La question écologique de l'énergie n'est pas l'autonomie, mais bien l'alternative. Il est temps de travailler avec des énergies propres, naturelles, renouvelables…
La nature déborde de flux, de sources, de cycles… Nous vivions dans bain d'énergie, toute forme de vie mais aussi tout objet inerte contient, capte, stocke, transforme, transporte, absorbe, émet, rayonne, diffuse de l'énergie. L'énergie est présente à chaque passage d'un état à un autre, à chaque changement d'état : du froid au chaud, du nocturne au lumineux, de l'inanimé au mouvement… L'énergie existe sous forme thermique, électrique, chimique, mécanique, radiante, nucléaire… Le soleil nous offre son énergie en chaleur et en lumière, il la dispense à travers l'atmosphère… non seulement il nous réchauffe et nous éclaire, mais génère le cycle de l'eau, les climats, les vents, les saisons, la photosynthèse des végétaux dont dépendent l'oxygène, les nutriments, les énergies fossiles…. Nous disposons de cette énergie solaire pour produire de l'eau chaude, du chauffage, de l'électricité, mais aussi de ses dérivés en énergies éolienne, hydroélectrique, en bois, et bien sûr en pétrole, en charbon et en gaz naturel. Seules la géothermie, la radioactivité et l'énergie marémotrice ne dépendent pas du soleil.




Si l'énergie est indispensable pour soutenir toutes les activités humaines, ce service est à double tranchant, sa production ne va pas sans poser de problème : pollution, réchauffement, pluies acides, radioactivité... Le coût, les conditions de production, d'extraction et de consommation des énergies fossiles et nucléaire sont les principales causes de dégradation de l'environnement. La production d'électricité émet en moyenne 100 grammes de CO2 par kilowattheure, jusqu'à 180g lorsque les compagnies réutilisent les centrales thermiques au fuel ou au charbon…
De même, le chauffage et la combustion d'énergies fossiles, l'activité industrielle et la déforestation génèrent des gaz qui augmentent l'effet de serre (CO2, NOx, SO2). Ces derniers sont aussi à l'origine de pollution atmosphérique et des pluies acides qui affectent gravement les écosystèmes. Certains gaz utilisés pour la production de froid, la climatisation (CFC, HCFC et Halon) dégradent la couche d'ozone protectrice contre les rayons UV-B. Les déchets nucléaires sont légués aux générations à venir sans mesurer les risques de pollution radioactive qu'ils représentent. Enfin la déforestation pour la production d'énergie est une des principales causes d'érosion et de désertification des sols.
Par ailleurs ces énergies tendent à se raréfier et risquent disparaître dans quelques dizaines d'années. Nous avons brulé en 100 ans ce qui a été produit en 100 millions d'années, ainsi le pétrole disparaitra dés 2040, l'uranium et le gaz naturel dans les années 2070… Cette mort annoncée, loin de nous contraindre, au contraire, nous ouvre d'autres horizons, de nouveaux modes de vie, et de nouvelles ressources possibles d'énergies propres, durables, non polluantes, renouvelables, alternatives…
Une toute première solution, la plus durable de toute, est de produire des négawatts, c'est-à-dire d'en consommer le moins possible. Inventés par Amory Lovins et promus en France par l'association du même nom, les negawatts correspondent aux énergies non dépensées. Avant tout, il est indispensable de limiter les déperditions thermiques et de réduire les gaspillages en utilisant des appareils plus économes (chauffe-eau, réfrigérateur, congélateur, lave-linge, lave-vaisselle, ampoules basse-consommation...) ou en remplaçant les moyens de chauffage électrique par d'autres plus écologiques. Comme l'eau, l'énergie est une richesse qu'il faut apprendre à contenir, alors qu'incontrôlable par définition, elle fuit en permanence, se transforme, s'échange… L'énergie a la propriété de ne pas disparaître, elle ne peut ni se créer ni se détruire, mais uniquement se transformer. Les transformations en chaleur, en lumière et en électricité sont celles qui nous concernent pour les bâtiments. La transformation en chaleur à la propriété de se diffuser et parfois de se perdre dans l'atmosphère (voir pour cela les méthodes de calcul de déperdition).

Il faut donc apprendre à travailler avec elle, à la ralentir, l'accélérer, la préserver ou bien la disperser… pour cela le travail de l'implantation et de l'enveloppe est essentiel, son orientation, ses ouvertures, ses surfaces de captage et d'inertie, (voir comment concevoir une enveloppe performante). Il s'agit toujours de créer des climats autonomes, de jouer avec les plantes, les matériaux absorbants, réfléchissants, diffusants, les volumes captant le soleil, d'y expérimenter des phénomènes climatiques, de moduler l'hygrométrie, les flux d'air, les énergies solaires…
Une fois les systèmes passifs en place, il est aussi possible d'utiliser des solutions actives de captage d'énergies renouvelables :
- L'énergie solaire thermique et photovoltaïque
- L'éolien
- La géothermie
- L'énergie hydraulique et marémotrice
- La biomasse (bois, méthane, …)
- Les systèmes thermodynamiques (pompes à chaleur)

Il est aussi possible d'obtenir de meilleurs rendements en produisant à la fois de la chaleur et de l'électricité en cogénération.
Certaines énergies renouvelables sont capricieuses, fluctuantes, aléatoires ( soleil, vent…) d'autres présentent une production constante difficile à adapter à la consommation. Pour y remédier, il existe des méthodes de stockage et de régulation non polluantes tel que :

- Le stockage d'hydrogène
- Le stockage d'air comprimé
- Les stations de transfert d'énergie par pompage

Références
- L'excellente association Franc-comtoise AJENA présente régulièrement un argus de l'énergie des ménages sur le site : http://www.ajena.org/

Le soleil est une source d'énergie propre, gratuite, inépuisable… Mesurée sur terre, cette énergie varie de 0 à 3724 kWh/m2 par an. Dans les latitudes tempérées, elle est en moyenne de 1000 kWh/m² par an, l'équivalent de 100 litres de Fuel.
Une conception intelligente de l'enveloppe d'un bâtiment favorisera les formes, les matériaux, les orientations pour capter et stocker cette énergie gratuite de manière passive, permettant d'économiser jusqu'à 45% d'énergie (Voir l'article Concevoir une enveloppe performante).

Il existe deux manières actives de capter cette énergie : On distingue l'énergie solaire thermique (la chaleur) de l'énergie lumineuse (photovoltaïque). Voyons dans un premier temps les principes de l'énergie solaire thermique.

Energie solaire Thermique

Récupérée par des panneaux capteurs dans lesquelles passent des tubes remplis de fluide caloporteur, cette forme d'énergie permet principalement de produire de l'eau chaude sanitaire et de chauffer les bâtiments.
Ces pratiques valorisent en toute sécurité cette énergie et permet de répondre à environ 60% des besoins en eau chaude (souvent 100% de mai à septembre), et 50% des besoins de chauffage.
L'eau est produite à bonne température (de l'ordre de 45 à 60°), elle peut également servir au lave-linge et lave-vaisselle, ces appareils doivent pour cela être munis d'une électrovanne à double entrée.

Technique
Le chauffe-eau solaire composé de tubes circulant dans un capteur vitré reçoit le rayonnement solaire, l'absorbe et transfère cette énergie au fluide caloporteur (en général de l'eau glycolée) venant chauffer l'eau d'un ballon accumulateur via un serpentin. Ce ballon sera bien sûr isolé.
La circulation du liquide se fera soit par convection naturelle (thermosiphon), si le ballon est plus haut que le capteur, soit sera forcée par une pompe.

L'orientation idéale est bien sûr celle du soleil (sud dans l'hémisphère nord et vis versa) (Voir l'article capter les apports solaires)

On prévoit en moyenne 1m² de capteur par personne et pour 50l de consommation quotidienne, soit 4 à 5m² de panneaux solaire pour chauffer les 150l à 300l d'eau nécessaires à une famille de 4 personnes.

Un appoint est généralement nécessaire pour remédier aux carences de soleil, pour cela une chaudière au gaz naturel sera plus économique qu'un système électrique.

Utilisée comme chauffage, cette technique est particulièrement bien adaptée aux systèmes de plancher chauffant à basse température. L'eau circule dans les capteurs, s'élève à une température allant de 25à75°C puis part directement dans les serpentins d'un plancher, sans réservoir de stockage. On devra implanter pour cela environ 10% de la surface à chauffer pour couvrir environ 50% des besoins de chauffage (Des études plus poussées sont bien sûr nécessaires pour répondre à chaque situation).
Pour les journées sans soleil, un appoint est nécessaire, il peut être distinct (poêle, cheminée, convecteurs…) ou intégré au système diffusant la chaleur (chaudière, pompe à chaleur)

L'énergie solaire thermique peut également réchauffer des capteurs à air, mur Trombe… (Voir l'article ventiler, rafraîchir ou réchauffer l'air intérieur)

Paradoxalement, le système solaire thermique permet aussi de rafraichir avec une climatisation solaire. Il s'agit d'un système à absorption de même type que le réfrigérateur à gaz utilisé dans les caravanes. Cette source d'énergie est utilisée pour faire tourner le cycle qui pompera la chaleur par l'évaporation d'un liquide à basse température qui absorbe la chaleur du milieu froid. La puissance proportionnelle à l'ensoleillement convient assez bien à ce type d'application.

Enfin cette énergie peut être concentrée pour chauffer de l'air, de l'eau, ou un autre fluide afin de mettre des turbines en mouvement pour produire de l'électricité, de la même manière que les centrales thermiques au fuel, au charbon ou nucléaire.

L'énergie solaire photovoltaïque

L'énergie solaire photovoltaïque utilise l'énergie lumineuse du soleil pour produire de l'électricité. Cette technique utilise des cellules solaires fabriquées à partir de semi-conducteurs capables de convertir directement la lumière en électricité. 1m² de panneaux peut couvrir de 3 à 15% des besoins d'une famille mais son coût demeure très élevé.
Cette énergie sert à de multiples applications : de l'alimentation d'une calculette à la production autonome d'électricité de quartier entier…
Les avantages de cette transformation solaire/électrique sont multiples : elle s'effectue sans bruit, sans émission de gaz, sans déchet. 90% des composants d'un panneau sont recyclables. Enfin l'énergie produite compensera celle nécessaire pour la fabrication d'un module en 2 ans (dans le sud) ou 3 ans (dans le nord)
Par ailleurs, l'absence de mécanisme compliqué leur confère un niveau de fiabilité inégalable (la durée de vie moyenne d'un panneau solaire est estimée à plus de 30 ans.)
La technologie photovoltaïque a aussi l'avantage, comme l'éolien, de proposer une production locale. Il faut prendre conscience que les réseaux de transport et de distribution des énergies centralisés nécessitent des équipements importants (lignes haute tension, stations de transformation...) et génèrent des pertes non négligeables qu'on estime à 7% dans les pays industrialisés (Europe, Amérique du Nord, Japon…). Les productions locales d'électricité permettent de diminuer ces pertes et de réduire fortement les investissements en lignes à haute tension et postes de transformation…
Enfin, son coût de fonctionnement est très faible vu les entretiens réduits et il ne nécessite ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.

La limite actuelle de cette technique est le coût élevé de la fabrication de ces cellules par rapport à leur rendement. Le rendement des cellules photovoltaïques est actuellement très faible : 5 à 20% de l'énergie reçue. Ces faibles rendements sont dû aux pertes (réflexion, pertes Joule...) et au fait que la sensibilité de la cellule ne couvre pas la totalité du spectre du rayonnement solaire. Cette contrainte n'est peut-être que temporaire, elle ouvre de nombreux domaines de recherche pour améliorer la technique.

Technique
Les panneaux photovoltaïques sont fabriqués à partir d'un matériau semi-conducteur, généralement le silicium.
Les cellules de silicium cristallin sont produites à partir de sable ou de quartz riche en silice. Celui-ci est chauffé, puis coupé en très fine plaquette. Une des faces est "dopée" par une matière comptant des électrons excédentaires (phosphore) par rapport au silicium, l'autre face par un élément déficitaire en électron (bore). La cellule est ainsi polarisée. La face arrière est recouverte d'une couche d'aluminium, l'autre d'une couche d'antireflet. Sous l'effet de la lumière du soleil (les photons), les électrons sont délocalisés et migrent d'une polarité à l'autre. Des fils métalliques disposés sur la cellule canalisent et collectent ces électrons pour générer du courant électrique.
On distingue les modules solaires monocristallins, polycristallins et les couches minces. Les premiers sont fabriqués à partir d'un cristal homogène et possèdent un meilleur rendement au m² (13 à 17%). Ils sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Leur coût est plus élevé.
Les modules solaires polycristallins ont un meilleur rapport qualité/prix et sont les plus utilisés. Ils ont un bon rendement (12 à 14%) et peuvent être fabriqués à partir de déchets de l'électronique.
Enfin, il existe une autre famille de cellule : les couches minces ou cellules solaires amorphes (aspect gris marron). Ce sont celles qui équipent nos calculatrices depuis les années 80. Elles sont composées d'un ou plusieurs semi-conducteurs vaporisés sur une plaque de verre ou une matière plastique, dont la couche supérieure est transparente et conductrice ( un oxyde métallique), fait office d'anode (électrode +) et l'arrière repose sur une fine couche d'aluminium comme cathode (électrode -). Ces modules ont un bel avenir car ils sont souples, ils ont une meilleure production par faible lumière, et résistent mieux aux fortes chaleurs. Bien qu'ils possèdent un rendement moins bon ( de 5 à 10%), leur coût au m² est plus faible car ils demandent moins de matériaux et d'énergie pour leur fabrication.

Ces cellules photovoltaïques assemblées entre elles forment des panneaux dont le caractère modulaire permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Par contre, une attention particulière doit être portée sur l'ombrage possible des panneaux (arbre, poteau, bâtiment…) car une ombre même partielle sur des cellules placées en série viendra réduire ou interrompre le courant de l'ensemble du panneau.

Une fois installés les capteurs peuvent fournir du courant continu d'une tension allant jusqu'à 400 volts sous une intensité qui dépend de l'intensité du rayonnement solaire. Ce courant continu doit être régulé par un accumulateur et un régulateur de charge, branché sur batterie. Celles-ci permettent une utilisation différée de l'énergie emmagasinée. Ce système fonctionne pour de nombreuses applications, mais pour être utilisé par les équipements électriques usuels, il doit être transformé par un onduleur en courant alternatif régulé à 220 volts et 50 Hz. Contrairement aux panneaux, l'onduleur à une durée de vie moins longue et doit être changé tous les 5 à 10 ans.
Enfin le surplus d'électricité peut être renvoyé sur le réseau au travers d'un compteur qui mesure l'électricité revendue au distributeur. Comme les électrons prennent toujours le chemin le plus court, l'énergie fournie par les panneaux servira en priorité au bâtiment qui la produit.

Il est important d'intégrer les technologies photovoltaïques dans l'architecture du bâtiment. Cela devient aussi de plus en plus facile grâce aux nombreux produits incorporant des modules photovoltaïques disponibles sur le marché (tuile solaire, bac acier et toiture zinc, allège, verrière, garde corps de balcon, bardage, brise soleil, revêtement de façades, lierre solaire…). Cette double fonction permet aussi de réduire les coûts d'une installation. Bien qu'encouragée par les tarifs de rachat d'électricité, cette intégration ne va pas sans poser plusieurs problèmes : Un capteur posé verticalement perd jusqu'à 40% de rendement ; de plus une mise en œuvre intégrée à la toiture pose des problèmes de surchauffe qui réduit aussi le rendement de 8 à 10% en été, lorsque la production pourrait être la plus importante.

Par ailleurs, la pose étant faite sous tension, cela nécessite des précautions particulières.
Enfin, le courant électrique produit génère aussi des champs électromagnétiques dont il faudra se protéger (autour de l'onduleur en particulier) (voir l'article sur les champs électromagnétiques)

Il est assez simple de calculer la surface de panneau nécessaire à sa consommation :
Une seule cellule de base ne produit ainsi qu'une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle permet d'obtenir un courant d'intensité plus grande donc une puissance plus élevée en conservant la tension. La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées en série pour des applications en 12 V. Le courant de sortie, et donc la puissance, seront proportionnels à la surface du module.

On considère qu'une famille de quatre personnes consomme en moyenne 1000 à 3500kWh par an hors chauffage et eau chaude (qu'il est plus économique de produire par des panneaux thermiques)

Dans les latitudes tempérées, la surface de la Terre reçoit un rayonnement solaire d'une puissance par m² de l'ordre de 1000W/m², (variable en fonction des lieux, des saisons, des conditions météorologiques), mais un générateur photovoltaïque recevant cette puissance de 1000 W ne produit en réalité que 60 à 200 W "électrique" suivant son rendement. Cette puissance maximale est appelée puissance "crête". Il faut donc 5 à 15m² de panneaux pour fournir une puissance de un kilowatt crête (1kWc), plus précisément et suivant leur rendement, il faudra 5 à 7m² de panneaux monocristallins, 8 à 10m² panneaux polycristallins et 10 à 15m² de panneaux de couches minces.

Dans les latitudes tempérées cette surface de panneaux de 1kWc sera capable de produire 900kWh à 1 200 kWh par an et jusqu'à 1 500kWh par an dans des latitudes plus équatoriales.

Ainsi, une famille économe vivant à Nantes (47°13'59" Nord) n'aura besoin que de 10m² de panneaux polycristallins inclinés à 35°, pour produire environ 1100kWh/an.

L'éolien

L'énergie éolienne utilise la force du vent pour produire soit un mouvement mécanique (moulin, pompe…) soit de l'électricité…
L'énergie éolienne est une autre forme d'énergie solaire. Le soleil réchauffe la planète de manière inégale et les écarts de température se traduisent par des différences de densité des masses d'air, qui entrent en mouvement se déplaçant des zones de haute pression vers celles de basse pression.
Les systèmes éoliens transforment cette énergie cinétique du vent en énergie mécanique qui peut être utilisée directement, comme pour faire tourner la meule d'un moulin, transformant le blé en farine, pour pomper de l'eau (moulins de Majorque, éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail ou servant à l'assèchement des polders en Hollande).
Cette énergie sert aussi couramment à produire de l'énergie électrique : l'éolienne est couplée à un générateur électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne de manière autonome avec un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie.

Aujourd'hui, l'énergie éolienne est exploitée à plusieurs échelles. On peut distinguer l'éolien industriel et l'éolien en mer, tout deux raccordés au réseau électrique et produisant une grande quantité d'électricité. Il existe aussi le petit éolien, qui alimente les sites isolés ou peut être raccordé au réseau.

Comme le photovoltaïque, l'énergie éolienne est propre, non polluante, et permet une production locale. De plus la période de haute productivité (l'hiver) correspond à celle où la demande en énergie est la plus élevée.
Malgré ces avantages, les éoliennes industrielles posent plusieurs problèmes ( Ceux-ci font débat bien qu'ils soient incomparables aux problèmes posés par le pétrole et le nucléaire).
- Les éoliennes peuvent présenter un danger pour les oiseaux et les chauves-souris.
- Certains équipements de mauvaise qualité peuvent provoquer des nuisances sonores.
- A proximité des éoliennes, lorsque le soleil est bas, l'ombre intermittente des pales crée un effet stroboscopique gênant en fonction de la fréquence du balayage lumineux.
- Enfin, si un petit bouquet d'éoliennes peut former une composition très jolie, harmonieuse avec le paysage, un site saturé de 30 à 50 éoliennes devient très vite étouffant.

Ces quelques problèmes peuvent se résoudre simplement par des études d'implantation plus poussées qu'elles ne le sont actuellement. Il faudrait en premier lieu respecter une distance de 300m des habitations comme en Suède, ou au Danemark. Cette implantation devrait éviter les couloirs de migration et les zones d'habitat de chauve-souris. Enfin l'étude d'implantation ne devrait pas seulement être confié aux promoteurs et à leurs ingénieurs, mais faire appel à un paysagiste ou un artiste du Land Art, essentiel pour embellir nos campagnes de ces nouveaux moulins à vent.

Technique
Les petites éoliennes sont constituées de petits aérogénérateurs de moins de 1MW, en vente dans le commerce ou bien que l'on peut fabriquer soi-même. Comme pour le photovoltaïque, elles peuvent être raccordées ou non au réseau ou bien être régulées par un accumulateur et un régulateur de charge, branché sur batterie pour un usage en site isolé.

La mise en place d'éolienne n'est pas toujours recommandée, et dépend essentiellement du site. Une étude approfondie du territoire est donc nécessaire avant d'entreprendre ce projet, il faut connaitre les deux paramètres qui caractérisent le vent et son énergie : Sa direction et sa vitesse. De plus, la topographie et les constructions viennent aussi modifier leur régime local.
Le nombre de " bons " sites étant limité, il est important de les valoriser au mieux en les équipant d'éoliennes de puissance raccordées au réseau électrique.

En 20 ans, l'amélioration de la technologie des éoliennes a permis de construire des aérogénérateurs de 1 MW à 5 MW. La plupart des grandes éoliennes ont une puissance de 1 à 3 MW, cette puissance est représentative du pic de production possible, pas de la production totale. Celle-ci dépend des conditions climatiques. Une éolienne de 2 MW fonctionnant à pleine puissance pendant 1/4 de l'année produit 4 à 5 millions de kWh, soit l'électricité domestique consommée par 4 000 personnes en moyenne (hors chauffage).
Les éoliennes actuellement commercialisées ont besoin d'un vent dans la gamme de 11 à 90 km/h (3 à 25 m/s), mais on développe actuellement des éoliennes, capable d'accepter des vents de moins de 4 à plus de 200 km/h (1 à 60 m/s).
Les nouvelles éoliennes en cours de développement visent à aboutir à une technologie qui s'affranchit du bruit, de l'encombrement et de la fragilité des éoliennes à pales, tout en étant capable d'utiliser le vent quelle que soit sa direction et sa force. De nombreuses variantes sont étudiées. Certaines éoliennes sont de petite taille (3 à 8 mètres de large, 1 à 2 mètres de haut), avec pour objectif de pouvoir les installer sur les toitures terrasses des immeubles. Certains prototypes utilisent un axe de rotation vertical contrairement aux hélices sur un axe horizontal. Leur vitesse de rotation est faible et indépendante de la vitesse du vent.

L'éolien en mer
L'installation de fermes éoliennes en mer est l'une des voies de développement de l'éolien, car elle s'affranchit en grande partie du problème des nuisances esthétiques et de voisinage. Cette solution permet le développement technique progressif d'éoliennes de très grande puissance.
D'autre part, le vent y est beaucoup plus fort et constant qu'à terre, la production d'électricité sera donc plus importante avec des appareils de puissance équivalente : par exemple, un régime de marche de 96% est estimé en mer du Nord. Ainsi dans les zones maritimes géographiquement très favorables à l'éolien, les estimations indiquent un potentiel de 3 800 MWh par MW installé.

La géothermie
La géothermie exploite la chaleur du sous-sol, celle-ci se manifeste parfois à la surface de la terre lors d'éruptions volcaniques, de geysers, ou de sources chaudes naturelles. Comme l'énergie marémotrice cette source inépuisable ne résulte pas du soleil mais bien des profondeurs de la terre. Au centre, le noyau terrestre concentre une énergie considérable sa température s'approche des 4 200°C. Le manteau de roche en fusion qui l'entoure est lui aussi très chaud, sa température variant entre 1 000 et 3 000 degrés. La chaleur de la géothermie ne provient pas uniquement de ce phénomène, il est principalement produit par la désintégration des éléments radioactifs présents dans ces roches : uranium, thorium, potassium, etc. Le magma remontant du manteau étant également responsable des réchauffements ponctuels de la surface du globe.
Ainsi, il suffit de creuser pour obtenir une énergie abondante et gratuite. En descendant progressivement la température augmente de quelques degrés à des centaines de degrés en fonction de la structure géologique des sites, des types de roches… Cet accroissement de la température est appelé "gradient géothermal". Il est en moyenne, sur la planète, de 3,3°C par 100 mètres
Cette chaleur peut être exploitée directement ou bien utilisée des sources d'eau chaude ou de vapeur.

Les applications utilisant cette ressource varient en fonction de l'échelle des gisements.
La géothermie très basse énergie exploite les sols situés à moins de 100 mètres et pour une température inférieure à 30°C, elle sert au chauffage et utilise une pompe à chaleur ( voir plus bas les pompes à chaleur). Ce système peut être installé à l'échelle domestique.
La géothermie basse énergie exploite des nappes aquifères à des températures comprises entre 30° et 100°C. Elle sert à des réseaux de chaleur pour le chauffage urbain ou industriel. La géothermie moyenne énergie et haute énergie (jusqu'à 250°C) est utilisée pour des réseaux de chaleur et aussi produire de l'électricité, par la pression de la vapeur actionnant des turbines.

L'exploitation de cette énergie a plusieurs avantages, bien sûr elle est renouvelable, propre et dégage peu de gaz à effet de serre. Son intérêt principal, par rapport aux autres énergies renouvelables tient dans son omniprésence et sa disponibilité sur toute la surface de la planète. Elle offre ainsi la possibilité de développement local en particulier à proximité des grandes villes pour fournir les réseaux de chaleur urbain.

Cette manne d'énergie gratuite ne présente peu de désavantage en dehors des coûts et des difficultés de recherche de gisement, de reconnaissance des ressources, d'analyse, de prospection… et des investissements initiaux.

Technique
Il existe une multitude de procédés permettant d'exploiter cette ressource, depuis les techniques les plus simples de recueil de l'eau chaude de sources naturelles, les puits artésiens, aux systèmes industriels de transformation d'énergie.
La technique utilisée dépendra donc de la taille du gisement et de la quantité des besoins.
Pour le chauffage, à l'échelle domestique, il est possible d'utiliser cette ressource par l'installation d'un système thermodynamique d'échange de calories (voir plus bas les pompes à chaleur)
Les réseaux de chaleur collectifs et urbains nécessitent une nappe aquifère offrant un débit d'eau suffisant et régulier. Cette eau se renouvelle soit naturellement par le ruissellement des eaux de surface, soit par la réinjection de l'eau refroidit.
Si la pression du réservoir souterrain est supérieure à la pression atmosphérique, l'eau peut jaillir naturellement à la tête du puits de forage, dans le cas contraire il sera nécessaire d'utiliser des dispositifs de pompage. L'eau chaude peut ensuite être utilisée directement, mais généralement le système se sert d'un échangeur de chaleur entre le circuit géothermal et le circuit de distribution de chaleur. Cet échangeur est indispensable dans le cas d'une eau corrosive.

Dans les exploitations de haute énergie, l'eau se vaporise dans le forage, et un mélange d'eau en ébullition et de vapeur jaillit en surface. Cette énergie peut être transformée en énergie électrique. La pression de l'eau chaude actionnant des turbines suivant les mêmes techniques que les systèmes de production électrique des centrales thermiques au fuel, au charbon, ou nucléaire.

L'énergie hydraulique

L'énergie hydraulique est l'énergie fournie par les flux et les mouvements de l'eau, (fleuves, rivières, chutes d'eau, courants marins, marées...). Ces mouvements (ou énergie cinétique) peuvent être utilisés sous forme d'énergie mécanique par un moulin à eau ou une turbine, ou bien transformés en énergie électrique par un alternateur.

L'énergie hydraulique des flux d'eau terrestre ( rivière, fleuve, ruisseau) est une manifestation indirecte de l'énergie solaire. Sous l'action du soleil, l'eau s'évapore des océans et les nuages se déplacent au gré des vents et retombent sous forme de précipitations (voir le cycle de l'eau). Ces flux d'eau terrestre correspondent à la force gravitaire de l'eau qui retourne vers l'océan.
L'énergie marémotrice est issue des mouvements de l'eau créés par les marées, causées par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est utilisée soit sous forme d'énergie potentielle - l'élévation du niveau de la mer, soit sous forme d'énergie cinétique - les courants de marée.

Cette énergie est captée par des centrales hydroélectriques installées sur des barrages, sur des cours d'eau ou bien en mer.

L'exploitation de l'énergie hydraulique présente plusieurs avantages : Elle est en premier lieu une des seules formes de production d'énergie à pouvoir être ajustée, modulée en fonction des besoins ou même stockée ( l'eau d'un barrage représentant une énergie potentiel). Elle peut donc servir de variable d'ajustement aux énergies solaire et éolienne comme c'est déjà le cas pour l'énergie nucléaire.
Contrairement au solaire et à l'éolien, elle présente une force constante et prévisible, même pour les courants marins (dépendent de la position relative du soleil et de la lune), il est possible d'estimer avec précision la production d'électricité.

Le principal défaut de cette forme de production énergétique vient de l'impact de ses installations sur l'environnement. Digue, barrage, usine marémotrice ont des effets important sur la faune et la flore, tant sur les modifications du milieu ( la création d'un lac artificiel dans une vallée par exemple) que sur la vie des fleuves, des rivières et des fonds marins…
Par ailleurs, le coût des installations en mer demeure très élevé. Ces installations sont confrontées à un milieu très difficile ( corrosif, agressif, très vite colonisé par les organismes marins…). Enfin la maintenance des équipements marin est difficile et donc très couteuse.

Technique
Le fonctionnement de ces équipements, quel que soit leur échelle, est assez simple à comprendre. Il part d'une turbine, une roue dentée ou une hélice entrainée par le débit de l'eau et entrainant un rotor d'alternateur générant l'énergie électrique. Il existe différents types de centrale :
Les centrales dites "au fil de l'eau" installées sur le cours des fleuves et des rivières utilisent leur courant sans possibilité significative de modulation par stockage.
Les centrales de montagne installées après une retenu d'eau, un lac, un barrage ont la capacité de moduler la fourniture d'électricité en fonction de la demande.
Les centrales marémotrices peuvent utiliser soit l'énergie du mouvement vertical des marées, soit l'énergie des vagues en surface, soit l'énergie des courants dans les fonds marins.
Si l'énergie maritime à l'avantage d'être exploitable de manière continue, son coût et ses difficultés de mise en œuvre la limite encore au stade de prospection et d'expérimentation.

A l'échelle individuelle, si une rivière ou un cours d'eau est exploitable à proximité, il est possible de construire ou de réhabiliter de petits moulins à eau et d'y installer un alternateur pour générer de l'électricité. Une installation d'une puissance de 2 à 5 kW est suffisante pour les besoins domestiques.

La biomasse (bois, méthane, …)

La biomasse est une autre forme d'énergie solaire. Après avoir été captée et stockée par les plantes et les arbres grâce à la chlorophylle, cette énergie est libérée lors de leur combustion (bois), leur transformation (biocarburant) ou leur décomposition (méthanisation, biogaz)…
Les biocarburants sont essentiellement utilisés comme énergie pour les véhicules et ne concernent donc pas directement la construction.

Les formes bois énergie et le biogaz sont utilisées principalement pour le chauffage, la production d'eau chaude et la production d'électricité en cogénération. Cette exploitation peut se faire à différentes échelles depuis une simple cheminée au réseau de chaleur collectif. Le combustible bois peut prendre la forme de bûches, de plaquettes de bois, de sciure, de bois déchiqueté, de granulés (pellets…).

Le premier avantage de cette forme d'énergie est qu'elle demeure sous forme de combustible et peut être utilisée au fur et à mesure des besoins (contrairement aux énergies solaire et éolienne)
Ensuite, des équipements performants comme une chaudière bois à cogénération permettent des rendements en énergie très élevés (supérieurs à 90%).
Enfin cette source d'énergie a un bilan carbone neutre et ne contribue donc pas à l'effet de serre. Le CO2 libéré pendant la combustion d'un arbre a été capturé par celui-ci lors de sa croissance par photosynthèse : le carbone (C) est utilisé pour produire la matière organique alors que l'oxygène (O2) est restitué dans l'air. Dans la mesure où l'on ne prélève pas plus de bois qu'il n'en pousse, la combustion du bois n'a donc aucun impact sur le dioxyde de carbone émis.
La valorisation de bois résiduel (caisses, palettes, déchets de scierie et de menuiserie, bois d'éclaircie et d'étêtage…) permet une économie des combustibles fossiles. Et ce sont aussi autant de déchets qui ne vont pas à la décharge. Elle contribue à promouvoir une série d'activités locales pour la collecte, le conditionnement et l'utilisation des résidus de bois.
Par ailleurs, le biogaz permet de valoriser la décomposition des déchets organiques en produisant du méthane, celui-ci constitue un gaz à effet de serre potentiellement 23 fois plus important que le CO2. Son utilisation en fait un combustible propre et renouvelable.

Contrairement au soleil et au vent, la combustion de biomasse, n'est pas une énergie propre, elle libère des sous-produits, lequel doivent être filtré pour éviter de polluer l'atmosphère et devenir nuisible à la santé : particules fines, monoxyde de carbone (CO), cyanure, oxydes d'azote (NOx), les composés organiques volatils (COV), l'acroléine, le formaldéhyde, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), dioxines et furanes... peuvent être à l'origine de smog (voir les polluants atmosphériques). Pour pallier ce problème, début 2009, la Ville de Montréal a décidé d'interdire l'installation des appareils de chauffage au bois.
De plus la production de biomasse (et en particulier les biocarburants) pose d'importants problèmes écologiques. Si en Europe la production de bois est excédentaire, et doit donc être exploitée, la production de biocarburant est quant à elle en concurrence directe avec la production agro-alimentaire. Monoculture industrielle, elle est aussi néfaste pour le territoire que les autres agricultures de ce type (épuisant les ressources en eau, polluant l'eau et l'atmosphère de pesticides et d'engrais…)

Technique
Les combustibles issus de la biomasse ont de multiples applications, pour le chauffage bois une chaudière de faible puissance ( de 5 à 25kW) permet de chauffer un bâtiment de 100m². Elles sont alimentées manuellement par des bûches (une fois par jour) ou automatiquement par des bois fractionnés (granules, sciures, copeaux…).
En dehors du bois, et de la paille, d'autres biocombustibles sont en train d'apparaitre, comme le Miscanthus, ( herbe à éléphant) qui aurait l'avantage d'avoir un très bon rendement énergétique (supérieur à celui du charbon à volume égal).

Des installations plus importantes, utilisant des chaudières de plus forte puissance (150 kW). Elles peuvent alimenter en chaleur des immeubles, des groupes de maisons en milieu rural, des collectivités… La distribution de la chaleur par le réseau de chauffage est similaire aux systèmes utilisant des combustibles fossiles.

La caractéristique principale à prendre en compte pour l'utilisation de la biomasse et en particulier du bois est le rendement procuré par l'appareil.
On sait qu'une cheminée ouverte offre un rendement très faible de l'ordre de 10%, a contrario des équipements très performants peuvent fournir un rendement de 90%.
Plusieurs technologies ont été développées pour améliorer cette performance, comme les catalyseurs et les entrées d'air secondaires qui permettent une combustion presque totale des gaz émis et évitent l'émission de fumée visible. Le label américain EPA, ou le label Français "flamme verte" regroupe des fabricants d'appareil de bonne qualité (70% de rendement minimum, 0,3% de CO). Il s'agit aussi de minimiser les rejets gazeux et métalliques associés. Les rendements moyens des différents équipements de chauffage au bois sont les suivants :
- Cheminée ouverte : 10 à 15%
- Insert fermé par une vitre : 30 à 70%
- Poêle à combustion secondaire) : 70%
- Chaudière : 85 à 95%
- Réseaux de chaleur : 95%

Le biogaz est utilisé de la même manière que les gaz naturels issus d'hydrocarbures fossiles (éthane, propane, butane…) pour produire de la chaleur (pour le chauffage et la cuisson), et de l'électricité. Il est issu de la décomposition et de la fermentation de la matière organique en anaérobie (en l'absence d'air). Ce procédé génère du biogaz composé de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2). Les principaux gisements de biogaz sont les eaux usées, la part organique biodégradable des déchets (ménagers, agricoles, industriels et de transformation du bois). La production de biogaz se fait dans des cuves de quelques m3 : les digesteurs.

Les pompes à chaleur (PAC)

L'air, le sol et l'eau contiennent des réserves d'énergie sans cesse renouvelées. Une pompe à chaleur est capable d'extraire de ces milieux des calories qui peuvent alors être utilisées pour chauffer une construction.

Une pompe à chaleur n'est pas elle-même une source d'énergie comme le vent, l'eau ou le soleil, il s'agit d'un équipement, une technologie thermodynamique captant l'énergie et la transmettant vers le local à chauffer. Paradoxalement ce dispositif transfère la chaleur du milieu le plus froid vers le milieu le plus chaud, alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures.

Les systèmes de pompe à chaleur sont utilisés essentiellement pour le chauffage basse température (plancher chauffant, ventilation…), en inversant ce système il est également possible de produire du froid pour la climatisation, les chambres froides ou plus couramment les réfrigérateurs.

Les appareils les plus performants, à très fort rendement, permettent de multiplier l'énergie reçue par 4 ou 5, bénéficiant ainsi d'une part d'énergie inépuisable et gratuite.

Il faut cependant noter que les PAC ne sont pas les équipements des plus écologiques : En cas de fuite, le potentiel de réchauffement des gaz caloporteurs utilisés sont de 1300 à 3200 fois plus important que le CO2. De plus cette technologie utilise de l'électricité pour entraîner la pompe et fonctionner, ainsi il s'agit plus d'une technique d'utilisation rationnelle de l'énergie (URE) que d'une technique utilisant les énergies renouvelables. Pour y parvenir, il serait préférable de coupler ce système à une source d'électricité renouvelable.

Technique
Comme une pompe à eau puise l'eau du bas vers le haut, la pompe à chaleur transfert la chaleur depuis une source froide vers une source chaude. La source froide peut-être de l'air, de l'eau ou bien le sol superficiel.
Les pompes captant la chaleur du sol, dites "géothermiques" sont souvent les plus performantes. Elles nécessitent un circuit de captage constitué de tuyaux de polyéthylène enterrés à environ un mètre sous la surface et formant des boucles. Il faut compter une surface moyenne représentant le double de la surface à chauffer (200 m² pour chauffer 100 m²), mais cela dépend de la nature du sol, des conditions climatiques, de l'appareil... Une autre solution utilise des capteurs verticaux enterrés jusqu'à des profondeurs de 30 à 80 m.
Les pompes à chaleur à eau captent la chaleur dans une source naturelle proche de la construction, puits, rivière, lac, ruisseau, eaux souterraines, si elle est disponible en quantité suffisante, et si cette utilisation est autorisée. Par ailleurs, le rejet d'eau refroidie ne doit pas être nuisible pour l'environnement.
Enfin la pompe à chaleur utilisant l'air extérieur est la plus couramment utilisée, son installation est la plus simple, mais elle est aussi la moins performante. Son fonctionnement peut être bruyant et la température très variable de l'air diminue ses performances.

Les pompes à chaleur fonctionnent grâce au cycle thermodynamique du fluide caloporteur via les changements d'état (liquide / gaz) provoqués par des compressions et des détentes successives.
Ce système part de la propriété des gaz à se réchauffer lorsqu'ils sont compressés.
Dans un premier temps, le fluide caloporteur traverse la source froide dans l'évaporateur, il récupère alors de l'énergie sous forme de chaleur et s'évapore. A pression constante, le fluide devient totalement gazeux. Il passe alors dans le compresseur actionné par un moteur électrique, où il est comprimé, sa pression augmente grâce à l'énergie mécanique fournie par le compresseur. Sa température s'élève et passe à l'état liquide dans le condenseur, il cède alors de l'énergie qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur.
À la sortie du condenseur, la température le fluide est fortement diminuée. Le détendeur réduit alors la pression du fluide frigorigène en phase liquide pour lui permettre de s'évaporer à nouveau, et ainsi de suite…

Le paramètre très important dans le choix d'une pompe à chaleur est son coefficient de performance (COP). Pour éviter que la pompe ne consomme autant qu'un simple convecteur électrique ce coefficient annuel de performance (COP) doit être le plus élevé possible. Il correspond au rapport entre l'énergie thermique produite par le système et l'énergie électrique qu'il consomme pour son fonctionnement.
Par exemple, si le coefficient de performance indiqué par le fabricant est de 5, cela veut dire que pour 1 kWh d'électricité consommé, la construction recevra 5 kWh de chaleur, soit 4/5 de puissance calorifique gratuite.
Le COP n'a de signification qu'à des températures de source froide et de source chaude données et les valeurs normalisées données par les fabricants sont pour un air à 7 °C et de l'eau de chauffage à 35 °C, mais ce coefficient varie en fonction des fluctuations de température entre le milieu où la chaleur est prélevée et celui où elle est libérée. Plus cette différence est grande, plus le COP diminue, c'est pourquoi il est important de combiner une pompe à chaleur à un système de chauffage à basse température (plancher chauffant).

Le COP est donné par le fabricant, celui doit comprendre l'énergie consommée par tous les équipements composant le système et pas seulement le compresseur. Le COP minimum à exiger est de 3,3 (c'est-à-dire qu'une unité d'énergie électrique devrait fournir plus de 3,3 unités d'énergie de chaleur), en dessous le système sera moins efficace et pas plus écologique qu'une simple chaudière fuel. Car il faut savoir que pour produire 1kWh d'énergie électrique finale, il faut 3,3kWh d'énergie primaire dans les conditions actuelles de production par les centrales nucléaires, les centrales au charbon, au fuel ou au gaz naturel… et de déperdition par le réseau.

Enfin comme tout équipement technique, il est toujours préférable de faire appel à un installateur qualifié (qualification QUALIPAC en France) car si l'installation est bien réalisée elle aura une durée de vie supérieure à 15 ans.

Stockage d'énergies renouvelables:

Le soleil et le vent sont des sources d'énergies propres, renouvelables, non polluantes, inépuisables… Elles sont malheureusement très fluctuantes et les périodes de production de pointe ne correspondent pas toujours à celle de la consommation. Il faut donc trouver des moyens moins polluant et plus durable que les batteries électrochimiques pour réguler et stocker ces énergies. Les STEP, l'hydrogène et l'air comprimé sont trois de ces moyens.

> L'hydrogène

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers. Il est actuellement pressentit pour devenir un des plus importants vecteurs d'énergie à l'instar de l'actuel pétrole.

L'hydrogène peut-être produit par l'électrolyse de l'eau, c'est-à-dire sa décomposition en hydrogène (H) et oxygène (O). Actuellement il est principalement produit à partir d'hydrocarbure et l'énergie utilisée pour cette électrolyse provient souvent des centrales nucléaires et thermiques au fuel. Son mode de production n'a donc rien d'écologique, mais cela est possible si l'énergie utilisée pour l'électrolyse de l'eau est de source propre et renouvelable (solaire, éolien, hydroélectrique, géothermie….). C'est le cas par exemple en Islande, où de grandes productions d'hydrogène exploitant l'énergie des centrales de géothermie.
Une fois produit l'hydrogène peut servir de carburant. La combustion de l'hydrogène n'émet aucun polluant, seulement de la vapeur d'eau, elle permet de produire de l'électricité, via une pile à combustible. Il existe déjà plusieurs modèles de véhicules expérimentaux fonctionnant à l'hydrogène.
Cela permet en outre de 'stocker' les énergies solaires et éoliennes surabondantes à certaines périodes et absentes à d'autres moments. L'hydrogène aurait un rôle de régulation, il serait produit par les surplus d'énergie renouvelable et serait utilisé lorsque celle-ci manqueraient. La limite actuelle de ce type de système est le coût élevé de cette production et les rendements de cette technologie sont assez faibles, et se limite actuellement à 80%.

> l'air comprimé

L'air comprimé est un autre moyen non polluant de stocker de l'énergie. Celui-ci peut être produit à partir d'éoliennes, ou de turbines hydrauliques utilisant un compresseur d'air à la place de l'alternateur. L'air comprimé est stocké et permet de faire tourner un alternateur aux moments où la demande est plus importante. Par ailleurs l'air comprimé pourrait être utilisé directement par l'industrie qui utilise déjà des équipements fonctionnant avec ce fluide.

> Stockage type STEP station de transfert d'énergie par pompage
Les Stations de Transfert d'Énergie par Pompage (STEP) sont des équipements plus couramment utilisés pour stocker et réguler l'énergie grâce à des bassins de rétention d'eau.
Placée entre deux bassins, un bassin supérieur et un bassin inférieur, la centrale possède un équipement hydroélectrique réversible : fonctionnant aussi bien en pompe, qu'en turbine par un mécanisme utilisé soit comme moteur soit comme alternateur (machine synchrone).
Lorsque la production électrique d'autres centrales est excédentaire, par exemple la nuit, elle est utilisée pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur, et lorsque la demande le nécessite la machine convertit l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau en électricité.
Le rendement (rapport entre électricité consommée et électricité produite) est de l'ordre de 82%.

Il existe également des centrales couplées à des systèmes d'éoliennes actionnant les pompes servant à amener l'eau dans un bassin surélevé. En cas de déficit d'énergie, cette réserve d'eau passe au travers de turbines productrices d'électricité.