Réflexions autour de la notion d’EROI. Illustration avec le photovoltaïque et l’hydrogène
- Par Didier Pillet
Pages 59 à 66
Citer cet article
- PILLET, Didier,
- Pillet, Didier.
- Pillet, D.
https://doi.org/10.3917/re1.111.0059
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- Pillet, D.
- Pillet, Didier.
- PILLET, Didier,
https://doi.org/10.3917/re1.111.0059
Notes
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[1]
Pour plus de détails sur la notion d’EROI, voir dans ce numéro, l’article de Jacques Treiner et Gérard Bonhomme.
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[2]
Ce sujet est traité plus en détail dans l’article de Félix Lallemand, inclus également dans ce numéro.
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[3]
Ce ratio varie bien évidement d’une région à l’autre, ou d’un pays à l’autre.
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[4]
Voir à ce sujet, dans ce même numéro, l’article de J. W. Storm van Leeuwen et Didier Pillet.
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[5]
À y regarder de plus près les quelques exemples donnés ici peuvent se ramener à l’énergie dispensée par le soleil qui alimente de fait : 1) le cycle de l’eau (avec très schématiquement les étapes suivantes : évaporation→ condensation→ précipitation →puis stockage dans les barrages hydroélectriques et retour dans le milieu naturel) ; 2) les différentiels de pression au sein de l’atmosphère, entre les zones équatoriales chaudes et les zones polaires, ceci se traduisant par des mouvements de masses d’air, plus ou moins importants selon les paramètres d’insolation. Par ailleurs si l’on remonte un peu plus la chaîne énergétique, on constatera que ce flux d’énergie solaire est en fait alimenté par l’énorme masse d’hydrogène transformée chaque instant en hélium au centre du soleil, où de l’énergie nucléaire est ainsi convertie en chaleur, de l’hydrogène constitué par ailleurs dans les toutes premières minutes d’existence de l’Univers (voir « Les 3 premières minutes de l’Univers », par Steven Weinberg). Et à chacune de ces étapes de conversion sont bien sûr attachés des processus physiques présentant des rendements inférieurs à l’unité, voire très inférieurs pour l’énergie solaire captée par la surface terrestre.
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[6]
Voir Spain’s photovoltaic revolution – The energy return on investment, by Pedro A. Prieto and Charles A.S. Hall, 2013.
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[7]
La terminologie utilisée ici est celle correspondant à la chaîne de transformation partant des matières minérales brutes, à la réalisation de modules solaires. Ainsi, en prenant pour exemple la technologie du silicium monocristallin, le lingot est la structure cylindrique obtenue par croissance d’une amorce de cristal de silicium. L’étape suivante est le découpage de ce lingot en tranches (“wafer” en anglais) de l’ordre de 250 microns. Ensuite, intervient une étape de dopage où certains éléments chimiques (bore et phosphore, dans le cas du silicium) sont implantés dans le substrat de silicium afin de conférer à ce dernier des propriétés semi-conductrices (en constituant ainsi ce que l’on appelle une jonction PN, au comportement similaire à celui d’une diode). Ainsi dopées, les tranches de silicium sont découpées en cellules, ces dernières étant ensuite assemblées pour constituer les modules solaires recherchés.
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[8]
Dans le cas du photovoltaïque, la fonction d’un tracker est de suivre la course du soleil afin de maximiser la conversion du rayonnement solaire en électricité. Ainsi, pour un capteur plan ordinaire, il s’agira simplement d’orienter en permanence ce capteur, de sorte qu’il demeure perpendiculaire aux rayons du soleil. Il existe par ailleurs des situations où, en plus du suivi de la course du soleil, il est nécessaire de concentrer le rayonnement capté. C’est par exemple le cas de l’utilisation de cellules solaires comportant 2 jonctions PN, chacune exploitant une partie différente du spectre solaire, ce dernier étant ainsi utilisé de manière plus efficace que dans le cas d’une mono jonction. Néanmoins, afin de compenser le coût important de fabrication de ce type de cellules, la taille du capteur se limite souvent à une seule cellule, d’où la nécessité de concentrer le rayonnement solaire sur cette dernière, par exemple à l’aide de lentilles de Fresnel.
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[9]
ibid.
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[10]
La pérovskite, du nom du minéralogiste russe L.A. Perovski, est une structure cristalline commune à de nombreux oxydes. Ce nom a d’abord désigné le titanate de calcium de formule CaTiO3, avant d’être étendu à l’ensemble des oxydes de formule générale ABO3 présentant la même structure. Lorsque ce minéral est associé au silicium, on parle alors de tandem Perovskite/Si.
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[11]
Jusqu’à très récemment, on admettait que l’hydrogène ne pouvait exister à l’état natif. On sait maintenant que de l’hydrogène est relâché en continu à la surface de la Terre, sans que, à ce jour, l’on puisse le collecter de manière industrielle. Ce phénomène a donné lieu, en 2015, à l’édition d’un livre écrit par deux géologues, Alain Prinzhofer et Éric Deville, intitulé Hydrogène naturel, la prochaine révolution énergétique ?. Ainsi, dans ce cas particulier d’une production d’hydrogène à partir du sous-sol terrestre, l’hydrogène se présente en définitive comme une source énergétique, plutôt qu’un vecteur énergétique.
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[12]
Voir le numéro des Annales des Mines consacré à l’hydrogène, https://annales.org/ri/2022/ri_novembre_2022.html
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[13]
Ce bilan peut se résumer assez simplement par la relation : Enette = Einvestie *(EROI – 1). On voit ainsi que la quantité nette d’énergie, Enette, est d’autant plus grande que la quantité d’énergie disponible pour le système, Einvestie, est grande, et que la valeur de l’EROI, ici supposée supérieure à l’unité, est grande.
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[14]
Comme cela est détaillé dans l’article de J. W. Storm van Leeuwen et Didier Pillet du présent numéro.
Dans le cadre de la transition énergétique et du processus de décarbonation de l’économie, les énergies « bas-carbone » sont appelées à jouer un rôle de premier plan. On pense bien sûr aux énergies renouvelables telles que le photovoltaïque et l’éolien, ainsi qu’au nucléaire dont l’empreinte carbone reste à ce jour relativement basse. Cependant, s’agissant de l’implémentation de leurs infrastructures de base, ces systèmes énergétiques restent pour l’heure encore fortement dépendants des énergies fossiles. Ces dernières présentant encore de nos jours des ratios énergétiques (EROI) relativement favorables, ce qui influe sur les EROIs des systèmes photovoltaïques et éoliens, et qui conduit à surestimer leurs performances énergétiques. Un regard attentif des principes physiques à la base de l’évaluation des EROIs de ces deux systèmes, fondés tous les deux sur l’exploitation de flux énergétiques, permet par ailleurs de mieux cerner leur potentiel réel sur le plan des performances énergétiques. Un éclairage est tout particulièrement apporté concernant le photovoltaïque pour ce qui concerne le périmètre à prendre en compte dans l’évaluation de l’énergie consommée dans le cadre de l’implémentation de ce système énergétique. Enfin, la façon dont intervient la notion de rendement dans l’évaluation des EROIs, une notion particulièrement sensible pour ce qui concerne la production de l’hydrogène, fait ressortir toute l’importance qu’il y a à disposer d’une base énergétique sous-jacente à la fois abondante, bon marché, et présentant des EROI relativement élevés, autant d’éléments indispensables à la bonne marche de l’économie, et qui complique singulièrement le processus de sa décarbonation.
Reflections on the concept of EROI. Illustration with photovoltaics and hydrogen
In the context of the energy transition and the decarbonisation process of the economy, low-carbon energy is expected to play a leading role. These include renewable energies such as photovoltaics and wind power, as well as nuclear power, whose carbon footprint remains relatively low to this day. However, when it comes to implementing their basic infrastructures, these energy systems are still heavily dependent on fossil fuels. Fossil fuels still have relatively favourable energy ratios (EROI), which influences the EROIs of photovoltaic and wind energy systems, leading to an overestimation of their energy performance. A closer look at the physical principles underlying the evaluation of the EROIs of these two systems, both of them are based on the exploitation of energy flows, also provides a better understanding of their real potential in terms of energy performance. Particular attention is paid to photovoltaics, in terms of the scope to be taken into account when assessing the energy consumed when implementing this energy system. Lastly, the way in which the notion of efficiency comes into play in the evaluation of EROIs, a notion that is particularly sensitive in the case of hydrogen production, highlights the importance of having an underlying energy base that is abundant, cheap and has relatively high EROIs, all elements that are essential to the smooth running of the economy, and which complicate the process of decarbonising it.
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