La technologie des énergies renouvelables a une histoire qui s'étend sur des millénaires, des bateaux et des roues d'eau les plus simples aux réseaux solaires avancés, aux turbines imposantes et aux systèmes de stockage à l'échelle du réseau d'aujourd'hui. Son évolution reflète l'ingéniosité humaine face aux contraintes des ressources, aux pressions environnementales et à une compréhension croissante des limites planétaires.

Utilisations précoces des énergies renouvelables

Bien avant que les combustibles fossiles ne dominent le paysage énergétique, les sociétés du monde entier se tournèrent vers les flux naturels de la planète : vent, eau, soleil et biomasse. Les premiers voiliers connus, construits par les Egyptiens autour de 5000 avant JC, capturèrent l'énergie éolienne pour voyager et faire du commerce. En Mésopotamie et en Perse, des éoliennes à axe vertical étaient utilisées pour broyer le grain et pomper l'eau dès 500 à 900 avant JC. Au XIe siècle, des éoliennes à axe horizontal s'étaient répandues dans toute l'Europe, devenant ainsi une caractéristique familière de l'économie rurale.

Les Grecs et les Romains ont construit des roues d'eau sophistiquées pour broyer le grain et couper la pierre, tandis que les aqueducs romains ont déplacé l'eau sur de grandes distances en utilisant la gravité seule. Au moment de la Révolution industrielle, les roues d'eau et les premières turbines à eau ont alimenté les usines et les ateliers textiles, en ouvrant la voie à un développement hydroélectrique ultérieur.

Les architectes anciens comprenaient également les principes solaires passifs. La ville de Priene en Asie Mineure a été disposée sur une grille pour maximiser l'exposition au soleil d'hiver, et les bains romains et les serres ont piégé la chaleur solaire derrière le verre ou le mica. Bien que ces applications n'aient pas l'efficacité de conversion obtenue des siècles plus tard, ils ont démontré une compréhension intuitive du potentiel énergétique renouvelable qui finirait par inspirer l'ingénierie moderne.

Développement de technologies modernes renouvelables

Les XIXe et XXe siècles ont été témoins d'une profonde transition énergétique, initialement éloignée des énergies renouvelables et vers le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Pourtant, même au moment où la révolution des moteurs à vapeur et de la combustion interne s'est amorcée, les inventeurs ont continué d'explorer comment capturer les énergies renouvelables de manière plus puissante et plus efficace.

En 1839, le physicien français Edmond Becquerel découvrit l'effet photovoltaïque lorsqu'il exposa une électrode dans une solution conductrice à la lumière, posant les bases scientifiques des cellules solaires.La première véritable cellule solaire fut construite par Charles Fritts en 1883, utilisant du sélénium recouvert d'une fine couche d'or, bien que les rendements restaient inférieurs à 1%. L'énergie éolienne vit aussi l'électrification précoce lorsque James Blyth, en Écosse, construisit une éolienne pour charger des accumulateurs pour l'éclairage de sa maison de vacances en 1887, et Charles F. Brush créa une grande génératrice à plusieurs ailes à Cleveland, en Ohio, la même année.

L'hydroélectricité a rapidement progressé avec le développement des turbines Francis et Pelton à la fin du XIXe siècle, permettant la construction de grands barrages comme le barrage Hoover (1936) qui a fourni des millions de maisons. L'énergie géothermique a été d'abord exploitée pour produire de l'électricité à Larderello, Italie, en 1904, quand le Prince Piero Ginori Conti a alimenté des ampoules à vapeur du champ.

Malgré ces avancées, les combustibles fossiles bon marché et abondants ont dominé le XXe siècle. Les crises pétrolières de 1973 et 1979 ont servi de rappel, poussant les gouvernements à investir massivement dans la recherche sur les énergies de substitution.Le département américain de l'énergie a été fondé en 1977, et des pays comme le Danemark et l'Allemagne ont lancé de solides programmes d'énergie éolienne et solaire.

Énergie solaire

L'ère solaire moderne est liée aux laboratoires Bell, où, en 1954, Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson ont produit la première cellule photovoltaïque en silicium pratique, avec une efficacité de 6%. La technologie des premiers adoptants étaient des agences spatiales; le satellite Vanguard 1, lancé en 1958, utilisait un petit panneau solaire pour alimenter son émetteur.

L'échelle de fabrication, en particulier en Chine, au Japon et en Allemagne, a transformé l'économie du photovoltaïque solaire au cours des années 2000 et 2010. D'ici 2023, la capacité solaire installée mondiale a dépassé un térawatt, et les projets solaires à l'échelle des services publics ont permis de réduire les coûts d'électricité moins chers que le charbon ou le gaz dans de nombreuses régions. Les innovations telles que les modules bifaciaux, la technologie des cellules PERC et les tandems perovskite-silicon continuent de pousser les économies de conversion à 26 % dans les produits commerciaux, tandis que les cellules de recherche ont atteint plus de 47 % sous la lumière du soleil concentrée.

Énergie éolienne

Des moulins à vent classiques des Pays-Bas aux turbines à trois brins d'aujourd'hui, la technologie éolienne a connu une évolution spectaculaire. Après les premières expériences de Brush et de Blyth, les premières éoliennes à échelle de puissance sont apparues dans les années 1940 à Vermont, Grandpa, Knob, une unité de 1,25 mégawatt. Cependant, le véritable décollage est venu après les crises pétrolières des années 1970, quand la Californie Altamont Pass est devenue un terrain d'essai pour des milliers de turbines, certaines plus réussies que d'autres.

Les éoliennes modernes sont des prouesses de l'ingénierie, avec des hauteurs de moyeu supérieures à 160 mètres et des rotors couvrant plus de 200 mètres. La turbine la plus puissante au monde, Haliade‐X de GE Renewable Energy, génère jusqu'à 14 mégawatts d'une seule unité et des projets offshore en mer du Nord, en Chine et sur la côte Est des États-Unis sont régulièrement équipées de plusieurs centaines de turbines. Les plates-formes éoliennes flottantes en mer, pionnières en Écosse et en Norvège, ouvrent des sites en eau profonde avec des vents plus forts et plus constants.

Hydroélectricité, géothermie et biomasse

Bien que l'énergie solaire et éolienne dominent les titres, d'autres technologies renouvelables constituent l'épine dorsale de nombreux réseaux nationaux d'électricité et de procédés industriels. L'énergie hydroélectrique, la plus grande source d'électricité renouvelable au monde, génère environ 16 % de l'énergie mondiale.

Après la première année de Larderello, la technologie s'est étendue à la Nouvelle-Zélande, en Islande, aux Philippines et à l'ouest des États-Unis. Aujourd'hui, environ 16 gigawatts de puissance géothermique existent à l'échelle mondiale, avec des applications directes supplémentaires pour le chauffage urbain, les serres et l'aquaculture. Les systèmes géothermiques améliorés (EGS), qui injectent de l'eau dans des formations de roches sèches chaudes, visent à libérer de nouvelles ressources importantes loin des limites des plaques tectoniques.

La digestion anaérobie des déchets alimentaires, des résidus agricoles et du fumier produit du biogaz pour la cuisson, le chauffage et la production d'électricité, tandis que les procédés thermochimiques comme la pyrolyse et la gazéification créent du bio-huile et du gaz synique. Les biocarburants liquides, principalement l'éthanol et le biodiesel, se mélangent avec des carburants pétroliers pour réduire les émissions de transport. Les biocarburants de deuxième génération dérivés de matières premières non alimentaires comme la cuisinière à maïs, les copeaux de bois ou les déchets solides municipaux évitent la concurrence avec les cultures alimentaires.

Rôle dans le développement durable

L'objectif 7 des Nations Unies en matière de développement durable appelle à une énergie abordable, fiable, durable et moderne pour tous. Les énergies renouvelables se croisent avec la réduction de la pauvreté, la santé, l'éducation, l'eau et la croissance économique de manière que les systèmes de combustibles fossiles correspondent rarement.

Dans les zones rurales de l'Afrique subsaharienne et de l'Asie du Sud, les systèmes solaires et les micro-réseaux sont en train de faire progresser la nécessité d'étendre le réseau central.Des organisations comme la Banque mondiale (Banque mondiale) ont contribué à fournir de l'électricité à des centaines de millions de personnes qui, autrement, pourraient compter sur des lampes à pétrole et des générateurs diesel.

Au-delà de l'accès à l'énergie, les énergies renouvelables contribuent à la résilience économique.La production distribuée réduit les pertes de transmission et renforce la sécurité énergétique, ce qui rend les collectivités moins vulnérables à la volatilité des prix des carburants ou aux perturbations de l'offre.Les modèles de propriété locale – comme les coopératives énergétiques en Allemagne et au Danemark – maintiennent les revenus énergétiques en circulation au sein des collectivités, créant ainsi une licence sociale qui accélère le déploiement.

Avantages pour l'environnement

La combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel libère du dioxyde de carbone, du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote et des particules qui contribuent au changement climatique, aux pluies acides et aux maladies respiratoires. La transition vers un système énergétique renouvelable pourrait éviter de 4 à 7 millions de décès prématurés par an attribuables à la pollution atmosphérique, selon l'Organisation mondiale de la santé.

Les centrales thermiques, y compris le nucléaire et le charbon, nécessitent d'énormes quantités d'eau pour se refroidir, souvent en exerçant des pressions sur les ressources en eau douce dans les régions arides. Les installations éoliennes et solaires photovoltaïques utilisent une quantité négligeable d'eau pendant leur fonctionnement, et même l'énergie solaire concentrée et les centrales géothermiques consomment beaucoup moins que les équivalents combustibles fossiles.

Impact économique et social

Le prix de l'électricité produite à partir de l'énergie éolienne terrestre et de l'énergie solaire à l'échelle des services publics est maintenant inférieur à celui du charbon ou du gaz neuf dans la plupart des pays du monde, et dans bien des cas moins cher que celui de l'exploitation des centrales fossiles existantes.

L'Agence internationale des énergies renouvelables estime que le secteur employait 13,7 millions de personnes dans le monde en 2022, les photovoltaïques solaires représentant la plus grande part de la production, suivie de la bioénergie, de l'hydroélectricité et du vent. Ces emplois couvrent la fabrication, la construction, l'ingénierie, et les opérations et l'entretien continus, souvent dans les zones rurales où les possibilités d'emploi sont rares.

Au Bangladesh, le programme Grameen Shakti a installé plus d'un million de systèmes solaires domestiques, donnant aux femmes les moyens d'être techniciens et entrepreneurs. Les communautés autochtones du Canada et de l'Alaska ont adopté des microréseaux éoliens et solaires pour remplacer les générateurs diesel, gagner en souveraineté énergétique et réduire la pollution locale.

Orientations et défis futurs

L'intégration de sources variables dans un système électrique fiable et résistant exige des progrès dans l'infrastructure du réseau, le stockage de l'énergie et le contrôle numérique. Les prix des batteries au lithium-ion ont diminué de plus de 90 % depuis 2010, et les installations de stockage au réseau prolifèrent, mais il faut faire des percées dans le stockage à longue durée, comme les batteries à débit, l'air comprimé et le stockage thermique, pour gérer les erreurs saisonnières.

Les réseaux de transport conçus pour quelques grandes centrales centrales doivent être réinventés comme des systèmes flexibles et interconnectés reliant les régions riches en énergie éolienne aux grands centres de charge. Les lignes à courant direct à haute tension (HVDC) réduisent les pertes sur de longues distances, et les onduleurs intelligents ainsi que les jumeaux numériques en temps réel permettent aux ressources distribuées comme le solaire sur toit de soutenir plutôt que de mettre le réseau à rude épreuve.

Les coûts initiaux des projets renouvelables, bien qu'ils diminuent, peuvent encore constituer un obstacle dans les pays à faible revenu sans accès à des financements concessionnels. L'intermittence de l'énergie éolienne et solaire nécessite des sauvegardes ou un stockage, et la dépendance excessive à l'égard d'une seule source renouvelable peut créer des déficits saisonniers. La concentration de la chaîne d'approvisionnement en minéraux essentiels –lithium, cobalt, éléments de terres rares – présente des risques géopolitiques et éthiques qui exigent des stratégies de recyclage, de substitution et d'approvisionnement responsable.

La coopération internationale sera décisive. Le transfert de technologie, le renforcement des capacités et le financement climatique pour le Sud mondial peuvent accélérer une transition juste qui ne laisse aucune communauté derrière. Des initiatives comme l'Alliance solaire internationale, cofondée par l'Inde et la France, et l'Alliance géothermique mondiale construisent les cadres de collaboration nécessaires pour développer le déploiement tout en partageant les meilleures pratiques.

L'histoire des technologies des énergies renouvelables démontre que les sociétés humaines ont toujours eu la capacité de travailler avec les flux naturels. Ce qui a changé au cours des deux derniers siècles a été l'ampleur de l'ambition et la sophistication des outils. Alors que les impératifs climatiques s'affinent et les coûts renouvelables continuent de chuter, les technologies qui alimentaient les anciens navires et les moulins à eau reviennent dans des formes transformées et à haut rendement pour ancrer le système énergétique mondial.