Énergie éolienne2018-02-12T17:37:54+00:00

L’énergie éolienne

L’énergie éolienne est gratuite et abondante.Les plateaux dégagés de Wallonie permettent facilement son utilisation. Lorsque la vitesse du vent double sa capacité énergétique fait fois 8.

L’énergie du vent, une ressource généreuse mais instable

Avant de parler des éoliennes, parlons d’abord de ce qui les fait tourner, à savoir le vent. D’où vient son énergie et de quoi est-elle faite ?
Nous l’avons dit en commençant: du soleil. Le vent est donc une masse d’air qui transforme l’énergie thermique que cette masse a retiré du rayonnement solaire en énergie cinétique.
Deux paramètres essentiels caractérisent donc le vent. Le premier, déterminant quant à la quantité d’énergie qu’il est susceptible de fournir, c’est sa vitesse, et le second, c’est la direction de son déplacement.

Le premier problème que pose la récupération de cette énergie gratuite et  souvent abondante, c’est son instabilité. Certes, les données climatiques  permettent, pour une région donnée, de définir le régime des vents dominants  et leurs vitesses «moyennes» avec une bonne approximation sur l’année, ou même sur les saisons.

A titre indicatif, pour la Belgique, la vitesse moyenne annuelle du vent à 10 mètres du sol est de 6,2 mètres par seconde au littoral, de 3,6 m/s à l’intérieur du pays et de 4,4 m/s sur le plateau ardennais.
Mais il va de soi que cette donnée statistique est totalement insuffisante pour déterminer les caractéristiques auxquelles doit répondre une éolienne en un endroit précis. D’abord, parce que ces moyennes dissimulent les sautes d’humeur extrêmes que peut connaître le vent, que ce soit sous forme de calme plat persistant, de variations incessantes ou encore de rafales d’une violence rare. De plus, la vitesse et la direction peuvent être fortement influencées par les conditions locales du lieu d’implantation, notamment le relief et les obstacles avoisinants. Ceux-ci peuvent créer des turbulences importantes. Avant toute décision d’installation, une étude approfondie de ces conditions particulières s’impose.

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Entre les pôles et l’équateur, le Soleil réchauffe le globe terrestre de manière fort inégale. Les écarts de température qui en résultent provoquent des différences de densité des masses d’air qui se traduisent par des variations de pression atmosphérique. Dès lors se crée un vaste mouvement des masses d’air des zones à haute pression vers les zones à basse pression. C’est ce mouvement qui constitue le phénomène général des vents à la surface de la planète.
Mais la façon dont les vents s’orientent localement aux quatre coins de la planète obéit encore à d’autres lois très complexes de la dynamique des fluides, aux forces physiques résultant de la rotation de la Terre (force de «Coriolis»), à la présence des océans et des continents et de leur reliefs respectifs. Ceci qui explique la très grande variété des vents dominants qui caractérisent les diverses régions et climats du globe, selon les latitudes et longitudes.

Une éolienne transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Soit cette énergie est utilisée directement comme dans les éoliennes de pompage ou les anciens moulins à vent (essentiellement pour moudre le grain). Soit elle est transformée en électricité via une génératrice. Dans ce cas, on parle d’aérogénérateurs.

Les éoliennes de pompage existent encore dans nos campagnes mais sont progressivement remplacées par les pompes électriques. Cependant, les éoliennes de pompage continuent à présenter un intérêt réel pour les régions isolées des pays en voie de développement. Quant aux moulins à vent, cela fait déjà plusieurs dizaines d’années qu’on ne les utilise plus. Les minoteries modernes offrent bien sûr beaucoup plus de souplesse dans l’organisation du travail. De nombreux moulins à vent subsistent toutefois dans le paysage car, véritables ouvrages d’art, ils sont souvent considérés comme sites classés. Certaines études ont également été réalisées afin d’évaluer l’intérêt de cette technologie pour les pays en développement.

L’utilisation de l’énergie éolienne

Une éolienne transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique.
Soit cette énergie est utilisée directement comme dans les éoliennes de pompage ou les anciens moulins à vent (essentiellement pour moudre le grain). Soit elle est transformée en électricité via une génératrice. Dans ce cas, on parle d’aérogénérateurs.

Les éoliennes de pompage

Les éoliennes de pompage existent encore dans nos campagnes mais sont progressivement remplacées par les pompes électriques. Cependant, les éoliennes de pompage continuent à présenter un intérêt réel pour les régions isolées des pays en voie de développement. Quant aux moulins à vent, cela fait déjà plusieurs dizaines d’années qu’on ne les utilise plus. Les minoteries modernes offrent bien sûr beaucoup plus de souplesse dans l’organisation du travail. De nombreux moulins à vent subsistent toutefois dans le paysage car, véritables ouvrages d’art, ils sont souvent considérés comme sites classés. Certaines études ont également été réalisées afin d’évaluer l’intérêt de cette technologie pour les pays en développement.

Les aérogénérateurs

Dans le cas des aérogénérateurs, deux utilisations différentes sont possibles. La principale est le couplage de l’aérogénérateur sur le réseau. C’est la filière où, jusqu’à présent, le plus de recherches et d’expériences ont été réalisées car c’est la plus performante. La seconde est l’utilisation de l’installation en tant que groupe électrogène éolien. Dans ce cas, on vise surtout les régions isolées.
Signalons également que certaines applications particulières font aussi l’objet de recherches. Il s’agit, par exemple, de la production de chaleur ou de la production de froid sans passer par l’énergie électrique. Le premier exemple peut avoir une utilité dans les pays industrialisés à un niveau individuel, tandis que le second concerne plus spécifiquement les pays en développement.

Les différents types d’éoliennes

Les éoliennes peuvent se classer en deux grandes familles : les éoliennes à axe vertical et celles à axe vertical

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Éolienne à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical ne nécessitent pas de système d’orientation par rapport à la direction du vent, mais sont, en général, de conception assez compliquée. Il existe deux modèles caractéristiques: le type «Savonius» et le type «Darrieus».
Les éoliennes «Savonius» ne permettent pas de développer de grandes puissances et n’ont qu’un très faible rendement, ne dépassant pas 50% de la limite de Betz (pourcentage maximum théorique de l’énergie du vent pouvant être récupérée). De ce fait, elles ne connaissent pas un grand développement.
Les éoliennes «Darrieus» sont plus sophistiquées et, bien qu’elles puissent développer une puissance plus grande, elles ne sont guère répandues car elles ne peuvent pas démarrer toutes seules.

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Éolienne à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal (ou à hélice) sont de conception plus simple et ont un rendement élevé. Elles sont dès lors plus répandues.

Leurs caractéristiques communes sont d’être montées au sommet d’un pylône et d’être équipées d’un système d’orientation dans le vent. Sur base du nombre de pales que compte l’hélice, on peut distinguer deux groupes: à rotation lente «multipales» et à rotation rapide «aérogénérateurs». Les éoliennes à rotation lente «multipales» qui, depuis longtemps, son! relativement répandues dans les campagnes, en France par exemple, servent quasi-exclusivement au pompage de l’eau.
Les éoliennes à rotation rapide, bi- ou tripales, en général constituent actuellement la catégorie des éoliennes en vogue, et sont essentiellement affectées à la production d’électricité, d’où leur nom plus courant «aérogénérateurs»

Description et fonctionnement des différents types d’installations d’éoliennes

On distingue principalement 3 types d’applications possibles de l’énergie éolienne.

Les éoliennes de pompage

En général, il s’agit d’éolienne à axe horizontal et à hélice multipale car la mise en action de la pompe volumétrique nécessite un couple de démarrage élevé. La transmission s’effectue par un système bielle – manivelle

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Les aérogénérateurs

Selon les conditions du site, l’éolienne peut être couplée au réseau ou constituer un groupe électrogène indépendant

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L’éolien et l’environnement

Au même titre que les autres énergies renouvelables, l’utilisation du vent ne donne lieu, en tout état de cause, à aucune forme de déchets nuisibles à l’homme ou au milieu naturel. L’emploi du vent évite le recours à l’énergie fossile et n’engendre pas de pollution atmosphérique (par exemple, les pluies acides et l’effet de serre).
Cependant, vu l’augmentation du nombre et de la taille des fermes éoliennes, certains impacts environnementaux sont apparus. Leurs effets ne sont pas encore bien connus et sont parfois inquantifiables, mais un certain nombre d’aspects ont déjà été éclaircis.

Impact visuel sur le paysage

Le problème environnemental le plus controversé associé aux fermes d’éoliennes est leur intrusion visuelle et l’impact qu’elles ont sur le paysage.

Les turbines sont une présence verticale frappante dans le paysage, particulièrement dans les régions rurales où le potentiel éolien est souvent le plus grand. Évaluer cet impact est souvent difficile car il s’agit d’une opinion subjective. Le design des fermes éoliennes et le type de paysages dans lesquels elles s’insèrent ont évidemment une grande importance. Il faut aussi savoir que la perception des gens d’une ferme éolienne n’est pas seulement déterminée par les paramètres physiques d’un paysage, mais aussi par leur attitude vis-à-vis des problèmes de pollution. Certaines études en Europe et aux USA ont montré que chez la majorité des gens, la perception de l’énergie éolienne comme une source d’énergie propre et renouvelable dépasse l’impact visuel.
Il reste que le design des fermes éoliennes doit être conçu de. façon à réduire cet impact visuel. Les facteurs a prendre en compte sont le choix soigneux de l’emplacement, la couleur et la forme.

La pollution sonore

Le bruit émis par les turbines éoliennes peut être classé en deux catégories que l’oreille humaine perçoit différemment.
Premièrement, il y a le bruit produit par le passage de l’air dans l’hélice et deuxièmement, il y a le bruit produit par la rotation des éléments mécaniques tels les boîtes d’engrenages et génératrices.
Le premier bruit est un sifflement rythmique. Bien que ce soit généralement le plus bruyant des deux catégories de bruit quand on le mesure en décibuis, c’est le moins perturbant et le moins sujet aux plaintes, à l’opposé du grincement aigu de la seconde source

L’impact du bruit est facilement minimisé par un choix judicieux de l’emplacement de l’éolienne par rapport aux caractéristiques topographiques et à la proximité d’habitations. L’expérience montre que le bruit n’est pas excessif lorsque les habitations sont situées à plus de 300 mètres de la turbine la plus proche.

Certaines normes ont été adoptées par, plusieurs pays tels que la Suède :

  • 45 dB (A) maximum au niveau d une maison isolée dans la campagne.
  • 40 dB (A) maximum au niveau d’une zone urbaine.
  • 45 dB (A) maximum a une distance de 400 mètres de la turbine.

Impact sur les oiseaux

Les fermes d’éoliennes peuvent avoir deux effets sur.les oiseaux: la collision directe et la réduction de leur habitat.
Des études hollandaises, danoises, suédoises, américaines et anglaises estiment que les possibilités de collision le jour, avec une bonne visibilité sont négligeables. Il faut néanmoins éviter que les fermes soient situées sur les couloirs de migration et prendre des précautions dans des régions ou vivent des espèces d’oiseaux menacées. Les perturbations sur l’habitat des animaux n’ont pas encore été suffisamment étudiées et les études disponibles à l’heure actuelle ne permettent pas de tirer des conclusions.
Ce problème ne concerne pas seulement la vie des oiseaux, mais plus globalement celle de la faune et de la flore en général. La fragmentation du territoire peut aussi avoir une influence sur le système hydrologique.
L’importance écologique de chaque site doit donc être prise en compte lors de l’installation de fermes éoliennes; les gouvernements danois, néerlandais et grec, pour : l’instant, essaient de choisir les sites en dehors des régions écologiquement sensibles.
Dans d’autres pays, une étude de l’écologie et de l’ornithologie des sites est exigée préalablement à tout développement de ferme d’éoliennes. Cela suppose qu’il faille identifier les régions importantes d’un point de vue environnemental et établir les prescriptions pour réduire l’impact sur ces régions.

Les vestiges archéologiques

La nécessité de vents forts et ininterrompus a pour effet que les fermes d’éoliennes sont souvent situées dans des régions rurales qui n’ont pas connu de développement important dans un passé récent. Dès lors, ces régions sont susceptibles de comporter des vestiges archéologiques préservés qui, quoique n’ayant pas de valeur environnementale en eux-mêmes, font partie de l’héritage culturel et de l’environnement humain. Les conflits peuvent généralement être évités en examinant attentivement les régions envisagées afin de ne pas positionner les turbines sur des vestiges.
Dans le cas où la préservation physique du site n’est vraiment pas possible, l’excavation archéologique peut être une alternative acceptable

Interférences électromagnétiques

Toute structure importante, particulièrement si elle contient une quantité substantielle de métal, est une cause potentielle d’interférences pour les signaux électromagnétiques tels que ceux des émissions radio et TV et des communications hertziennes. La rotation de l’hélice de l’éolienne peut aussi causer des problèmes particuliers, parce qu’elle crée des signaux parasites intermittents qui interfèrent avec les trajectoires originales de transmission. Cependant, dans la plupart des cas, si des interférences électromagnétiques apparaissent, il existe des solutions bon marché et efficaces comme par exemple l’installation d’un récepteur ou transmetteur pour renforcer le signal original.

La sécurité

Les pales d’une hélice tournant entre 35 et 45 tours/minute, peuvent facilement être perçues comme une structure dangereuse. En fait, il y a peu de chance d’avoir des dégâts ou des morts suite à une cassure ou une fragmentation de l’hélice. Les dangers peuvent aussi être minimisés en éloignant les turbines des zones résidentielles, mais surtout en effectuant des contrôles sérieux lors de la construction des turbines. Jusqu’à présent, ils ont prouvé leur efficacité dans la prévention des accidents

Les effets des fermes éoliennes sur l’environnement local doivent être considérés très attentivement lors de leur planification. En général, les impacts peuvent être surmontés par des solutions techniques et esthétiques, qui n’affectent pas la viabilité des projets.

Cependant, il est important de faire des évaluations pour prévoir les impacts potentiels, afin que des mesures appropriées puissent être prises quand c’est nécessaire. A une échelle régionale, des études mettant en relation les potentialités du vent avec les valeurs environnementales permettent d’identifier les régions privilégiées pour l’implantation de fermes éoliennes et celles où leur développement serait préjudiciable pour l’environnement.
L’analyse des sites est généralement entreprise sous la forme d’une évaluation de l’impact environnemental. La proposition est alors adaptée afin de minimiser les dommages environnementaux, ou rejetée si l’adaptation est insuffisante.

De cette façon, le développement des fermes d’aérogénérateurs peut être favorisé tout en réduisant leurs nuisances; ainsi l’énergie éolienne restera une énergie douce.

PERSPECTIVES ET DÉVELOPPEMENT

Le développement de l’énergie éolienne

Le développement de l’énergie éolienne a, jusqu’à présent, été caractérisé par:

  • une réduction du coût de l’électricité générée par le vent par un facteur 3-4 depuis le début des années 80; 
  • une augmentation de la puissance des éoliennes commerciales de quelques dizaines de kW à 500 kW voire plus;
  • une amélioration du rendement des éoliennes de 60% en 1981 à 95-98%;
    l’acceptation par les distributeurs d’électricité d’inclure l’énergie éolienne dans les procédures de planification;
  • des meilleures méthodes pour déterminer les sites favorables.

Il y a trois orientations distinctes pour le marché de l’énergie éolienne:

1) la connexion au réseau dans les pays industrialisés;

2) la connexion au réseau dans les pays en développement;

3) les groupes électrogènes.

Jusqu’à présent, le marché a été dominé par la première catégorie. L’Europe a installé 800 MW de ce type d’éoliennes. C’est le résultat d’une stimulation des marchés nationaux par:
* des programmes de recherche, de développement et de démonstration nationaux et communautaires;
* la subsidiation directe des investissements d’installations éoliennes; * le paiement de primes pour l’énergie produite; * des normes pour l’accès au réseau;
* la réduction de taxes pour les investissements dans le domaine de /’énergie éolienne.
Pour réussir, cependant, ces incitants doivent être accompagnés de :
* standards harmonisés pour le design et la construction des turbines éoliennes;
* stratégies de planification incluant les critères pour la détermination des zones où pourraient être installées des éoliennes.
Tous ces moyens ont été utilisés en Europe.
Le marché le plus large, jusqu’à présent, est toujours celui des aérogénérateurs connectés au réseau. Le marché US a baissé considérablement jusqu’à quelques centaines de MW installés par an. Mais la tendance est en train de s’inverser. La marché européen est, quant à lui, en croissance (l’association européenne de l’énergie éolienne estime que 100.000 MW éoliens seront installés en 2030).
Le marché hors USA et Europe est difficile à quantifier. Il y a une activité significative en Suède, aL’ Canada, en Israël, en Australie, en Inde et en Chine.
Plusieurs concepts ont été expérimentés depuis le début des années 80. Celui qui domine est le rotor-hélice tournant autour d’un axe horizontal. La plupart des machines ont trois pales et la puissance est régulée par réglage du calage des pales.
Les turbines à vent commerciales actuelles ont en général une puissance de 100 à 500 kW. On prévoit une augmentation jusqu’à 1 MW au moins. Cette augmentation est justifiée par le fait que, à une certaine distance, l’impact visuel d’une turbine de 100 kW ou d’une autre de 1 MW est pratiquement le même. D’autre part, il est généralement admis que le coût de l’énergie éolienne diminue lorsqu’on réduit le poids des machines et que leur taille augmente. La limite supérieure peut être imposée par l’accroissement des problèmes logistiques rencontrés lors du transport et du montage des éoliennes.

L’avenir de l’éolien

Les développements techniques apporteront également une plus grande sécurité de fonctionnement, une meilleure relation coûts efficacité et une diminution de l’impact sur l’environnement (bruit). Une priorité sera ainsi accordée aux pales, à l’étude de leur profil, et à l’optimisation de la machinerie.

Le développement de l’énergie éolienne en Europe dépend d’une série de facteurs: la technologie, les opportunités financières, les politiques gouvernementales, la sélection optimale des sites, l’optimisation de l’intégration dans le système énergétique et enfin, la compétitivité en relation avec d’autres sources d’énergie.
Les systèmes d’énergie éolienne nécessitent des investissements lourds, mais qui ont l’avantage de ne pas consommer de combustible et donc, sauf pour l’investissement initial, d’être gratuits. Des encouragements des services publics peuvent mener à augmenter les investissements privés, comme au Danemark entre 1979 et 1989. Les pays en développement continueront cependant à dépendre, durant de nombreuses années, des donateurs internationaux et des organismes financiers tels que la Banque Mondiale, les agences nationales de développement et autres organisations.
Le document de I’EWEA (European Wind Energy Ass.) présente une série d’actions concrètes qui pourraient mener à l’installation d’une puissance éolienne de 4.000 MW d’ici l’an 2000, augmentée jusqu’à 11.500 MW en 2005. L’objectif à long terme de cette stratégie est d’arriver à 10% de la production européenne d’électricité en 2030.
Le taux annuel d’installation de turbines à vent en Europe est actuellement de 300 MW. Si ce taux est triplé, presque 2% de la demande annuelle d’électricité de 1.100 TWh au sein de l’Union européenne seront générés en l’an 2000 par l’énergie éolienne. Dans son programme ALTENER, la Commission s’est fixé l’objectif de 8.000 MW en 2005, c’est-à-dire de multiplier le parc par dix par rapport à 1992. Cette augmentation ne peut cependant être obtenue qu’en combinant bonne volonté politique et engagement avec les activités technologiques et économiques.

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