Énergie éolienne

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Avertissement: Cet article fait partie d'une série de 4 articles:

L'article Énergie éolienne traite de la place de cette énergie dans la production mondiale, de ses enjeux économiques et environnementaux.
L'article Débat sur l'énergie éolienne confronte les arguments des opposants et des promoteurs de l'énergie éolienne.
L'article Éolienne traite des principes, de la technologie, du calcul et du choix des sites éoliens.
L'article Petit éolien traite de l'usage domestique des éoliennes de faible puissance.

L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent.

L'énergie éolienne est une énergie renouvelable, elle tire son nom d'Éole (en grec ancien Αἴολος / Aiolos), le nom donné au dieu du vent dans la Grèce antique .

L'énergie éolienne peut être utilisée de deux manières :

Conservation de l'énergie mécanique: le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (Navire à voile ou char à voile), pour pomper de l'eau (moulins de Majorque, éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d'un moulin.
Transformation en 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 générateur d'appoint (par exemple un groupe électrogène) et/ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie.

éolienne contemporaine dans un paysage rural

[modifier] Situation actuelle de la technologie

Voir l’article éolienne.

[modifier] Un peu d'histoire

Pendant des siècles, l'énergie éolienne a été utilisée pour fournir un travail mécanique. L'exemple le plus connu est le moulin à vent utilisé par le meunier pour la transformation du blé en farine, on peut aussi citer les nombreux moulins à vent servant à l'assèchement des polders en Hollande.

Par la suite, pendant plusieurs décennies, l'énergie éolienne a servi a produire de l'énergie électrique dans des endroits reculés et donc non-connectés à un réseau électrique. Des installations sans stockage d'énergie impliquaient que le besoin en énergie et la présence d'énergie éolienne soit simultanés. La maîtrise du stockage d'énergie par batteries a permi de stocker cette énergie et ainsi de l'utiliser sans présence de vent, ce type d'installation ne concernant que des besoins domestiques, non appliqués à l'industrie.

Depuis les années 90, l'amélioration de la technologie des éoliennes a permis de construire des aérogénérateurs de plus de 1 MW. Ces unités ce sont démocratisées et on en retrouve aujourd'hui dans plusieurs pays. Ces éoliennes servent aujourd'hui à produire du courant alternatif pour les réseaux électriques, au même titre qu'un réacteur nucléaire, un barrage hydro-électrique ou une centrale thermique au charbon. Cependant, les puissances générées et les impacts sur l'environnement ne sont pas les mêmes.

[modifier] Comparatif des installations productrices d'électricité

un aérogénérateur : de quelques kilowatts jusqu'à environ 1 MW (Record : 6 MW ; éolienne E112 de la société allemande Enercon)
un champ solaire photovoltaïque : de quelques centaines de Watt jusqu'à environ 10 MW (Record : 10 MW ; centrale solaire Bavaria solarpark en Allemagne)
une centrale hydro-électrique : de quelques kilowatts jusqu'à environ 100 MW (Record : 700 MW ; turbine du Barrage des Trois Gorges en Chine)
un réacteur nucléaire : de l'ordre de 1 000 MW en général (record : 1 500 MW à la centrale nucléaire de Chooz en France)

[modifier] Utilisation de l'énergie éolienne en site isolé

L'énergie éolienne est aussi utilisée pour fournir de l'énergie à des sites isolés, par exemple pour produire de l'électricité dans les îles, pour le pompage de l'eau dans des champs, ou encore pour alimenter en électricité des voiliers, des phares et des balises. Ces éoliennes de petite puissance sont dites appartenir au petit éolien, par opposition au grand éolien ou à l'éolien industriel.

Voir l’article petit éolien.

[modifier] Énergie éolienne dans le réseau électrique français

Les éoliennes raccordées au réseau électrique sont le plus souvent regroupées dans un parc éolien d'environ 5 à 50 machines, mais il existe aussi des machines isolées.

RTE (Réseau de Transport d'Électricité), une filiale de EDF, achemine le courant électrique à travers le réseau. Ce courant électrique doit avoir une fréquence de 50 Hz (en France comme dans de nombreux pays à travers le monde, voir article : Réseau électrique).

Une éolienne raccordée au réseau se doit donc de fournir cette fréquence quelque soit la vitesse du vent. Cette fréquence constante passe par une vitesse de rotation constante des pales. Cette dernière est obtenue par régulation notamment avec l'orientation des pales.

Si la vitesse du vent est trop faible (par exemple moins de 10 km/h), l'éolienne s'arrête en raison des forces de frottement sec qui s'opposent à la rotation de l'hélice. Cette diminution de la vitesse de rotation ne permet plus de fournir cette fréquence. Dans ce cas, l'éolienne n'est donc plus productrice d'électricité, mais pourrait au contraire devenir consommatrice, il est donc nécessaire de la déconnecter.

Si la vitesse du vent est trop forte (supérieure à 100 km/h par exemple), l'éolienne est mise en sécurité et déconnectée du réseau, ses pales sont mises en drapeau et s'arrêtent pour éviter des sollicitations qui pourraient les briser.

En principe, la loi française oblige EDF à racheter le courant produit par les éoliennes ou par tout autre système de production d'électricité. D'autre part, le tarif de rachat de l'énergie éolienne est bonifié pour favoriser cette jeune filière en plein développement et permettre à la France d'atteindre les objectifs de la directive européenne.^[1]

[modifier] Caractéristiques techniques

Le rendement énergétique (la puissance développée) des éoliennes est fonction de la vitesse du vent au cube. Ainsi les éoliennes actuellement commercialisées ont besoin d'un vent dans la gamme de 11 à 90 km/h (3 à 25 m/s). Les futures éoliennes, dont les premiers prototypes sont mis en service courant 2006, acceptent des vents de moins de 4 à plus de 200 km/h (1 à 60 m/s). Comme l'énergie solaire et d'autres énergies renouvelables, l'éolien a besoin soit d'une énergie d'appoint pour les périodes moins ventées, soit de moyens de stockage de l'énergie produite (batteries, stockage hydraulique ou plus récemment, hydrogène).

Voir l’article éolienne.

[modifier] Économie mondiale de l'énergie éolienne

Des milliers d'éoliennes fonctionnent à l'heure actuelle dans diverses régions du monde, avec une capacité totale de plus de 58 982 MW, et l'Europe y prend part à 69 % (fin 2005, source wwindea). Ne sont pas comptabilisées dans ce total quelques compagnies privées reliées ou non au réseau.

L'Allemagne est le principal producteur d'électricité éolienne avec plus de 18 428 MW de puissance installée à la fin de l'année 2005. L'Espagne est le deuxième producteur mondial avec 10 027 MW. Fin 2005, les États-Unis avaient une puissance installée de 9 149 MW, en troisième position derrière l'Allemagne et l'Espagne. La France était en 2005 le 9^e producteur d'énergie éolienne en Europe avec 757 MW (EurObserv'ER 2006).
À titre de comparaison, la puissance installée en énergie nucléaire est de 21 000 MW en Allemagne, de 63 000 MW en France et de 98 000 MW aux États-Unis (chiffres de 2003 ^[2])

Les chiffres ci-dessus doivent être pondérés en tenant compte d'un facteur de charge, c'est à dire de la durée de fonctionnement et de production de l'équipement dans une année. Pour l'éolien, le facteur de charge est d'au plus de 20%. Par exemple pour l'Allemagne^[3] il n'est que de 16% en 2005, contre un facteur de charge de plus de 80% pour une centrale nucléaire^[4].
On peut observer de plus que le facteur de charge diminue avec l'augmentation du parc d'éoliennes, conséquence directe de l'exploitation de sites de moins en moins ventés.

Selon l'Observatoire des Énergies Renouvelables, dans un rapport publié par EDF^[5], l’éolien est actuellement la filière énergétique la plus dynamique dans le monde et plus particulièrement dans l’Union européenne où la production d’électricité éolienne a augmenté de 37,8 % par an en moyenne de 1993 jusqu'en 2002. Cette croissance a atteint 59% par an sur la même période pour la France, qui était largement en retard dans ce domaine. Selon la même source, pour les années 2003-2004, la croissance dans l'Union Européenne reste soutenue avec un taux de 28,9% annuel (42,9% en France) sur ces deux années^[6], et représente désormais 12,4% de la production d'ENR^[7] de l'UE, en passe de détroner la production à partir de biomasse (production: 12,9%, croissance: 10,8%) comme 2ème source électrique d'origine ENR après l'hydraulique (production: 73,3%, croissance nulle).

De nouvelles fermes éoliennes en mer (éolien offshore) sont envisagées partout dans le monde. Le Danemark est l'un des acteurs les plus importants, avec son laboratoire Risø, très renommé ; le pays produit environ 20 % de son électricité avec des éoliennes. Les éoliennes produisent 1 % de la production de l'électricité dans le monde (wwindea). La taille la plus rentable et la plus pratique pour les éoliennes actuellement commercialisées semble être autour de 600 kW à 2 MW, groupées dans de grandes fermes éoliennes. Les nouvelles technologies en cours de développement cherchent à produire des systèmes beaucoup plus souples en terme de "puissance rentable". La plupart des éoliennes terrestres fonctionnent avec un facteur de charge de 25 % par année, mais certaines arrivent à 35 %.

La Chine, devenue en 2004 le 2^e plus gros consommateur d'énergie électrique avec 42,187 PWh produits (soit 42,187 millions de millions de kWh), est très engagée dans les économies d'énergie (généralisation des ampoules basses consommation, multiplication des réseaux ferrés). Elle devrait être le premier producteur mondial d'énergie éolienne en 2007. Son objectif est de produire 20 GW en 2020, soit une augmentation de 1 GW par an.

Au Canada, la production d'électricité par le vent est en augmentation, surtout dans les Prairies et au Québec. Dans cette dernière province, la compagnie d'état Hydro-Québec achète déjà 212 MW à des producteurs privés de la région gaspésienne. Le gouvernement a annoncé un programme incitatif qui devrait augmenter cette capacité à 3 500 MW d'ici la fin de 2013, soit l'équivalent de 7 % de la puissance éolienne déjà installée dans le monde à la fin juin 2005 [2].

Une éolienne du Plateau de Millevaches

Rang	Pays (fin 2004)	MW
01	Allemagne	18 428
02	Espagne	10 027
03	États-Unis	9 149
04	Inde	4 430
05	Danemark	3 128
06	Italie	1 717
07	Royaume-Uni	1 353
08	Chine	1 260
09	Pays-Bas	1 219
10	Japon	1 040
11	Portugal	1 022
12	France	1000
13	Autriche	819
14	Canada	683
15	Grèce	573
16	Australie	572
17	Suède	510
18	Irlande	496
19	Norvège	270
20	Nouvelle-Zélande	168
	Total mondial	58 982
Source : World Wind Energy Association ^[8]

[modifier] L'éolien en Europe

La capacité de production électrique éolienne déployée en Europe a augmenté de 154 % entre 2000 et début 2006, ce qui constitue plus de la moitié des nouvelles capacités de production installées durant cette période (données Eurostat).

[modifier] L'éolien en France

Au début de l'année 2005, le parc éolien français comptait 629 éoliennes. La France avec ses DOM produisait 386 MW ce qui représentait moins de 1 % de sa consommation électrique totale.

Deuxième gisement éolien d'Europe (ressources en vent) après le Royaume-Uni, la France tente actuellement de combler le retard accumulé dans son exploitation. L'implication d'EDF dans le rachat d'électricité rend les investissements éoliens rentables. Le parc installé en mars 2006 atteint les 1000 MW mais les objectifs affichés pour l'éolien sont de 10 000 MW en 2010 (6000 à 9000 éoliennes).^[9]
La première région productrice reste le Languedoc-Roussillon (17 parcs et 64 machines pour 162 MW), suivie par la Bretagne (125 MW), Champagne Ardennes (81 MW), la Picardie (71 MW), Rhône-Alpes (68 MW), la Lorraine (65MW), le Nord-Pas-de-Calais (63 MW). Par la création de 8 parcs nouveaux produisant 170,2 MW, le Languedoc-Roussillon augmente son potentiel dans la période 2005 - 2007 et devrait rester la première région productrice en France.
Des régions comme l'Aquitaine, la Bourgogne, la Franche-Comté et l'Alsace n'ont réalisé à cette date aucune implantation.

Se reporter au rapport très documenté de Jérôme GOSSET et Thierry RANCHIN: Bilan et prospective de la filière éolienne française - CONTRAT ARMINES/ADEME n° 50722 du 10 février 2006.

Éoliennes dans l'Aude

Rang	Région (mars 2006)	MW
01	Languedoc-Roussillon	162
02	Bretagne	125
03	Champagne-Ardennes	81
04	Picardie	71
05	Rhône-Alpes	68
06	Lorraine	65
07	Nord-Pas-de-Calais	62
08	Centre	56
09	Auvergne	39
10	Midi-Pyrénées	25
11	Pays-de-la-Loire	24
12	Provence-Alpes-Côte-d'Azur	21
13	Corse	18
14	Basse-Normandie	13
15	Haute-Normandie	12
16	Poitou-Charentes	9
17	Limousin	9
18	Aquitaine	0
19	Bourgogne	0
20	Franche-Comté	0
20	Alsace	0
	Total France	861
Source : Ministère de l'Environnement

[modifier] L'avenir de l'énergie éolienne

La montée du prix des énergies fossiles a rendu les recherches dans le domaine de l’éolien plus attractives pour les investisseurs.^{réf. nécessaire}.

La technologie actuellement la plus utilisée pour capter l’énergie éolienne consiste à placer au bout d’un axe horizontal des pales formant une hélice. Certains prototypes utilisent un axe de rotation vertical.

La technologie à axe horizontal présente certains inconvénients :

l'encombrement spatial est important, il correspond à une sphère d’un diamètre égal à celui de l’hélice, reposant sur un cylindre de même diamètre. Un mât de hauteur importante est nécessaire pour capter un vent le plus fort possible.
le vent doit être le plus régulier possible, et donc interdit des implantations en milieu urbain ou dans un relief très accidenté.
une pale de 40 mètres qui décrirait une rotation par seconde verrait son extrémité avancer à une vitesse de 250 m/s, soit environ 900 km/h. C'est la raison qui explique le bruit aérodynamique des pâles et une des raisons de la mise en arrêt des éoliennes par vent fort.
la production énergétique dépend directement de la force du vent, indépendamment des besoins, il faut donc prendre en compte l'évolution journalière ou saisonnière de la courbe de charge, voire le stockage de l’énergie produite.

Les nouvelles éoliennes en cours de développement permettent d'aboutir à une technologie qui s’affranchit du bruit, de l’encombrement et de la fragilité des éoliennes à pales, tout en étant capables d’utiliser le vent quelque soit sa direction et sa force. De nombreuses variantes sont étudiées par des essais réels en grandeur nature. 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 d’habitation dans les villes, ou sur les toitures des immeubles industriels et commerciaux, dans des gammes de puissances allant de quelques kW à quelques dizaines de kW de puissance moyenne. Leur vitesse de rotation est faible et indépendante de la vitesse du vent. Leur puissance varie linéairement avec la vitesse du vent, qui peut varier de 5 km/h à plus de 200 km/h, sans nécessiter la célèbre "mise en drapeau" des éoliennes à pales.

Concernant le stockage de l’énergie, une piste est l’électrolyse de l’eau et la production d’hydrogène, qui peut être stocké avant d’être reconverti en énergie selon les besoins au moyen d’une pile à combustible, produisant de l’électricité et de la chaleur. Le rendement global de ce cycle de production d'énergie est encore trop faible à l'heure actuelle pour rendre intéressant le stockage d'énergie par l'hydrogène. Les technologies liées à l'hydrogène nécessitent des progrès, principalement de coût de fabrication et de maintenance, avant de pouvoir passer à un stade industriel. Les premières piles à combustible raccordées sur des réseaux de distribution électrique ont été mises en service dans les années 1990.

D'après EDF pour ce qui concerne la France, Parmi les énergies renouvelables, l’éolien a le plus fort potentiel de développement et représentera une part majoritaire dans la production d’énergies renouvelables hors hydraulique. L’éolien apportera ainsi sa contribution à l’indépendance énergétique de la France^[10].

[modifier] L'éolien offshore

L'installation de fermes éoliennes offshore est l'une des voies de développement de l'éolien. S'affranchissant en grande partie du problème des nuisances esthétiques, installés dans des secteurs procurant un vent beaucoup plus constant qu'à terre, cette solution permet le développement technique progressif d'éoliennes de très grande puissance.

Diverses solutions sont envisagées pour diminuer le coût du kWh produit. Parmi les solutions étudiées, on peut noter:

la construction d'éoliennes de plus grande puissance, produisant de 5 à 10 MW par unité
la mise au point de systèmes flottants, ancrés, permettant de s'affranchir des coûts des fondations de pylones à grande profondeur.

Les projets des futures éoliennes offshore, à l'horizon 2010, visent une puissance de 10 MW unitaire, avec un diamètre de pales de 160 m.

Un concept encore plus innovant a été développé par Norks Hydro, il consiste à créer un champ de 200 éoliennes flottantes, par 200 à 700 m de fond, d'une puissance unitaire de 5 MW, soit 1 GW installé.^[11]

Une option permettant de réduire le coût d'investissement au kW installé pourrait être à terme de coupler sur le même pylone une éolienne offshore et une ou plusieurs hydroliennes.

[modifier] L'éolien urbain

Partant d'une autre logique technique et économique, l'éolien urbain vise à s'affranchir des contraintes de la production centralisée, du transport (et des pertes générées) et de ses incidences esthétiques, et de permettre une production décentralisée en utilisant des turbines éoliennes compactes.

La conception de ces turbines éoliennes compactes diffère de celle des systèmes actuellement connus du grand public. Il n'y a plus de pales comme celles d'une hélice d'avion, mais un rotor fixé à ses 2 extrémités, équipé de lames pour procurer un couple constant quelle que soit leur position par rapport à l'axe du vent. Dans certains projets est ajouté au rotor un stator extérieur, élément fixe destiné à dévier la course du vent afin d'optimiser le rendement de l'ensemble. La conception mécanique des turbines éoliennes les rend résistantes aux vents violents, et les affranchissent du besoin d'être arrêtées quand le vent dépasse la vitesse de 90 km/h. Leur production est quasiment proportionnelle à la vitesse du vent jusqu'à plus de 200 km/h, sans palier limitant comme sur les éoliennes classiques.

[modifier] Débat sur l'énergie éolienne

Il existe une polémique, qui date de l'origine du moulin à vent, et porte sur les différentes nuisances (visuelles, sonores, etc.) et sur les intérets (économiques, emplois, etc.) de l'énergie éolienne.

Voir l’article Débat sur l'énergie éolienne.

[modifier] Repères

L'éolien off-shore est une solution pour réduire le problème d'intermittence du vent, et donc de la production d'électricité.
Les autres axes de progrès escomptés sont le mix-énergétique (vent, solaire, géothermie) et le progrès du stockage de l'énergie.
Les pays les plus avancés dans le développement de l'éolien (Allemagne, Danemark, etc.) résolvent les problèmes de l'intermittence avec notamment le thermique mais aussi l'achat d'électricité produite par d'autres pays.
Les projections du "Scénario énergétique tendanciel à 2030 pour la France - DGEMP-OE(2004) - synthèse des travaux réalisés en 2004 par l’Observatoire de l’énergie de la Direction générale de l’énergie et des matières première" misent sur un potentiel éolien de 43 TWh en 2030, soit 11% de la production nucléaire à cette date, avec un potentiel installé de 19 GW en éolien, de 50 GW en nucléaire, pour un total de 144 GW de puissance nette installée. ^[12]

[modifier] Référence

↑ Directive 2001/77/CE du Parlement européen et du Conseil du 27 septembre 2001 relative à la promotion de l'électricité produite à partir des sources d'énergie renouvelables sur le marché intérieur de l'électricité. Selon cette directive, la part d'énergie électrique d'origine renouvelable produite en France à l'horizon 2010 devrait être de 21% contre 15% en 1997.Actu-environnement.com : 29/06/2006. Les nouveaux tarifs d'achat de l'électricité renouvelable
↑ Source : Agence internationale de l'énergie, 2003. Voir l'article Énergie nucléaire.
↑ http://de.wikipedia.org/wiki/Windenergieanlage
↑ http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Kraftwerke_%28Ausnutzung%29.PNG
↑ http://www.edf.com/41523d/Accueilfr/Presse/Touslesdossiersdepresse/5emeinventairedeLaproductiondelectricitedoriginerenouvelabledanslemonde:La production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde - 5ème inventaire - 5 mars 2004
↑ http://www.energies-renouvelables.org/observ-er/html/inventaire/PDF/Fr/Chapitre03FR.pdf:La production d’électricité d’origine renouvelable dans le monde - 7ème inventaire - 2005
↑ Energies Renouvelables
↑ (en) Dossier presse : Worldwide wind energy boom in 2005 : 58.982 MW capacity installed par World Wind Energy Association [pdf]
↑ La France s’est fixée comme objectif, dans le cadre de la directive européenne 2001/77/CE du 27 septembre 2001 sur l’électricité renouvelable (Réf. 1), de produire 21% de sa consommation d’électricité à partir de sources renouvelables en 2010. Il faudra donc produire en 2010, 106 TWh d’origine renouvelable contre 71 TWh aujourd’hui. L’éolien devra représenter 75 % des 35 TWh d’électricité renouvelable supplémentaires en 2010, ce qui impose la mise en place d’au moins 10000 MW éoliens sur le territoire national (source: Jérôme GOSSET et Thierry RANCHIN: Bilan et prospective de la filière éolienne française) [1]
↑ http://www.edf.com/21863d/Accueilfr/LesenergiesEDF/PDFsEnergiesEDF/pdfeolien
↑ http://www.hydro.com/library/attachments/en/press_room/floating_windmills_en.pdf : dossier éoliennes flottantes
↑ http://www.industrie.gouv.fr/energie/prospect/pdf/scenario-2004.pdf