Une France Renouvelable


Une France 100% renouvelable ?


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On entend souvent parler des énergies renouvelables : l'éolien, le solaire, la géothermie, l'hydraulique… mais pourrait-on sérieusement n'alimenter la France qu'avec des énergies dites "renouvelables" ? Comment pourrait-on faire ?

Nous tenterons ici de répondre à cette question.

I. Situation actuelle

Avant d'aller plus loin, il peut être intéressant de brosser un portrait de la situation énergétique de la France telle qu'elle est actuellement.

Précisons qu'ici nous ne nous concentrerons que sur l'énergie électrique. De plus, précisions si l'on voulait obtenir une empreinte carbone la plus basse possible, ces énergies renouvelables dans le cadre d'un plan d'investissement national devraient être produites de manière décarbonée (extraction des matières premières, assemblage, transport, installation…).

Pour ce qui est de l'électricité, donc, la part des énergies renouvelables dans la production nette est de 19.8% en 2018.
Si nous nous intéressons seulement à la consommation intérieure (en enlevant ainsi les exportations), elle atteint 22.7%.

Le reste de la production est assurée par le nucléaire (71.7%), le fossile (charbon, fioul, gaz à 7.2%). La part "autre" comprenant notamment de l'énergie de biomasse issus de déchets urbains donc non renouvelable comprend le reste.
(Données issues du Bilan Énergétique de la France du Ministère de la Transition écologique et solidaire).

La France a la chance de posséder une production électrique majoritairement décarbonée notamment grâce à la grande place donnée à l'énergie nucléaire dans le mix énergétique, le nucléaire étant une énergie très décarbonée.

Même si nous ne pensons pas que cela soit la meilleure solution, et que nous préférons un mix nucléaire-hydraulique, il serait intéressant de se demander comment l'on pourrait alimenter toute la France en énergies renouvelables.

II. Energie hydroélectrique

L'énergie hydroélectrique représente 12.5% de la production d'électricité en France. Soit 68.3 TWh.

Sachant que la consommation électrique de la France s'est élevée à 474 TWh en 2018 (une consommation qui baisse par rapport à 2017), pour couvrir toute la France seulement en énergie hydraulique (ce que nous ne proposons pas, cela permet simplement de donner un ordre d'idée), il faudrait multiplier par 7 le nombre de barrages. En atteignant ainsi le nombre de 16 100 installations hydroélectriques réparties sur tout le territoire (il y en a aujourd'hui environ 2300 dont certaines sont de très petites tailles (Les "Petites Centrales Hydrauliques" fournissent environ 10% de l'énergie hydraulique) et d'autres de plus grande échelle).

Cependant, rappelons que nous ne pouvons pas réaliser des barrages à l'infini. Il faut prendre en considération les contraintes techniques et surtout environnementales.
La création de nouveaux barrages se heurte à une levée de boucliers sur les conflits d'usage de l'eau avec l'agriculture, par exemple, ou encore sur la destruction de l'environnement pour leur construction.

Précisons tout de même que l'hydroélectricité n'a quasiment aucun impact négatif sur l'environnement, notamment en haute montagne où la biosphère devient inexistante et où la quantité d'énergie produite défie toute concurrence renouvelable.

Enfin les barrages qui nécessitent de grandes hauteurs de chute ne sont pas nécessairement immenses, il peuvent se limiter à une prise d'eau relié à une conduite forcée (cela permettant ainsi des hauteurs de chute de plus de 1500 mètres). Les réservoirs peuvent aussi être construits à côté de cours d'eau pour limiter l'impact environnemental, même si cela n'est que rarement fait pour des raisons économiques ou géographiques.

Aujourd'hui, l'énergie hydroélectrique demeure l'une des meilleures voie d'avenir et correspond aujourd'hui déjà à une part importante de l'énergie électrique française.

III. L'éolien

Aujourd'hui l'énergie éolienne est l'une des premières auxquelles on pense lorsqu'on parle d'énergies renouvelables.

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D'après EDF, le parc éolien français est le quatrième plus important d'Europe avec 13.6 GW de capacités installés en 2017.
Le parc éolien français comprendrait environ 8000 éoliennes selon le projet de Programmation pluriannuelle de l'énergie (PPE) publié par le gouvernement le 25 janvier 2019.

La production a atteint 27.8 Twh en 2018, ce qui donne à l'éolien une part dans la production nationale de 5.1%.

En prenant les mêmes chiffres que ceux utilisés pour la production hydroélectrique, il faudrait 136 000 éoliennes pour alimenter toute le pays à sa consommation actuelle : 8000 x (474/27.8).
Evidemment ce n'est qu'à titre purement indicatif, personne ne propose d'alimenter toute la France avec seulement des éoliennes.

Précisons que quand bien même une éolienne a une puissance de, par exemple, 2Mw, il faut prendre en compte le facteur de charge. Le facteur de charge d’une unité de production électrique est le ratio entre l’énergie qu’elle produit sur une période donnée et l’énergie qu’elle aurait pu produire durant cette période si elle avait constamment fonctionné à puissance nominale.
Autrement dit cela permet de prendre en compte l’intermittence de l'énergie éolienne (elle ne produit pas constamment la même quantité d'énergie). Dans le cadre d'une éolienne terrestre, ce facteur de charge est autour de 23%.

Pour calculer ce que produit une éolienne de 2Mw il convient donc de multiplier sa puissance de production par heure par 0.23.

Selon Christel Termol, conseiller belge en environnement, dans son rapport "Les éoliennes : aspects techniques et environnementaux" il faut espacer les éoliennes d'une distance de 4 à 6 fois le diamètre du rotor entre deux éoliennes d'une même rangée et 6 à 9 fois le diamètre du rotor entre deux éoliennes de rangées successives. Le rotor étant la partie tournante de l'éolienne.

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Pour des éoliennes de taille moyenne, le rotor fait de 12 à 35 mètres de diamètre. En revanche, pour des éoliennes de grande taille le diamètre du rotor est compris entre 35 à 125 mètres.

Ainsi selon le site "Connaissance des énergies", dans le cas d’éoliennes de 2 MW ayant un rotor de 70 à 90 m de diamètre, il convient de laisser un espacement minimum de près de 400 m entre deux éoliennes côte à côte face aux vents dominants et de 600 m pour deux éoliennes l’une derrière l’autre par rapport aux vents dominants.

Ce même site avait calculé en 2012 qu'il faudrait allouer aux éoliennes une superficie légèrement plus grande que la Bretagne (près de 2 850 000 hectares) à ce parc éolien.

Un chiffre énorme. D'autant plus si l'on prend en considération les différentes levées de boucliers contre les éoliennes qui se plaignent d'un enlaidissement des campagnes, et de conséquences sur les habitations alentours (bruit) ainsi que d'un danger pour différentes espèces d'oiseaux.

Ce chiffre est obtenu en prenant compte des règles d'espace, on estime ici qu'une éolienne occupe 24 hectares. Cela correspond à 240 000 mètres carré, soit 0,24 kilomètres carrés. Soit environ la moitié du Vatican.
Ainsi, même si la surface en question est très élevée, il ne s'agirait pas de ne consacrer cette surface exclusivement à des éoliennes. D'autant plus que, rappelons-le, alimenter la France exclusivement en énergie éolienne n'a pas de fondement. Ces calculs en revanche permet de se donner une idée générale.

En ce qui concerne le problème occasionné par les pâles (menaces pour les oiseaux), il convient de préciser qu'il existe des éoliennes sans pâles. Ceci est le fruit d'une Start-Up espagnole qui a commercialisé son produit sous le nom de Vortex Bladeless. Le principe ? La turbine ressemble à un long cône qui oscille en fonction du vent. Elle produit de l’énergie électrique en captant les vortex (d’où l’origine de son nom), les courants d’air tourbillonnaires.

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Ceci permet de diviser par deux le coût de production et de fonctionnement, de 80% les coûts de maintenance, et de diminuer de 40% le coût de l'énergie produite. Le modèle le plus haut, Vortex Gran, a une capacité de 1 MW.

Cependant, la production énergétique est plus faible et l'enlaidissement n'est que pire encore.

Rappelons encore que ces calculs ne sont qu'indicatifs. Même les défenseurs de l'énergie éolienne ne souhaitent pas n'alimenter la France que par cette source d'énergie.

Mais l'éolien offshore présente plus d'avantages que l'éolien terrestre.

En effet, la puissance des éoliennes offshore est supérieure aux éoliennes terrestres, pouvant aller jusquà 6Mw. De plus, le facteur de capacité que nous avions précédemment évoqué va de 35 à 40% (tandis qu'il était aux alentours de 23% pour l'éolien terrestre).

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Quelle est la production d'une éolienne offshore ?

Une éolienne offshore de 5MW ayant un facteur de charge de 0.35 produira 15 330 MWh : 5 x (8760*0.35). Cela fait 0,01533 Twh. Il faudrait donc théoriquement 30 919 éoliennes offshore pour alimenter toute la France (bien moins que pour des éoliennes terrestres).

Avec une surface de 24 hectares par éoliennes, cela fait 742 052 hectares. Cela représente une superficie légèrement inférieure à celle du département de Yonne.

En revanche, le potentiel total des côtes françaises est estimé à entre 30 000 MW et 80 GW (un écart considérable dû aux difficultés de calculer le potentiel théorique et aux différents facteurs utilisés).
Ainsi, avec notre technologie actuelle, le total selon les meilleures estimations pouvant être produit par de l'éolien offshore est de 80GW, soit 3 066 Gwh, autrement dit 3.066 Twh.

Autrement dit on n'alimentera pas toute la France avec de l'offshore.

Cependant, si on utilise la technologie de l'éolien flottant, le potentiel théorique augmente considérablement. Ci-dessus une image d'une éolienne "flottante"

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Ainsi voyons-nous que l'énergie éolienne ne pourra vraisemblablement jamais en pratique alimenter toute la France. En revanche, couplée à d'autres sources d'énergie elle pourrait offrir une France 100% renouvelable.

Cependant la place qu'occupe les éoliennes demeure très importante et se fait au détriment des écosystèmes, le prix est très élevé et l'intermittence est un problème important (nous l'évoquerons plus tard)

IV. Les hydroliennes

Nous avons abordés des éoliennes sur l'eau. Mais ne pourrions-nous pas faire, en quelques sortes, des éoliennes dans l'eau.

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Une hydrolienne produit de l'électricité grâce à un générateur relié à un courant d'eau naturel, celui d'une rivière ou celui de la marée, ou encore par un courant marin stable. Une manière d'exploiter le potentiel de l'énergie marémotrice, autrement dit l'énergie des marées.

La densité de l'eau est 1000 fois supérieure à celle de l'air. La puissance récupérable par unité de surface d'hélice est donc beaucoup plus grande pour une hydrolienne que pour une éolienne.
Précisons également qu'un avantage conséquent est que les courants liés aux marées sont réguliers et très facilement prévisibles, contrairement au vent.

En plus de ne pas rejeter de déchets et d'occuper une surface bien plus faible qu'une éolienne, elles ont un impact visuel limité et ne nécessitent pas d'ouvrages de génie civil complexes contrairement aux barrages hydrauliques.

D'aucuns objectent que des poissons pourraient se prendre dans les pâles. Or, le "fish Survival Study on Hydrokinetic Power Turbine" menée en 2009, par « Hydro Green Energy LLC » a démontré que ce genre de dispositif représentait un risque quasi nul (1 poisson sur 402 montrant des signes de blessures, plus liés à l'installation qu'une collision avec les pâles.

Cependant si des hydroliennes étaient massivement déployées, il est évident que cela se ferait au détriment des écosystèmes.

Le principe des hydrofoils oscillants est également avancé pour régler ce problème (voir photo ci-dessous).

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EDF dans son dossier sur les énergies marines précise que le potentiel hydrolien installable serait de l'ordre de 5 à 14 TWh pour 2,5 à 3,5 GW « installables », répartis entre la Bretagne et le Cotentin. De quoi alimenter environ 3% de la consommation française, soit plus de 2 millions d'habitants.

Un investisseur de ce projet (Hydrohelix Energies), plus optimiste, prévoit l'installation d'environ 6 GW en Bretagne. Cela pourrait produire environ 40 TWh sur l’année, autrement dit environ 8% de la production française.

Cependant, se fier aux chiffres d'EDF, plus indépendants, semble être plus fiable.

V. Energie houlomotrice

Toujours dans le registre marin, l'énergie houlomotrice, aussi appelée énergie des vagues est intéressante.

L'énergie houlomotrice est produite à partir des vagues successives. Il existe un grand nombre de générateurs reposant sur cette énergie.

Le site connaissance des énergies en liste plusieurs :

La plateforme à absorption d'énergie

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Le piège à vague

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Le capteur de pression

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La paroi oscillante

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La chaîne flottante articulée

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La colonne d'eau

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Vous pourrez en apprendre plus sur leur page dédiée à ce sujet.

En France, le potentiel serait de 40TWh par an. Cela ne prend pas en compte le potentiel important de cette énergie en outre-mer.

VI. Panneaux photovoltaïques

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Avec l'éolien et l'hydroélectricité, le solaire photovoltaïque fait partie des formes d'énergies renouvelables les plus populaires.

Dans son communiqué de presse "Il est temps de réfléchir à l'énergie solaire", Daniel Lincot, directeur de recherche au CNRS, médaille d'argent du CNRS et directeur de l'Institut de Recherche et de développement sur l'Energie Photovoltaïque nous livre un calcul permettant d'indiquer la surface à recouvrir du territoire français de panneaux photovoltaïques pour alimenter toute la France.

Ainsi, l'énergie solaire qui arrive en moyenne par mètre carré et par an en France étant de 1 à 1.3MWh, et considérant que les panneaux photovoltaïques présentent un rendement de conversion énergétique de 10%, on arrive à une surface égale à 5 000 kilomètres carrés. Soit moins de 1% du territoire.

Très grande surface, me diriez-vous ? La surface d'infrastructures en France correspond à environ 30 000 km2, soit 5x la surface nécessaire aux panneaux photovoltaïques.

Si l'on supprime les transports (environ 15 000 kilomètres carrés si l'on prend en compte les routes et autoroutes, le transport par eau, les chemins de fer), on obtient 15 000 kilomètres de toiture.

Ainsi suffirait-il de couvrir environ 30% des toitures en France pour alimenter le pays en énergie renouvelable à 100%.

N'a-t-on pas 30% des toitures susceptibles d'accueillir des panneaux photovoltaïques ? Cela pourrait être fait en lançant en plan de financement de l'état pour chaque foyer souhaitant installer des panneaux photovoltaïques (de sorte que cela leur soit gratuit) s'ils raccordent au réseau EDF leur production (ce qui leur permettra en plus de gagner un revenu certain). En outre, les bâtiments publiques (administrations, mairies etc) pourrait se couvrir en panneaux photovoltaïques, ainsi que les locaux d'entreprise en échange de baisse des charges. Ainsi, petit à petit, la France pourrait être 100% renouvelable grâce, en grande partie, au photovoltaïque.

D'autant plus que le chiffre de 5 000 kilomètres carrés est revu à la hausse ! L'auteur part du principe que les panneaux ont un rendement énergétique de 10%. Or, un panneau photovoltaïque à base de silicium fournirait plutôt un rendement de 17% en moyenne en 2012, selon l'institut allemand Fraunhofer. Et aujourd'hui, ce taux grimpe facilement jusqu'à 20% ! Et nul doute que ce chiffre augmentera à l'avenir avec le progrès technique. D'autant plus que des techniques sont déjà développées pour améliorer le rendement, comme des colorants pour doper l'effet "réverbérant".

Autre élément à prendre en compte, l'existence de panneaux solaires hybrides, créant de l'électricité comme étudié ci-dessus mais également de l'énergie thermique, qui serait utilisable pour chauffer des habitations entières et réduire considérablement la consommation énergétique thermique.

Comme le précise Daniel Lincot, si tout ne se fera pas du jour au lendemain, une France 100% renouvelable est absolument possible à long voire même moyen terme.

Cependant la surface à couvrir demeure très importante (30% des toitures). Il faut tenir compte de leur inclinaison, du facteur de charge en fonction des territoires. De plus il faut prendre la quantité très importante de matières premières que nécessiterait une telle installation.

VII. Le solaire à concentration

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Le solaire à concentration est une technologie très prometteuse.

On distingue deux types de solaire à concentration.

Le premier est le solaire à concentration photovoltaïque., les miroirs concentrent les rayons du Soleil sur une petite cellule solaire photovoltaïque à haut rendement. En quelque le sorte le principe d'une brindille brûlée avec une loupe. Ainsi, les matériaux semi-conducteurs peuvent être remplacés par des systèmes optiques moins coûteux ce qui permet d'utiliser 1000 fois moins de matériel que dans les panneaux photovoltaïques classiques.

Le rendement théorique selon le CNRS serait de 85%, même si expérimentalement on tourne autour de 46%.

Nous pouvons également faire du solaire à concentration thermique, où les rayons du Soleil sont concentrés afin du chauffer un fluide caloporteur générant de l’électricité.
Un dispositif intéressant pour des régions du sud de la France ayant un fort ensoleillement. Le Maroc, en outre, investit massivement dans ce domaine.

VIII. Géothermie et biomasse

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Enfin, dernières énergies renouvelables que nous évoqueront ici quand bien même ce ne seraient pas les seules : la géothermie et la biomasse.

La géothermie utilise la chaleur de la Terre pour produire de l'énergie. Utilisée pour le chauffage, elle est déjà l'énergie renouvelable la plus utilisée d'Île-de-France. En revanche, de l'électricité peut être produite avec, en convertissant des watt thermiques en watt électriques. Cependant, le rendement net est alors entre 10 et 14%, occasionnant des pertes importantes.
Cependant, pour du chauffage (notamment de serres, d'industries ou encore d'installations touristiques), cette énergie est très prometteuse.

Pour ce qui est de la biomasse, cette énergie provient surtout des arbres. Sachant que le rendement d’une centrale est de l’ordre de 40% à 50%, et que la production brute d'énergie de combustion par hectare correspond à environ 60MWh, il faut donc 500 km² au sol pour faire un TWh. Des chiffres bien trop pharaoniques pour que cette solution soit réellement viable.

En revanche, tout comme la géothermie, cette énergie est intéressante du point de vue du chauffage.

IX. Stockage de l'énergie

Le principal problème des énergies renouvelables est l’intermittence. Un principe facile à comprendre : le vent ne souffle pas toujours, et le soleil n'est pas toujours aussi rayonnant.

Pour y faire face, il convient donc de stocker l'énergie. Mais sait-on le faire ?

Les batteries

La première forme de stockage à laquelle nous sommes tentés de penser est le recours aux batteries. Qu'elles soient au lithium, au cobalt, au nickel, au sodium, ou à l'eau de mer.

L'inconvénient est que cela consomme d'importantes ressources, et nécessite beaucoup de place. En revanche à échelle individuelle (batterie par ménage, à l'image du powerwall de Tesla pour les panneaux photovoltaïques), cette solution est tout à fait envisageable.
Mais pour assurer le stockage de l’électricité dans une France 100% renouvelable, avec nos technologies actuelles les prix ne seraient pas sérieusement abordables.

L'eau

L'une des techniques de stockage les plus intéressantes concerne le stockage sous forme mécanique potentielle. C'est le principe du pompage turbinage, aussi appelé STEP (Station de transfert d'énergie par pompage).

Le principe est simple : on créée deux réservoirs d'eau, un en amont et un en aval. On utilise de l'énergie (produite en heure creuse) pour faire remonter l'eau en aval vers l'amont (de bas en haut). Par la suite, lorsque l'on désire utiliser cette énergie potentielle, on fait redescendre cette eau en aval. En descendant elle se chargera en énergie cinétique qu'il est possible de transformer en mouvement dans un alternateur puis en électricité.
Ainsi, la quantité d'énergie utilisée au départ pour faire monter l'eau a été en partie (entre 70 et 85%) restituée.

Un stockage de 1 km³ d’eau à 250 mètres d’altitude représente donc 680 GWh d’électricité stockée (moins les pertes du barrage), soit environ 11 heures de consommation d’un pays comme la France. Sachant qu'il nous faudrait idéalement une capacité de stockage d'environ une semaine pour assurer la fiabilité d'une France 100% alimentée via les énergies renouvelables.

On comprend donc que le recours à cette technologie trouve ses limites dans le cadre d'une France 100% renouvelable. Creuser d'importantes superficies dans nos montagnes risquent de se heurter aux protestations de la population, en premier des écologistes.

Ci-dessous une image d'une STEP.

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La chaleur

La Banque mondiale présente comme source de stockage optimale pour le solaire thermique à concentration la chaleur. Ce rapport explique ainsi qu'ne centrale solaire à concentration peut stocker la chaleur obtenue par concentration du rayonnement solaire dans de grandes cuves remplies de sels fondus. Cette chaleur peut être stockée pendant plusieurs heures ou plusieurs jours, et être transformée en électricité quand le temps est nuageux ou lors des pics de consommation.

Mais là encore le rendement est loin d'être optimal, le prix risquerait d'être élevé et la surface nécessaire serait très importante.

L'hydrogène

Le recours à l'hydrogène est une solution de stockage intéressante. L'hydrogène peut être stocké pendant des mois sans perdre de puissance. La Californie produit tant d'énergie solaire le midi, qu'elle doit payer les autres états pour qu'ils utilisent cette électricité. Stocker cette énergie sous forme d'hydrogène est une solution très intéressante.

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Exemple d'une usine de production hydrogène par électrolyse au Japon

Cet hydrogène peut, par la suite, même être utilisé dans le transport (véhicules à hydrogène, bateaux à hydrogène, avion à hydrogène…).

En revanche lors de la transformation par électrolyse, on perd 50% environ de l'énergie de base. La rentabilité énergétique n'est pas optimale, et la surface nécessaire aux installations serait, là aussi, importante. Sans parler du coût qui est également une barrière très importante.

Le nucléaire ?

Arriver à une économie basée sur une énergie 100% renouvelable est un exercice de pensée, mais les coûts de mise en place, et de maintenance seraient astronomiques. Sans compter des possibles mouvements populaires réfractaires (aux éoliennes notamment), et aux destructions d'espaces que suppose une France 100% renouvelable. Si développer en grand les énergies renouvelables est un objectif noble et louable, le nucléaire demeure bel et bien une énergie d'avenir.

Afin de parvenir à décarbonner efficacement l'économie sans baisse de notre niveau de vie, il convient de continuer d'utiliser la principale source de production d'électricité en France : le nucléaire. Nous en avons encore pour longtemps, d'autant plus en considérant la possibilité de réacteurs au thorium à sels fondus dont nous parlerons prochainement sur ce site ou encore de réacteurs à neutrons rapides, qui permettraient, rien qu'avec l'uranium appauvri stocké en France actuellement, d'alimenter le pays pendant 6000 ans (la Russie et la Chine le font déjà).

Ainsi, il est raisonnable de penser qu'une sortie totale du nucléaire n'est pas sérieusement envisageable à court voire moyen terme, cette énergie représentant une productivité très importante, peu de risques (en raison de la haute sécurité, des nouvelles normes, des contrôles importants, et des réacteurs de nouvelles générations cités ci-dessus), et étant un excellent complément aux énergies renouvelables (pas de rejet de Co2, et les déchets nucléaires ne sont rien comparés à la masse totale des déchets toxiques industriels, et sont très faciles à gérer).

En revanche, il faut moderniser le parc nucléaire, passer à des réacteurs rejetant moins de déchets (sels fondus) ou demandant moins de ressources en uranium (neutrons rapides). Mais, aujourd'hui, le nucléaire demeure la source d'énergie la plus rentable dans le cadre d'une transition écologique.

Nous pourrions également parler de la fusion nucléaire, mais nous préférons ne pas le faire, étant donné que ce n'est pas encore tout à fait fonctionnelle et que faire des prévisions sur une comète, qui plus est hypothétique, est toujours compliqué. En revanche sa venue pourrait bien encore chambouler le secteur du nucléaire en France et dans le monde.

Conclusion

Nous avons vu qu'il est possible d'alimenter la France avec une électricité 100% renouvelable. Les solutions sont nombreuses : utiliser l'énergie de la mer, un plan historiquement ambitieux de couverture en panneaux photovoltaïques, un vaste plan d'éolien (nous pourrions les placer le long des lignes à Haute Tension afin de réduire l'impact sur les paysages), ainsi qu'un vaste plan de stockage d'énergie.

En bref, il est tout à fait possible d'avoir une France 100% renouvelable en électricité à hauteur de notre consommation actuelle. Cependant, cela s'accompagne de coûts très élevés, de destructions de l'environnement, d'une importante consommation de matières premières et cela met de côté le nucléaire, qui permet pourtant à des pays comme la France d'assurer une indépendance énergétique (ce que ne permettent pas des projets comme Desertec), et de disposer d'une électricité majoritairement décarbonnée, fiable, modulable et à bas coûts.




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