Énergie alternative

L’énergie alternative est toute source d’énergie qui est une alternative aux combustibles fossiles. Ces alternatives visent à répondre aux préoccupations concernant les combustibles fossiles, telles que ses émissions élevées de dioxyde de carbone, un facteur important du réchauffement de la planète. L’énergie marine, l’énergie hydroélectrique, éolienne, géothermique et solaire sont toutes des sources d’énergie alternatives.

La nature de ce qui constitue une source d’énergie alternative a considérablement changé au fil du temps, tout comme les controverses concernant l’utilisation de l’énergie. En raison de la diversité des choix énergétiques et des objectifs différents de leurs défenseurs, la définition de certains types d’énergie comme «alternative» est considérée comme très controversée.

Types d’énergies alternatives existants
L’hydroélectricité capte l’énergie de la chute d’eau.
L’énergie nucléaire utilise la fission nucléaire pour libérer de l’énergie stockée dans les liaisons atomiques d’éléments lourds.
L’énergie éolienne est la production d’électricité à partir du vent, généralement à l’aide de turbines semblables à des hélices.
L’énergie solaire est l’utilisation de l’énergie du soleil. La chaleur du soleil peut être utilisée pour des applications thermiques solaires ou la lumière peut être convertie en électricité via des dispositifs photovoltaïques.
L’énergie géothermique est l’utilisation de la chaleur interne de la terre pour faire bouillir de l’eau pour chauffer des bâtiments ou produire de l’électricité.
Les biocarburants et l’éthanol sont des substituts à l’essence des végétaux pour l’alimentation des véhicules.
L’hydrogène peut être utilisé comme vecteur d’énergie, produit par diverses technologies telles que le craquage d’hydrocarbures ou l’électrolyse de l’eau.

Technologies habilitantes
La climatisation à accumulation de glace et les réchauffeurs à accumulation thermique sont des méthodes permettant de déplacer la consommation afin d’utiliser de l’électricité de pointe à faible coût. Comparativement au chauffage par résistance, les pompes à chaleur conservent de l’énergie électrique (ou dans de rares cas, de la puissance mécanique ou thermique) en collectant la chaleur d’une source froide telle qu’une masse d’eau, le sol ou l’air.

Les technologies de stockage thermique permettent de stocker de la chaleur ou du froid pendant des périodes allant du jour à l’intersaison et peuvent impliquer le stockage de l’énergie sensible (en modifiant la température d’un milieu) ou de l’énergie latente change de solide à liquide ou vice versa), par exemple entre eau et neige fondue ou glace). Les sources d’énergie peuvent être naturelles (via des collecteurs solaires thermiques ou des tours de refroidissement à sec utilisées pour collecter le froid hivernal), des déchets énergétiques (tels que des équipements CVC, des procédés industriels ou des centrales électriques) ou des surplus d’énergie par intermittence des parcs éoliens). La communauté solaire de Drake Landing (Alberta, Canada) est illustrative. Le stockage de l’énergie thermique dans les forages permet à la communauté d’obtenir 97% de sa chaleur disponible toute l’année grâce à des capteurs solaires installés sur les toits des garages. Les entrepôts peuvent être des réservoirs isolés, des grappes de forage dans des substrats allant du gravier à la roche-mère, des aquifères profonds ou des fosses peu profondes garnies et isolées. Certaines applications nécessitent l’inclusion d’une pompe à chaleur.

Énergie renouvelable vs énergie non renouvelable
L’énergie renouvelable est produite à partir de ressources naturelles – telles que la lumière du soleil, le vent, la pluie, les marées et la chaleur géothermique – qui sont renouvelables (naturellement renouvelées). Lorsque l’on compare les processus de production d’énergie, il subsiste plusieurs différences fondamentales entre les énergies renouvelables et les combustibles fossiles. Le processus de production de pétrole, de charbon ou de gaz naturel est un processus difficile et exigeant qui nécessite de nombreux équipements complexes, des processus physiques et chimiques. D’autre part, les énergies de remplacement peuvent être largement produites avec des équipements de base et des processus naturels. Le bois, le carburant alternatif le plus renouvelable et le plus disponible, émet la même quantité de carbone lorsqu’il est brûlé qu’en cas de dégradation naturelle. Le nucléaire est une alternative aux énergies fossiles non renouvelables, comme les combustibles fossiles, les énergies nucléaires étant une ressource limitée.

Alternatives écologiques
Une source d’énergie renouvelable telle que la biomasse est parfois considérée comme une bonne alternative à la fourniture de chaleur et d’électricité avec des combustibles fossiles. Les biocarburants ne sont pas intrinsèquement écologiques à cette fin, alors que la combustion de la biomasse est neutre en carbone, la pollution de l’air est toujours produite. Par exemple, les Pays-Bas, autrefois leader dans l’utilisation de l’huile de palme en tant que biocarburant, ont suspendu toutes les subventions en raison de la preuve scientifique que leur utilisation « peut parfois causer plus de dommages à l’environnement que les combustibles fossiles ». Le gouvernement néerlandais et les groupes environnementaux tentent de retracer les origines de l’huile de palme importée, pour certifier quelles opérations produisent l’huile de manière responsable. En ce qui concerne les biocarburants provenant de produits alimentaires, la reconversion de la totalité de la récolte céréalière américaine ne produirait que 16% de ses besoins en carburant, et la décimation des forêts tropicales tropicales absorbant le CO2 du Brésil pour permettre la production de biocarburants a clairement montré que Les marchés en concurrence avec les marchés des produits alimentaires entraînent une hausse des prix des produits alimentaires et un impact négligeable ou négatif sur des problèmes énergétiques tels que le réchauffement de la planète ou la dépendance vis-à-vis des énergies étrangères. Récemment, des alternatives à ces carburants durables indésirables ont été recherchées, telles que des sources commercialement viables d’éthanol cellulosique.

Concepts relativement nouveaux pour les énergies alternatives

Carburant neutre en carbone et négatif
Les carburants neutres en carbone sont des carburants synthétiques (méthane, essence, gazole, carburéacteur ou ammoniac) produits par hydrogénation des rejets de dioxyde de carbone provenant des émissions de gaz de combustion des centrales électriques, récupérés des gaz d’échappement des véhicules automobiles ou dérivés de l’acide carbonique contenu dans l’eau de mer. Les entreprises de synthèse de carburants commerciaux suggèrent qu’elles peuvent produire des carburants synthétiques à un prix inférieur à celui des carburants à base de pétrole lorsque le prix du baril dépasse les 55 dollars. Le méthanol renouvelable (RM) est un combustible produit à partir d’hydrogène et de dioxyde de carbone par hydrogénation catalytique lorsque l’hydrogène provient de l’électrolyse de l’eau. Il peut être mélangé à du carburant de transport ou transformé en une matière première chimique.

L’usine de recyclage de dioxyde de carbone George Olah, exploitée par Carbon Recycling International à Grindavík, en Islande, produit 2 millions de litres de méthanol par an à partir des gaz d’échappement de la centrale de Svartsengi depuis 2011. Elle peut produire 5 millions de litres par an. . Une centrale de synthèse de méthane de 250 kilowatts a été construite par le Centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène (ZSW) à Bade-Wurtemberg et la société Fraunhofer en Allemagne. Elle a commencé à fonctionner en 2010. Elle est actuellement mise à niveau à 10 mégawatts et devrait être achevée à l’automne. 2012. Audi a construit une usine de gaz naturel liquéfié (GNL) neutre en carbone à Werlte, en Allemagne. L’usine est destinée à produire du carburant de transport pour compenser le GNL utilisé dans ses automobiles A3 Sportback g-tron et peut conserver 2 800 tonnes de CO2 par an à sa capacité initiale. D’autres développements commerciaux ont lieu en Colombie, en Caroline du Sud, à Camarillo, en Californie, et à Darlington, en Angleterre.

Ces carburants sont considérés comme neutres en carbone car ils n’entraînent pas d’augmentation nette des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Dans la mesure où les combustibles synthétiques remplacent les combustibles fossiles, ou s’ils sont produits à partir de carbone carboné ou d’acide carbonique d’eau de mer, et que leur combustion est soumise au captage de carbone au niveau du conduit de fumée ou du tuyau d’échappement, ils entraînent une émission négative de dioxyde de carbone et une élimination nette de dioxyde de carbone. de l’atmosphère et constituent donc une forme de remédiation des gaz à effet de serre.

Ces carburants renouvelables réduisent les coûts et les problèmes de dépendance des combustibles fossiles importés sans nécessiter l’électrification du parc de véhicules ou la conversion à l’hydrogène ou à d’autres combustibles, permettant ainsi la poursuite de véhicules compatibles et abordables. Les carburants neutres en carbone offrent un stockage de l’énergie relativement peu coûteux, atténuant les problèmes de vent et d’intermittence solaire, et permettent la distribution de l’énergie éolienne, hydraulique et solaire à travers les gazoducs existants.

L’énergie éolienne de nuit est considérée comme la forme d’énergie électrique la plus économique pour synthétiser le carburant, car la courbe de charge de l’électricité atteint son maximum pendant la journée, mais le vent a tendance à souffler un peu plus que la nuit. L’énergie éolienne est souvent beaucoup moins chère que toute autre solution. L’Allemagne a construit une usine de méthane synthétique de 250 kilowatts, dont la capacité atteint 10 mégawatts.

Carburant aux algues
Le carburant d’algues est un biocarburant dérivé d’algues. Au cours de la photosynthèse, les algues et autres organismes photosynthétiques capturent le dioxyde de carbone et la lumière solaire et les convertissent en oxygène et en biomasse. Cela se fait généralement en plaçant les algues entre deux vitres. Les algues créent trois formes de combustible énergétique: la chaleur (issue de son cycle de croissance), le biocarburant (l’huile naturelle issue des algues) et la biomasse (issue des algues elles-mêmes, récoltées à maturité).

La chaleur peut être utilisée pour alimenter des systèmes de bâtiment (tels que l’eau de traitement thermique) ou pour produire de l’énergie. Le biocarburant est une huile extraite des algues à maturité et utilisée pour créer une énergie similaire à celle du biodiesel. La biomasse est la matière laissée après l’extraction du pétrole et de l’eau et peut être récoltée pour produire du méthane combustible pour la production d’énergie, semblable à la chaleur ressentie dans un tas de compost ou le méthane collecté dans des matériaux biodégradables. En outre, le biocarburant à base d’algues présente l’avantage de pouvoir être produit industriellement et verticalement (comme une façade de bâtiment), évitant ainsi l’utilisation de terres arables et de cultures vivrières (comme le soja, le palmier et le canola).

Briquettes de biomasse
Les briquettes de biomasse sont en cours de développement dans les pays en développement comme alternative au charbon de bois. La technique implique la conversion de presque toutes les matières végétales en briquettes comprimées qui ont typiquement environ 70% de la valeur calorifique du charbon de bois. Il existe relativement peu d’exemples de production de briquettes à grande échelle. Une exception est le Nord-Kivu, dans l’est de la République démocratique du Congo, où le défrichement forestier pour la production de charbon de bois est considéré comme la plus grande menace pour l’habitat des gorilles de montagne. Le personnel du Parc national des Virunga a formé et équipé avec succès plus de 3 500 personnes pour produire des briquettes de biomasse, remplaçant ainsi le charbon produit illégalement dans le parc national et créant des emplois importants pour les personnes vivant dans l’extrême pauvreté.

Digestion de biogaz
La digestion du biogaz exploite le méthane libéré lorsque les déchets organiques se décomposent dans un environnement anaérobie. Ce gaz peut être extrait des sites d’enfouissement ou des systèmes d’égouts. Le gaz peut être utilisé comme combustible pour le chauffage ou, plus communément, pour la production d’électricité. Le méthane recueilli et raffiné peut être utilisé comme source d’énergie pour divers produits.

Production biologique d’hydrogène
Le gaz hydrogène est un carburant à combustion totalement propre; son seul sous-produit est de l’eau. Il contient également une quantité d’énergie relativement élevée par rapport à d’autres combustibles en raison de sa structure chimique.

2H2 + O2 → 2H2O + haute énergie

Haute Energie + 2H2O → 2H2 + O2

Cela nécessite un apport d’énergie élevé, ce qui rend l’hydrogène commercial très inefficace. L’utilisation d’un vecteur biologique comme moyen de fractionner l’eau, et donc de produire de l’hydrogène, permettrait que le seul apport d’énergie soit le rayonnement solaire. Les vecteurs biologiques peuvent inclure des bactéries ou plus généralement des algues. Ce processus est connu sous le nom de production biologique d’hydrogène. Il nécessite l’utilisation d’organismes unicellulaires pour créer de l’hydrogène par fermentation. Sans la présence d’oxygène, également appelée environnement anaérobie, une respiration cellulaire régulière ne peut avoir lieu et un processus appelé fermentation prend le relais. L’hydrogène est un sous-produit majeur de ce procédé. Si cela pouvait être mis en œuvre à grande échelle, la lumière du soleil, les nutriments et l’eau pourraient créer de l’hydrogène pouvant être utilisé comme source d’énergie dense. La production à grande échelle s’est révélée difficile. Ce n’est qu’en 1999 qu’il était même possible d’induire ces conditions anaérobies par privation de soufre. Puisque le processus de fermentation est un processus évolutif, activé pendant le stress, les cellules meurent au bout de quelques jours. En 2000, un processus en deux étapes a été mis au point pour extraire les cellules des conditions anaérobies et les maintenir en vie. Au cours des dix dernières années, le principal objectif de la recherche a été de trouver un moyen d’y parvenir à grande échelle. Un travail minutieux est effectué pour assurer un processus efficace avant la production à grande échelle. Cependant, une fois qu’un mécanisme est développé, ce type de production pourrait résoudre nos besoins énergétiques.

Hydroélectricité
L’hydroélectricité a fourni 75% de l’électricité renouvelable mondiale en 2013. Une grande partie de l’électricité utilisée aujourd’hui est le résultat de l’apogée du développement hydroélectrique conventionnel entre 1960 et 1980, qui a pratiquement cessé en Europe et en Amérique du Nord. Globalement, il y a une tendance à plus d’hydroélectricité. De 2004 à 2014, la capacité installée est passée de 715 à 1 055 GW. Une solution de rechange populaire aux grands barrages du passé est la course au fil de l’eau où il n’ya pas d’eau stockée derrière un barrage et où la production varie généralement en fonction des précipitations saisonnières. Utiliser le courant au fil de la saison humide et le soleil à la saison sèche peuvent compenser les variations saisonnières des deux. Les petites centrales hydroélectriques constituent un autre moyen de s’éloigner des grands barrages. Celles-ci ont tendance à se situer en hauteur sur les affluents, plutôt que sur les principales rivières au fond des vallées.

Éolien offshore
Les parcs éoliens offshore sont similaires aux parcs éoliens terrestres, mais sont situés sur l’océan. Les éoliennes offshore peuvent être placées dans des eaux d’une profondeur maximale de 40 mètres (130 pieds), tandis que les éoliennes flottantes peuvent flotter dans l’eau jusqu’à 700 mètres de profondeur. L’avantage d’avoir un parc éolien flottant est de pouvoir maîtriser les vents du large. En l’absence d’obstacles tels que des collines, des arbres et des bâtiments, les vents de l’océan peuvent atteindre des vitesses deux fois plus rapides que les zones côtières.

Une production importante d’énergie éolienne offshore contribue déjà aux besoins en électricité en Europe et en Asie et les premiers parcs éoliens offshore sont actuellement en développement dans les eaux américaines. Alors que l’industrie éolienne offshore a connu une croissance spectaculaire au cours des dernières décennies, en particulier en Europe, l’incertitude demeure liée à la manière dont la construction et l’exploitation de ces parcs éoliens affectent les animaux marins et le milieu marin.

Les éoliennes offshore traditionnelles sont attachées aux fonds marins dans les eaux peu profondes du milieu marin côtier. À mesure que les technologies éoliennes en mer deviennent plus avancées, les structures flottantes ont commencé à être utilisées dans les eaux plus profondes où il existe davantage de ressources éoliennes.

Energie marine et hydrokinétique
Le développement d’énergie marine et hydrocinétique (MHK) ou marin comprend les projets utilisant les dispositifs suivants:

L’énergie houlomotrice est le transport d’énergie par les vagues de vent et la capture de cette énergie pour effectuer un travail utile, par exemple la production d’électricité ou le pompage de l’eau dans des réservoirs. Une machine capable d’exploiter des vagues importantes dans les zones côtières ouvertes est généralement connue sous le nom de convertisseur d’énergie houlomotrice.
Les turbines marémotrices sont placées dans les zones côtières et estuariennes et les débits quotidiens sont assez prévisibles.
Turbines dans les rivières au débit rapide
Turbines à courant océanique dans les zones de forts courants marins
Convertisseurs d’énergie thermique océanique dans les eaux tropicales profondes.

Pouvoir nucléaire
En 2015, dix nouveaux réacteurs ont été mis en service et 67 autres étaient en construction, dont les huit premiers réacteurs de nouvelle génération III + AP1000 aux États-Unis et en Chine et les quatre premiers réacteurs EPR de troisième génération en Finlande, en France et en Chine. Des réacteurs sont également en construction au Bélarus, au Brésil, en Inde, en Iran, au Japon, au Pakistan, en Russie, en Slovaquie, en Corée du Sud, en Turquie, en Ukraine et aux Émirats arabes unis.

Thorium nucléaire
Le thorium est un matériau fissile pouvant être utilisé ultérieurement dans un réacteur à base de thorium. Les partisans des réacteurs au thorium revendiquent plusieurs avantages potentiels par rapport au cycle du combustible à l’uranium, tels qu’une plus grande abondance du thorium, une meilleure résistance à la prolifération des armes nucléaires et une réduction de la production de plutonium et d’actinides. Les réacteurs à thorium peuvent être modifiés pour produire de l’uranium 233, qui peut ensuite être transformé en uranium hautement enrichi, qui a été testé sur des armes à faible rendement et qui n’a pas été prouvé à l’échelle commerciale.

Investir dans les énergies alternatives
En tant que secteur économique émergent, les opportunités d’investissement dans les énergies alternatives disponibles au grand public sont limitées. Le public peut acheter des actions de sociétés d’énergie alternative provenant de différents marchés boursiers, avec des rendements extrêmement volatils. La récente introduction en bourse de SolarCity démontre la nature naissante de ce secteur: en quelques semaines, il avait déjà atteint la deuxième capitalisation boursière du secteur des énergies alternatives.

Les investisseurs peuvent également choisir d’investir dans des ETF (fonds négociés en bourse) qui suivent un indice énergétique alternatif, tel que le WilderHill New Energy Index. En outre, il existe un certain nombre de fonds communs de placement, tels que le fonds alternatif Global Alternative Energy de Calvert, qui sont un peu plus proactifs dans le choix des investissements sélectionnés.

L’économie de l’électricité photovoltaïque solaire dépend fortement de la tarification du silicium et même les entreprises dont les technologies reposent sur d’autres matériaux (First Solar, par exemple) sont influencées par l’équilibre entre l’offre et la demande sur le marché du silicium. De plus, du fait que certaines entreprises vendent des cellules solaires complètes sur le marché libre (par exemple, Q-Cells), cela crée une barrière peu aisée pour les entreprises souhaitant fabriquer des modules solaires, ce qui peut créer un environnement de prix irrationnel.

En revanche, l’énergie éolienne étant exploitée depuis plus de 100 ans, sa technologie sous-jacente est relativement stable. Son économie dépend en grande partie du choix des sites (par exemple, de la force du vent et des investissements nécessaires dans le réseau), des prix de l’acier (le composant le plus important d’une éolienne) et du choix des matériaux composites (utilisés pour les pales). Les éoliennes actuelles dépassant souvent 100 mètres de haut, la logistique et une plate-forme de fabrication mondiale constituent un avantage concurrentiel majeur. Ces problèmes et d’autres ont été examinés dans un rapport de recherche de Sanford Bernstein.

Energie alternative dans les transports
En raison de la hausse constante des prix de l’essence en 2008, le prix moyen national américain par gallon d’essence sans plomb ordinaire ayant dépassé 4,00 USD à un moment donné, on assiste à une tendance constante au développement d’une efficacité énergétique accrue et à l’utilisation de véhicules à carburant de remplacement pour les consommateurs. En réponse à cela, de nombreuses petites entreprises ont rapidement développé la recherche et le développement de manières radicalement différentes d’alimenter les véhicules de consommation. Les véhicules hybrides et électriques à batterie sont disponibles dans le commerce et sont de plus en plus acceptés par l’industrie et les consommateurs dans le monde entier.

Par exemple, Nissan USA a lancé le premier véhicule électrique de série au monde, la Nissan Leaf. Une Chevrolet hybride rechargeable, la Chevrolet Volt, a également été produite à l’aide d’un moteur électrique pour piloter les roues et d’un petit moteur à quatre cylindres pour générer de l’électricité supplémentaire.

Faire de l’énergie alternative la voie dominante
Avant que l’énergie alternative ne soit généralisée, il faut surmonter quelques obstacles cruciaux. Il faut d’abord comprendre comment les énergies alternatives sont bénéfiques. deuxièmement, la disponibilité des composants de ces systèmes doit augmenter; et enfin la période de remboursement doit être réduite.

Par exemple, les véhicules électriques (EV) et les véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV) sont en augmentation. L’adoption continue de ces véhicules dépend de l’investissement dans l’infrastructure de recharge publique, ainsi que de la mise en œuvre d’une énergie beaucoup plus alternative pour les transports futurs.

Recherche
De nombreuses organisations des secteurs universitaire, fédéral et commercial mènent des recherches avancées à grande échelle dans le domaine des énergies alternatives. Cette recherche couvre plusieurs domaines d’intérêt dans le spectre des énergies alternatives. La plupart des recherches visent à améliorer l’efficacité et à accroître les rendements énergétiques globaux.

Aux États-Unis, plusieurs organisations de recherche soutenues par le gouvernement fédéral se sont concentrées sur les énergies alternatives ces dernières années. Sandia National Laboratories et le Laboratoire national d’énergie renouvelable (NREL) sont deux des plus importants de ces laboratoires, tous deux financés par le ministère de l’Énergie des États-Unis et soutenus par divers partenaires corporatifs. Sandia dispose d’un budget total de 2,4 milliards de dollars, tandis que NREL dispose d’un budget de 375 millions de dollars.

Avec l’augmentation de la consommation d’énergie, les niveaux devraient augmenter de 21% en 2030. Le coût des énergies renouvelables était relativement moins élevé, à 2,5 millions de dollars / MW, comparé aux énergies non renouvelables et à 2,7 millions de MW. Evidemment, l’utilisation des énergies renouvelables est une méthode rentable pour obtenir de l’énergie. En outre, leur utilisation dispense du compromis existant entre la conservation de l’environnement et la croissance économique.

Énergie mécanique
L’énergie mécanique associée aux activités humaines telles que la circulation sanguine, la respiration, la marche, la dactylographie et la course à pied est omniprésente mais généralement gaspillée. Des chercheurs du monde entier ont attiré une attention considérable pour trouver des méthodes permettant de récupérer ces énergies mécaniques. La meilleure solution consiste actuellement à utiliser des matériaux piézoélectriques, qui peuvent générer un flux d’électrons lorsqu’ils sont déformés. Divers dispositifs utilisant des matériaux piézoélectriques ont été construits pour récupérer de l’énergie mécanique. Considérant que la constante piézoélectrique du matériau joue un rôle critique dans les performances globales d’un dispositif piézoélectrique, l’un des axes de recherche critiques pour améliorer l’efficacité du dispositif consiste à trouver un nouveau matériau à grande réponse piézoélectrique. Le plomb titane-magnésium-plomb-titane (PMN-PT) est un matériau piézoélectrique de nouvelle génération à constante piézoélectrique très élevée lorsque la composition et l’orientation idéales sont obtenues. En 2012, les nanofils PMN-PT à constante piézoélectrique très élevée ont été fabriqués selon une approche hydro-thermique, puis assemblés dans un dispositif de récupération d’énergie. La constante piézoélectrique record a été encore améliorée par la fabrication d’une nanobelt monocristalline de PMN-PT, qui a ensuite été utilisée comme bloc de construction essentiel pour un nanogénérateur piézoélectrique.

Solaire
L’énergie solaire peut être utilisée pour le chauffage, le refroidissement ou la production d’électricité à l’aide du soleil.

La chaleur solaire est utilisée depuis longtemps dans les bâtiments à chauffage passif et actif, ainsi que dans les systèmes de chauffage urbain. L’Alberta, le Canada et de nombreux systèmes de district au Danemark et en Allemagne sont des exemples de ces derniers. En Europe, il existe deux programmes pour l’application de la chaleur solaire: le chauffage solaire urbain (SDH) et le programme de chauffage et de refroidissement solaires de l’Agence internationale de l’énergie (SHC).

Les obstacles à la mise en œuvre à grande échelle de la production d’énergie solaire sont l’inefficacité de la technologie solaire actuelle et son coût. Actuellement, les panneaux photovoltaïques (PV) ne peuvent convertir qu’environ 16% de la lumière du soleil qui les frappe en électricité.

Les laboratoires Sandia National et le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) ont tous deux largement financé des programmes de recherche sur l’énergie solaire. Le programme solaire NREL dispose d’un budget d’environ 75 millions de dollars et développe des projets de recherche dans les domaines de la technologie photovoltaïque (PV), de l’énergie solaire thermique et du rayonnement solaire. Le budget de la division solaire de Sandia est inconnu. Cependant, il représente un pourcentage important du budget de 2,4 milliards de dollars du laboratoire.

Plusieurs programmes universitaires ont porté sur la recherche solaire ces dernières années. Le Centre de recherche sur l’énergie solaire (SERC) de l’Université de Caroline du Nord (UNC) a pour seul objectif de développer une technologie solaire rentable. En 2008, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont mis au point une méthode pour stocker l’énergie solaire en l’utilisant pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau. Une telle recherche vise à surmonter l’obstacle que le développement solaire rencontre face au stockage de l’énergie pendant les heures nocturnes lorsque le soleil ne brille pas. Le projet de démonstration de stockage et de transport de l’énergie éolienne et solaire de Zhangebei au nord-ouest de Pékin utilise des batteries pour stocker 71 MWh, intégrant l’énergie éolienne et solaire sur le réseau avec régulation de la fréquence et de la tension.

En février 2012, la société de développement solaire Semprius Inc., basée en Caroline du Nord et soutenue par la société allemande Siemens, a annoncé avoir développé le panneau solaire le plus efficace au monde. La société affirme que le prototype convertit 33,9% de la lumière solaire transmise en électricité, soit plus du double du taux de conversion haut de gamme précédent.

Vent
La recherche sur l’énergie éolienne remonte à plusieurs décennies, jusqu’aux années 1970, lorsque la NASA a mis au point un modèle analytique pour prédire la production d’énergie des éoliennes lors de vents violents. Aujourd’hui, les laboratoires nationaux Sandia et le laboratoire national des énergies renouvelables ont des programmes dédiés à la recherche éolienne. Le laboratoire de Sandia se concentre sur l’avancement des matériaux, l’aérodynamique et les capteurs. Les projets éoliens de NREL sont centrés sur l’amélioration de la production d’énergie éolienne, la réduction de leurs coûts en capital et l’amélioration de la rentabilité de l’énergie éolienne.

Le laboratoire de terrain pour l’énergie éolienne optimisée (FLOWE) de Caltech a été créé pour rechercher des approches alternatives aux pratiques technologiques en matière de production d’énergie éolienne susceptibles de réduire les coûts, la taille et l’impact environnemental de la production d’énergie éolienne.

Les énergies renouvelables telles que l’éolien, le solaire, la biomasse et la géothermie combinées, ont fourni 1,3% de la consommation d’énergie finale mondiale en 2013.

La biomasse
La biomasse peut être considérée comme un « matériel biologique » dérivé d’organismes vivants ou récemment vivants. Il s’agit le plus souvent de plantes ou de matériaux dérivés de plantes, appelés spécifiquement biomasse lignocellulosique. En tant que source d’énergie, la biomasse peut soit être utilisée directement par combustion pour produire de la chaleur, soit indirectement après l’avoir convertie en diverses formes de biocarburant. La conversion de la biomasse en biocarburant peut être réalisée par différentes méthodes, classées dans les catégories suivantes: méthodes thermiques, chimiques et biochimiques. Le bois reste la plus grande source d’énergie de la biomasse aujourd’hui; les exemples incluent les résidus forestiers (tels que les arbres morts, les branches et les souches d’arbres), les coupures de jardin, les copeaux de bois et même les déchets solides municipaux. Dans le deuxième sens, la biomasse comprend des matières végétales ou animales qui peuvent être converties en fibres ou autres produits chimiques industriels, y compris les biocarburants. La biomasse industrielle peut être cultivée à partir de nombreux types de plantes, notamment le miscanthus, le panic raide, le chanvre, le maïs, le peuplier, le saule, le sorgho, la canne à sucre, le bambou et diverses espèces d’arbres, allant de l’eucalyptus au palmier à huile.

La biomasse, le biogaz et les biocarburants sont brûlés pour produire de la chaleur / de l’électricité et nuire ainsi à l’environnement. Des polluants tels que les oxydes de soufre (SOx), les oxydes d’azote (NOx) et les particules (PM) sont générés par cette combustion. L’Organisation mondiale de la santé estime que 7 millions de décès prématurés sont causés chaque année par la pollution atmosphérique et que la combustion de la biomasse y contribue largement. L’utilisation des biomes est neutre en carbone avec le temps, mais est par ailleurs similaire à la combustion de combustibles fossiles.

Biocarburants éthanol
Principale source de biocarburants en Amérique du Nord, de nombreuses organisations mènent des recherches dans le domaine de la production d’éthanol. Au niveau fédéral, l’USDA mène de nombreuses recherches sur la production d’éthanol aux États-Unis. Une grande partie de cette recherche vise les effets de la production d’éthanol sur les marchés alimentaires nationaux.

Le Laboratoire national des énergies renouvelables a mené divers projets de recherche sur l’éthanol, principalement dans le domaine de l’éthanol cellulosique. L’éthanol cellulosique présente de nombreux avantages par rapport à l’éthanol traditionnel à base de maïs. Il ne supprime pas ou n’entre pas directement en conflit avec l’approvisionnement alimentaire, car il est produit à partir de bois, d’herbes ou de parties non comestibles de plantes. De plus, certaines études ont montré que l’éthanol cellulosique était plus rentable et économiquement durable que l’éthanol à base de maïs. Sandia National Laboratories mène des recherches internes sur l’éthanol cellulosique et est également membre du Joint BioEnergy Institute (JBEI), un institut de recherche fondé par le Department of Energy des États-Unis dans le but de développer des biocarburants cellulosiques.

Autres biocarburants
De 1978 à 1996, le Laboratoire national des énergies renouvelables a expérimenté l’utilisation d’algues comme source de biocarburants dans le « Programme sur les espèces aquatiques ». Un article auto-publié de Michael Briggs, du Groupe des biocarburants de l’Université du New Hampshire, propose des estimations du remplacement réaliste de tous les carburants par des biocarburants en utilisant des algues dont la teneur en huile naturelle est supérieure à 50%. cultivé sur des étangs d’algues dans des usines de traitement des eaux usées. Ces algues riches en huile peuvent ensuite être extraites du système et transformées en biocarburants, le reste séché étant ensuite retraité pour créer de l’éthanol.

La production d’algues destinées à la production d’huile destinée à la production de biocarburants n’a pas encore été entreprise à une échelle commerciale, mais des études de faisabilité ont été menées pour parvenir à l’estimation de rendement susmentionnée. En plus du rendement élevé prévu, l’algaculture, contrairement aux biocarburants basés sur les cultures vivrières, n’entraîne pas de diminution de la production alimentaire, car elle ne nécessite ni terres agricoles ni eau douce. De nombreuses entreprises se tournent vers les bioréacteurs d’algues à diverses fins, notamment pour accroître la production de biocarburants au niveau commercial.

Plusieurs groupes dans divers secteurs mènent des recherches sur Jatropha curcas, un arbre arbustif toxique qui produit des graines considérées par beaucoup comme une source viable d’huile de charge de biocarburants. Une grande partie de cette recherche se concentre sur l’amélioration de la production totale d’huile de Jatropha par acre grâce aux progrès de la génétique, de la science des sols et des pratiques horticoles. SG Biofuels, un développeur de Jatropha basé à San Diego, a utilisé la sélection moléculaire et la biotechnologie pour produire des semences hybrides d’élite de Jatropha qui montrent des améliorations de rendement significatives par rapport aux variétés de première génération. Le Centre pour une agriculture énergétique durable (CfSEF) est une organisation de recherche à but non lucratif basée à Los Angeles qui se consacre à la recherche sur le jatropha dans les domaines de la phytologie, de l’agronomie et de l’horticulture. L’exploration réussie de ces disciplines devrait accroître les rendements de la production agricole de Jatropha de 200 à 300% au cours des dix prochaines années.

Géothermique
L’énergie géothermique est produite en exploitant la chaleur de la croûte terrestre. Elle est considérée comme durable parce que l’énergie thermique est constamment renouvelée. Cependant, la science de la production d’énergie géothermique est encore jeune et développe sa viabilité économique. Plusieurs entités, telles que le Laboratoire national des énergies renouvelables et les Laboratoires nationaux Sandia, mènent des recherches dans le but d’établir une science éprouvée en matière d’énergie géothermique. Le Centre international de recherche géothermique (IGC), une organisation allemande de recherche en géosciences, est principalement axé sur la recherche pour le développement de l’énergie géothermique.

Hydrogène
Plus d’un milliard de dollars ont été dépensés pour la recherche et le développement de combustible à l’hydrogène aux États-Unis. Le laboratoire national des énergies renouvelables et les laboratoires nationaux Sandia ont tous deux des départements dédiés à la recherche sur l’hydrogène. Une grande partie de ces travaux porte sur le stockage de l’hydrogène et les technologies des piles à combustible.