la production électrique de l’Union Européenne[237]. Statkraft à développer un prototype de 3 kW destiné à tester la fiabilité du processus et à en améliorer le rendement avec l'objectif d'atteindre 25 MW en 2015[238]. Depuis, une centrale a été construite au Japon ; une autre est en construction aux États-Unis[237].

    Des cyanobactéries modifiées pourraient convertir de l'énergie solaire en carburant et consommer du CO2. Cette technique et l'utilisation de ce carburant équilibreraient la production et la consommation de CO2. Une entreprise a créé cette technique par génie génétique et l'améliore peu à peu[239].

    Selon Jean-Marc Jancovici[240], le développement des énergies renouvelables ne suffira pas à éviter une importante diminution des consommations d'énergie : « malgré les renouvelables, des changements de nos modes de vie lui semblent nécessaires »[241].

    Le prospectiviste Jeremy Rifkin annonce pour le début du XXIe siècle une possible « troisième révolution industrielle » issue de la convergence du secteur de l'énergie et de celui de l'informatique. Le développement de systèmes de stockage des énergies irrégulières (via l'hydrogène ou les véhicules électriques utilisés comme accumulateurs mobiles) et celui des smart grids autorisent la mise en commun et le partage de millions de sources distribuées d'énergie (solaire, éolienne, marine, géothermique, hydroélectrique, issue de la biomasse et des déchets, etc.). Jeremy Rifkin estime que cette révolution est urgente ; elle doit être mise en œuvre avant 2050 et largement entamée en 2020 si l'humanité veut répondre aux défis du changement climatique, à la crise du pétrole, aux crises économique et écologiques[242].

    Formation professionnelle, initiale et continue

    Depuis les années 1970 des formations sur le énergies renouvelables sont apparues et se sont structurées. Elles évoluent régulièrement pour prendre en compte les technologies et énergies émergentes (dont les smart gridsetc.) et les nouvelles réglementations.

    En France

    En 2015, 215 formations étaient répertoriées (dont 16 pour le niveau CAP au BAC pro, 13 de niveau Bac+2, 30 de niveau Bac+3, 34 de niveau Bac+5 et 24 dispensées par des industrielles, ainsi qu'une petite centaine en formation continue)[243]. La dernière formation ouverte l'a été en 2016, dénommée Sup'EnR (cursus de 3 ans ouvert à des Bac+2) par l'université de Perpignan sur les thèmes du solaire, de l'éolien terrestre et flottant, de la biomasse, de l'hydraulique et de la géothermie), formant au génie énergétique appliqués à l'industrie et au bâtiment, avec accès au four solaire d'Odeillo et à la centrale solaire Thémis[244].

    Notes et références

    Notes

    1. Le HP est le horsepower, ou cheval-vapeur britannique.
    2. Terme issu de l'expérience de l'hydroélectricité, où, dans les situations de dépassement des capacités des barrages en cas de fortes chutes de pluie, le déversement du trop-plein par les évacuateurs de crues devient inévitable.
    3. Puissance des systèmes de production d'eau chaude solaires.
    4. ce classement illustre la quantité d’énergie produite ou la puissance installée, non la part d’énergie renouvelable dans la consommation nationale
    5. la production des centrales de pompage-turbinage ne fait pas partie des énergies renouvelables car elle est inférieure à l'électricité consommée pour le pompage, elle-même d'origines diverses.

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    • Sven Geitmann, Énergies renouvelables & Carburants alternatifs, Hydrogeit Verlag, (ISBN 3937863060)
    • Arnaud Michon, Le Sens du vent, notes sur la nucléarisation de la France au temps des illusions renouvelables, Éditions de l'Encyclopédie des Nuisances, 2010.
    • Jacques Vernier, Les énergies renouvelables, Paris, Presses universitaires de France, coll. « Que sais-je » (no 3240), , 3e éd. (ISBN 2130544495)
    • (en) Sawin, Janet L., Sverrisson, Freyr et al., Renewables 2014 : Global status report, REN21, , 214 p. (ISBN 978-3-9815934-2-6, lire en ligne)

    Articles connexes

    Énergies renouvelables
    Développement durable et changement climatique
    Valorisation économique

    Liens externes