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L’énergie éolienne

au gré des vents

lundi 9 avril 2012 par Jean

Il y a 2 messages en réponse à cet article.

Résumé de l’article
L’énergie éolienne relève de techniques simples : une hélice entraîne un alternateur qui produit de l’électricité.
L’éolien ne présente pratiquement pas de risques : écologiques (pas de CO²), santé (pas de pollution).
Trois problèmes importants :
- Irrégularité du vent. La puissance réelle n’est que de 20% de la puissance nominale installée.
- Intermittence, il faut mettre en place des moyens de stockage de l’électricité (STEP).
- Emprise au sol (pour la France, un ruban de 3km sur toutes les cotes de Manche, Bretagne, Roussillon ?).
Les coûts seraient compétitifs mais le potentiel assez limité : 450 Mtep

1. Description

Héritière de la marine à voile et des moulins, l’énergie éolienne se base sur un principe très simple : le vent cède son énergie cinétique à une hélice qu’il fait tourner.

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eolienne pompe

Ainsi des éoliennes ont été un élément familier des campagnes où l’hélice actionnait une pompe pour irriguer les champs.

De nos jour, l’éolien est utilisé quasi
exclusivement pour produire de l’électricité (sauf la marine à voile pour certains passionnés) et l’hélice est couplée à un alternateur.

Puissance nominale d’une éolienne
(c’est la puissance maximale qu’elle fournit quand elle tourne au mieux).

La puissance mécanique du vent, et par suite celle que va récupérer l’éolienne, varie comme le cube de la vitesse du vent.
En d’autres termes, si sa vitesse double, sa puissance est multipliée par 8, ce qui est considérable. Cependant, en dessous d’une
certaine vitesse, l’éolienne n’en tirera rien.

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puissance obtenue en fonction du vent


A l’opposé, au delà d’une autre vitesse de vent, on freine l’éolienne puis on l’immobilise pour éviter qu’elle casse. L’éolienne ne fonctionne donc que dans une certaine plage de vent, aujourd’hui
entre 10 et 90 km/h, bientôt entre 5 et 200 km/h.

La puissance d’une éolienne est aussi proportionnelle à la surface balayée par ses pales : une pale deux fois plus longue, c’est quatre fois
plus de puissance, d’où la courbe au gigantisme pour les fermes éoliennes : pour une rangée d’un km d’éolienne on tire bien
plus de puissance avec peu de grosses machines qu’avec plein de petites.

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Eolienne de 2 Mw

On construit des éoliennes de toutes tailles : On distingue
- le petit éolien de 100 W à 100 KW, que l’on met sur son bateau,
sur le toit d’un immeuble ou dans son jardin,
- le grand éolien implanté dans des fermes éoliennes avec des puissances de 2 MW sur terre (photo ci-contre), jusqu’à 5 MW (120 m de diamètre) et bientôt 10 MW en mer.

Rendement
Le rendement d’une éolienne, rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie cinétique du vent sur la surface balayée,
est faible, de l’ordre de 30 %. C’est une limite que l’on peut considérer comme infranchissable.

La forme la plus efficace et la plus facile à construire est une hélice à axe horizontal orientable à trois pales, elle s’est imposée presque partout.

Facteur de charge
Pour tenir compte de l’irrégularité des vents et des opérations de maintenance, on définit un "facteur de charge" prenant en compte le fait qu’une éolienne ne tourne pas à plein rendement 24 heures sur 24.
Ce facteur de charge est de 20 %, c’est à dire qu’une éolienne ne produit réellement que 20% de sa puissance nominale.

Localisation
On peut mettre des éoliennes partout, mais les meilleurs endroits pour implanter des éoliennes sont les lieux où il n’y a pas d’obstacle et où le vent souffle de façon la plus régulière,
- les mers (éolien off-shore),
- sur terre (éolien on-shore),
- les déserts (mais il n’y a pas grand monde à alimenter sur place, d’où nécessité de réseaux),
- le long des crêtes où le vent est guidé.

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potentiel eolien dans le monde

On voit que le meilleur endroit c’est les Quarantièmes rugissants et les Cinquantièmes hurlants, mais pas toujours commode d’accès !

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potentiel eolien en France

En France, les sites privilégiés sont les côtes de la Manche, la Bretagne et le Languedoc Roussillon.
En mer, on ne s’est guère éloigné des côtes pour pouvoir implanter les éoliennes sur des bases peu profondes et faciliter l’installation et l’entretien. Cela revient quand même nettement plus cher qu’à terre et les éoliennes se dégradent plus vite.

2. Avantages attendus

- La ressource, le vent est gratuit et n’est pas près de s’épuiser (sauf si le climat se détraque)
- L’éolien ne génère pas de polluants ni de gaz carbonique (en fait un tout petit peu lors de sa construction, notamment pour le béton du socle).
- L’éolien ne génère pas de risque pour la santé de l’homme
- Les techniques de l’éolien sont à la portée de nombreux pays
- L’impact d’une panne reste très limité, ne concernant en général qu’un unité soit moins de 5 MW

3. Problèmes ou risques

Environnement

L’impact environnemental des éoliennes est faible mais non nul : nuisance sonore, visuelle, certains oiseaux se font découper
(des ravages chez le vanneau huppé, le chevalier gambette et la barge à queue noire),
risques de bris de pales, conflit avec les pêcheurs pour l’éolien off-shore : on veut bien de l’éolien mais pas chez soi.

Emprise au sol

L’énergie du vent est diffuse et l’emprise au sol est importante, bien que la surface utilisée
puisse être partagée par l’agriculture ou la pêche. On estime que dans de bonnes conditions, on peut tirer
10 MW par km2. Si l’on compare à une centrale thermique moyenne de 1GW occupant 1 km2, il faut 500 fois plus de surface en éolien
avec l’hypothèse d’une charge de 20 %.

Si l’on voulait qu’en moyenne 20 % d’électricité soit d’origine éolienne en France, il faudrait installer 80 GW d’éolien. On pourrait tabler sur la moitié off-shore et la moitié on-shore.
- Pour l’on-shore, il faudrait y consacrer 4000 km2 en zone venteuse, soit par exemple un ruban de 3 km de large sur les 1400 km de cotes de la Manche, Bretagne et du Roussillon.
- Si l’on opte pour un parc plus diffus avec des petites éoliennes réparties d’une façon homogène sur la France, le vent y soufflant
moins fort, on n’obtient plus que 1 MW/km2 et il faudrait alors occuper un huitième de la surface possible en France (consistant en cultures, prairies, landes et alpages).

C’est l’ordre de grandeur du scénario que préconise Négawatt (installation de 56 GW d’éolien).

Intermittence

Le vent souffle où et quand il veut, et par conséquent l’électricité produite par l’éolien est intermittente.
Heureusement les météorologues peuvent prévoir la production à 72h avec 5 à 10% de marge d’erreur, ce qui est très appréciable pour un gestionnaire de réseau.

Tant que l’éolien ne produit qu’un faible pourcentage de l’électricité, l’intermittence n’est pas grave, mais si l’on veut qu’il participe significativement au « mix » énergétique, cela devient un problème sérieux.
Un réseau de transport d’électricité performant (voir l’article qui sera consacré à ce sujet) permet de résoudre partiellement ce problème, compensant les petites fluctuations si les champs d’éoliennes sont répartis dans différents bassins de vent.
Au delà, la solution à ce problème dépend de l’échelle de temps des fluctuations :
- pour les fluctuations à long terme (justement celles qu’on peut prévoir à plusieurs jours d’avance) on mettra en œuvre des énergies d’appoint
(nucléaire, thermique ou autre) qu’on peut moduler en quelques jours. Par exemple, en Europe, ce serait le cas d’un régime anticyclonique pratiquement sans vent pendant plusieurs jours. L’inconvénient est qu’il faut de toute façon investir dans la construction de centrales d’appoint.
- pour les fluctuations à court terme, un tel appoint doit pouvoir être démarré et arrêté très rapidement. Aujourd’hui seuls les centrales thermiques à gaz et l’hydraulique le permettent.
Des pays qui ont fortement développé l’éolien et qui ont peu de potentiel hydraulique, comme l’Allemagne, font donc un recours
massif aux centrales à gaz. L’expansion de l’éolien revient paradoxalement dans ce cas à accroître l’effet de serre.

Si cette solution ne suffit pas pour le court-terme, il faut prévoir des moyens de stockage évacuant ou accumulant le surplus d’énergie éolienne quand il y a du vent et le restituant au réseau quand il n’y en a pas.
Des solutions de stockage sont possibles et sont à l’étude, les plus prometteuses sont les STEP (stockage d’eau) et le stockage d’hydrogène.
Dans des cas ponctuels (dans des endroits isolés comme des îles) on peut utiliser des batteries géantes.

4. Potentiel de développement

Fin 2010, 193 GW d’éolien sont installés dans le monde, dont 5,6 GW pour la France.

On a fait de grands progrès et on continue à en faire. Les pistes de recherche sont :
- diminution du coût de construction, amélioration de la fiabilité et de la durée de vie (25 ans)
- extension de la plage de fonctionnement en vitesse de vent
- diminution de la pollution sonore
- course au gigantisme pour l’off-shore
- éoliennes flottantes pour aller plus loin des côtes

Mais il y a des freins au développement :
- le coût encore peu compétitif
- l’emprise au sol
- l’opposition des riverains
- la nécessité de stockage.

On peut mentionner pour le stockage un projet de STEP pour des éoliennes en pays de Caux (voir ici).
Cinq bassins en haut de falaises de craie pourraient stocker 220 GWh et délivrer/absorber une puissance de 8 à 20 GW.
- Cette puissance représente 30 % du total de la puissance électrique installée en France (80 Gw).
- La capacité de stockage représente presque un jour de production éolienne, si elle contribuait à 20 % du mix énergétique.
- L’emprise au sol est de l’ordre de 50 km2 au total pour un coût de construction de 1000 euros/KW.
C’est donc une réponse intéressante pour les fluctuations court-terme.

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scenario de l’eolien de l’IEA

L’IEA (voir ici) dans son scénario BLUE MAP anticipe une expansion de l’éolien par un facteur 10 d’ici 2050 pour arrive à 5200 TWh/an soit un
équivalent de 450 Mtep. J. Foos propose presque dix fois plus, 3000 Gtep, ce qui semble irréaliste, mais il pousse peut-être le bouchon
pour ne pas se faire taxer d’anti-éolien.

5. Coûts et prix

le coût de l’éolien est lié au coût d’investissement, de transport de l’électricité et de maintenance - puisque le vent est gratuit.
Il a considérablement diminué ces dernières années. Pour l’éolien terrestre il est maintenant constaté à 5.5 centimes d’euro du KWh selon une étude officielle américaine de janvier 2010 (NREL). L’éolien off-shore est deux fois plus cher.

En toute honnêteté il faudrait inclure dans le prix de revient le surcoût engendré pour pallier à l’intermittence. Si l’on en croit le promoteur du STEP évoqué plus haut, cet extra-coût serait de 2 centimes
d’euros, ce qui donne un total de 7,5 centimes d’euro.


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