La révolution des énergies renouvelables

Les raisons d’espérer ne manquent pas en cette année 2022.

L’évolution des attitudes, des objectifs stratégiques et des technologies a conduit à une augmentation du recours aux énergies renouvelables, ce qui, estiment les observateurs avec prudence, devrait contribuer à réduire l’empreinte carbone de l’humanité. En 2020, l’Union européenne (incluant le Royaume-Uni) était en mesure de combler presque la moitié de ses besoins énergétiques par des énergies renouvelables. En 2021, au Canada et aux États-Unis, près de 20 pour cent de l’énergie provenait de ressources renouvelables. Et, toujours en 2021, les ventes mondiales de véhicules électriques ont explosé pour atteindre 6,6 millions d’unités, d’après l’Agence internationale de l’énergie (IEA).

En prime, les Nations unies ont récemment indiqué que plus de 70 pays – dont les plus gros pollueurs que sont la Chine, les États-Unis et l’Union européenne – ainsi que plus de 600 villes ont pris des engagements touchant la neutralité carbone.

Signalons de plus la récente adoption par le Congrès américain de la loi sur la réduction de l’inflation, l’Inflation Reduction Act. Paraphée en août par le président Biden, elle prévoit de consacrer 369 milliards de dollars à la lutte contre les changements climatiques, somme qui vient s’ajouter aux 755 milliards de dollars investis en 2021 à l’échelle mondiale dans les technologies vertes. L’optimisme lié aux énergies renouvelables est également alimenté par les chercheurs et les diplômés de Concordia qui, comme M^me Molloy, réfléchissent à l’avenir énergétique de la planète.

Par le passé, les choix en matière d’énergies renouvelables étaient peu nombreux. Seules les énergies éolienne, hydrique ou solaire semblaient permettre de réduire les émissions carbonées. Or, il est depuis établi que, pour contrer durablement les changements climatiques, il nous faut déployer tous à la fois les outils à notre disposition.

Selon Dave Lapointe, B. Ing. 2016, vice-président – Génie, de l’entreprise CH Four Biogas, qui conçoit à l’intention des propriétaires exploitants des systèmes de production de biogaz à partir de déchets organiques, « en matière d’énergie, nous avons mis tous nos œufs dans le même panier depuis la Révolution industrielle. Et nous en mesurons aujourd’hui les conséquences. Nous devons diversifier nos sources d’énergie. »

L’avenir de l’énergie solaire s’annonce radieux

L’utilisation domestique et commerciale de panneaux solaires n’a cessé de progresser depuis le début des années 2000.

« Les choses ont été extrêmement vite », commente Barbara Bottini-Havrillay, M. Sc. 2016, directrice – Géomatique et science des données, à Pine Gate Renewables. En rapide expansion, cette entreprise de conception de panneaux solaires dont le siège se trouve à Asheville, en Caroline du Nord, a déjà équipé des milliers de foyers, ce qui témoigne de l’accessibilité croissante de l’énergie solaire.

Le coût de l’énergie solaire a en effet chuté d’environ 90 pour cent de 2010 à 2020, de sorte qu’elle séduit de plus en plus de consommateurs.

Professeur adjoint au Département de chimie et de biochimie, Mare Majewski souligne qu’il y a 15 ans, on estimait que l’énergie solaire ne serait considérée comme viable qu’à condition que son coût chute sous les 2 $ le kilowatt/heure. Or, en 2017, il n’était plus que de 0,06 $ dans le cas des parcs éoliens commerciaux, qui génèrent de l’énergie solaire injectée dans le réseau pour alimenter les services publics.

Le prochain défi consiste à rendre plus efficace la technologie de capture et de conversion de l’énergie du Soleil. Et les choses progressent. De nouveaux types de cellules solaires issues d’un oxyde de titanate de calcium appelé pérovskite présentent un taux d’efficacité supérieur à celui des panneaux solaires classiques, inférieur à 20 pour cent. Ces cellules peuvent de plus être intégrées à une fine pellicule installable sur différentes surfaces (fenêtres, etc.) et capable d’absorber l’énergie solaire. « Cela multiplie pour nous les modes potentiels de diffusion de cette technologie », précise le P^r Majewski.

Compte tenu des progrès technologiques, on s’intéresse partout dans le monde au potentiel de l’énergie solaire en ce qui concerne aussi bien les avions ou les bateaux que les chaussées.

Citons par exemple les travaux de Sass Peress, B. Comm. 1982, MBA 1984. Fondateur de l’entreprise iSun Energy basée au Vermont, et PDG de celle-ci jusqu’en 2021, il a supervisé la fabrication d’abris solaires pour véhicules électriques permettant de recharger ceux-ci avec ou sans connexion au réseau électrique.

M. Peress précise que la récente réussite d’iSun, qui a enregistré une croissance de 115 pour cent en 2020 et engrangé une commande de 29 millions de dollars pour 1 780 canopées solaires hors réseau destinées à des stations de recharge de véhicules électriques, reflète une vaste tendance : « Dans cinq à dix ans, assure-t-il, l’énergie solaire représentera la majorité de l’énergie générée ».

L’avantage de l’hydrogène vert

Apparue il y a près de 150 ans, l’hydroélectricité représente aujourd’hui près de 60 pour cent de l’énergie du Canada.

La quête d’énergies renouvelables confère toutefois aujourd’hui à l’eau un intérêt accru du point de vue énergétique. Prenons le cas de l’hydrogène vert. L’hydroélectricité repose sur la puissance de l’eau, qui fait tourner les turbines des générateurs. La production d’hydrogène vert, elle, repose plutôt sur l’électricité issue d’énergies renouvelables (solaire ou éolienne, p. ex.), qui permet de fractionner l’eau en hydrogène et en oxygène.

De nombreux experts estiment que l’hydrogène vert contribuera grandement à l’avènement d’un avenir décarboné parce qu’il pourra être mis au service de certains des secteurs les plus polluants : transports, acier, industries minière et chimique, etc. Autrement dit, au service de secteurs fortement consommateurs d’énergies fossiles.

Si l’hydrogène vert a été jusqu’à présent sous-exploité, en partie pour des raisons de coûts, les choses changent grâce à des personnes comme Vaitea Cowan, B. Comm 2015, cofondatrice d’Enapter.

Basée à Berlin, cette entrepreneuse qui a figuré en 2020 au palmarès 30 Under 30 établi par le magazine Forbes au côté de l’autre cofondateur d’Enapter, Jan-Justus Schmidt, supervise la production d’un dispositif à prix abordable qui produit de l’hydrogène vert par électrolyse. Cette technologie est déjà utilisée pour alimenter de petits avions, des véhicules expérimentaux et certains foyers.

Comme dans le cas de l’énergie solaire, le coût est déterminant. « Il faut que le prix de cette technologie soit abordable pour convaincre les gens de l’adopter », affirme M^me Cowan qui en 2021, avec M. Schmidt, a présenté la technologie innovante d’Enapter à Bill Gates lors de la COP26, à Glasgow, et s’est vu décerner le prix Earthshot par le prince William. « Il est impératif que l’hydrogène vert soit moins cher que les énergies fossiles. »

Une nouvelle frontière en matière d’hydroélectricité et de biogaz

L’avènement d’un nouveau bouquet énergétique exige l’adoption d’approches novatrices et révolutionnaires. Citons par exemple celle de l’entreprise RheEnergise, qui possède des bureaux à Montréal et à Londres (Royaume-Uni) et dont Marc-Antoine Proulx, B. Ing. 2021, fait partie de l’équipe de recherche et développement.

La principale innovation proposée par RheEnergise consiste en une solution rentable de stockage de l’énergie, baptisée High-Density Hydro. Normalement, la production d’hydroélectricité exige le stockage d’eau dans deux réservoirs dont l’un surplombe l’autre. En se déversant dans le second, l’eau fait tourner les turbines des générateurs.

RheEnergise propose une autre solution. « Plutôt que de l’eau, nous utilisons notre fluide breveté, qui est deux fois et demie plus dense que l’eau, explique M. Proulx. Cela produit deux fois et demie plus d’énergie. »

La solution de RheEnergise permet aussi de stocker l’énergie sans devoir disposer de deux réservoirs dont l’un surplombe l’autre. « Cela permet de produire de l’énergie en différents endroits tout en réduisant les coûts d’installation et de production », précise M. Proulx.

Basée à Ottawa, CH Four Biogas a elle aussi conçu diverses technologies expérimentales appelées à être commercialisées.

« Tout le monde a entendu parler des énergies solaire et éolienne, mais peu de gens ont entendu parler du biogaz, explique Dave Lapointe. Le biogaz est produit par la fermentation bactérienne de manière organique en l’absence d’oxygène. »

CH Four Biogas conçoit des usines au sein desquelles ce processus, appelé biométhanisation, peut se dérouler, ce qui contribue à réduire les émissions émanant des sites d’enfouissement tout en produisant de l’énergie renouvelable.

Le biogaz contient jusqu’à 60 pour cent de méthane, dont l’extraction permet de produire du gaz naturel pour générer de l’électricité ou de la chaleur. Bien que la bioénergie ne représente pour l’heure qu’une fraction des énergies renouvelables à l’échelle de la planète, elle pourrait selon l’IEA en représenter 30 pour cent d’ici 2023.

L’enthousiasme de nombreux observateurs à l’égard du biogaz apparaît justifié quand on sait que la solution de CH Four Biogas est déjà utilisée aux États-Unis dans des fermes laitières abritant des milliers de vaches génératrices de milliers de tonnes de fumier. Cette solution est en outre la seule qui contribue directement à lutter contre le gaspillage alimentaire en permettant de transformer chaque année en énergie des millions de tonnes de déchets alimentaires.

La clé de l’avenir du stockage

L’avènement d’un monde fondé sur les énergies renouvelables exige non seulement la production de celles-ci, mais aussi leur stockage.

« L’avènement d’un avenir décarboné passe impérativement par un stockage durable de l’énergie », souligne Jean-Philippe Castonguay, B. Ing. 2010, associé et directeur, Systèmes d’alimentation et de stockage hors réseau, au sein du cabinet BBA Consulting. Disposant de bureaux un peu partout au Canada, ce cabinet élabore des stratégies d’ingénierie axées sur la durabilité.

Imaginez une ferme céréalière entièrement alimentée par des éoliennes. Qu’advient-il de l’énergie en trop produite par celles-ci les jours de grand vent? Sans solution de stockage, elle est perdue. En revanche, une fois stockée, cette énergie peut servir à alimenter la ferme quand le vent souffle moins. C’est pourquoi les progrès en matière de stockage de l’énergie constituent une « avancée technologique majeure » selon Andreas Athienitis, directeur du CZEBS, qui travaille à réduire l’impact environnemental des bâtiments.

Malgré le développement de nombreuses technologies de stockage de l’énergie, comme les supercondensateurs, le stockage de celle-ci dans des batteries a une longueur d’avance. Rien qu’en 2020, 5,5 milliards de dollars américains ont été investis pour prolonger la vie des batteries.

L’amélioration du stockage dans des batteries contribuera également à la décentralisation du réseau électrique. Il sera en effet moins essentiel de disposer d’une centrale à charbon pour alimenter telle ou telle région une fois que de multiples éoliennes, panneaux solaires et autres dispositifs producteurs d’énergies renouvelables seront raccordés au réseau.

« La solution passe par la conception intelligente de systèmes de production et de stockage de l’énergie », affirme Karim Zaghib, lauréat 2022 du prix Kalev Pugi décerné par Society of Chemical Industry (SCI) Canada.

M. Zaghib a récemment été nommé président de la conférence de l’International Meeting on Lithium Batteries prévue à Montréal en 2026. « Cette conférence, dit-il, permettra d’élargir le rayonnement du Québec et du Canada dans le domaine des batteries au lithium. C’est formidable de pouvoir faire découvrir au monde l’importance que Concordia attache à l’économie verte circulaire, à la durabilité et à la recherche. »

M^me Cowan, d’Enapter, ajoute que les progrès vers une économie verte exigent une approche modulaire. « La conception de systèmes qui s’emboîtent, comme des blocs Lego, est essentielle au passage aux énergies renouvelables », indique-t-elle.

Les véhicules électriques pourraient être utilisés pour stocker de l’énergie selon Luiz A. C. Lopes, professeur à Concordia, dont les travaux de recherche portent sur les moyens d’intégrer davantage d’énergies renouvelables à notre panier énergétique. « Pendant la recharge d’un véhicule électrique à l’arrêt, sa pile au lithium pourrait servir à alimenter en partie un foyer, ou une série de foyers interconnectés », dit-il.

Il sera essentiel de disposer de batteries améliorées pour réinjecter l’énergie stockée dans le réseau électrique afin d’assurer une alimentation efficace au bon endroit et au bon moment – par exemple, pour faire face à un pic de consommation dans un quartier grâce à l’énergie solaire produite dans une banlieue proche.

« Le stockage de l’énergie vise à assurer une alimentation stable malgré la production intermittente d’énergie solaire ou éolienne, par exemple », précise M. Proulx.

« Il n’y a pas de solution miracle »

La concrétisation du potentiel des innovations en matière d’énergies renouvelables, comme celles sur lesquelles travaillent les membres de la communauté de Concordia, exigera à la fois beaucoup de travail et réalisme. « Nous ne pouvons tout contrôler, admet M. Peress, mais nous pouvons contribuer à rendre la planète plus durablement habitable pour les humains, les animaux et les plantes. Il n’y a pas de solution miracle. »

M^me Cowan estime que la recherche d’une solution unique, et en particulier d’une technologie miracle, est vouée à l’échec. « Nous avons tout ce qu’il faut pour résoudre la crise climatique », assure-t-elle. Ses collègues de Concordia qui travaillent sur les énergies renouvelables pensent de même, estimant dans une large mesure qu’il suffit d’améliorer les technologies existantes pour parvenir à un monde décarboné.

C’est pourquoi, par exemple, M^me Molloy n’a pas cherché à réinventer la roue en développant les bateaux électriques de Glas Ocean. « Il ne s’agissait pas de repartir de zéro, de tout repenser, du moindre boulon à la peinture, dit-elle, mais simplement de trouver comment améliorer la technologie existante. »

Le passage à un avenir plus vert exigera aussi de nouveaux modes de sensibilisation du public, comme ceux auxquels des militantes comme Greta Thunberg et Xiye Bastida ont pu inspirer.
Nos politiques devront également évoluer. « Par exemple, plutôt que de financer l’achat d’une Tesla à hauteur de 13 000 $, le gouvernement pourrait subventionner l’installation de panneaux solaires à hauteur de 10 000 $, indique M. Lopes. Ou il pourrait adopter des lois pénalisant ceux qui continuent à contribuer aux changements climatiques. »

Il faut aussi que les décideuses et décideurs voient plus grand, selon M. Athienitis. « Nous devons élaborer des politiques novatrices et plus intelligentes fondées sur une vue d’ensemble de la crise climatique plutôt que sur un seul de ses aspects », dit-il.

« Nous devons pour cela, ajoute M. Lapointe, interpeller les politiques et en particulier l’industrie, car les entreprises ont beaucoup d’influence. Et, là, on assistera à de gros changements. » Ces changements sont d’ailleurs déjà en cours. La baisse du coût des énergies renouvelables a en effet poussé nombre de grandes entreprises de divers secteurs (textile, automobile, etc.) à se joindre à la révolution verte.

Le cycle est amorcé : moins une technologie est chère, plus elle utilisée, et plus elle est utilisée, plus son coût chute. Cela contribue en prime à multiplier les investissements, ce qui a pour effet de démocratiser la technologie en question et de favoriser l’adoption de politiques nouvelles. Plus ils mesurent la gravité de la situation, plus les politiciens et politiciennes sont enclins à subventionner les énergies vertes, à taxer les émissions carbonées, à imposer l’usage de véhicules électriques et à adopter des lois pour contrer la crise climatique.

C’est la raison pour laquelle les membres de la communauté de Concordia qui œuvrent à la révolution verte refusent tout pessimisme. Comme les étudiantes et étudiants de Sue Molloy, ils entrevoient l’avenir avec optimisme. « Il faut s’attaquer à la crise climatique avec l’espoir de la résoudre », résume M^me Molloy.