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Énergie éolienne

Energie éolienne électricité
Rangée d'éoliennes dans l'Alberta, au Canada (©photo)
À retenir
  • L'énergie éolienne consiste à exploiter l'énergie cinétique du vent. Les éoliennes produisant de l'électricité peuvent être terrestres ou installées « offshore ».
  • L’énergie électrique ou mécanique produite par une éolienne dépend de 3 paramètres : la forme et la longueur des pales, la vitesse du vent et la température qui influe sur la densité de l’air.
  • Le parc éolien mondial a une puissance installée de 432,4 GW à fin 2015 et compte pour environ 3% de la production totale d'électricité.
  • Les 3 pays disposant des plus grands parcs éoliens sont la Chine, les États-Unis et l'Allemagne.

Définition et catégories

L’énergie éolienne est l’énergie cinétique des masses d’air en mouvement autour du globe. La racine étymologique du terme « éolien » provient du nom du personnage mythologique Éole, connu en Grèce antique comme le maître des Vents.

L’énergie éolienne est une forme indirecte de l’énergie solaire : les rayons solaires absorbés dans l’atmosphère entraînent des différences de température et de pression. De ce fait les masses d’air se mettent en mouvement et accumulent de l’énergie cinétique. Celle-ci peut être transformée et utilisée à plusieurs fins :

  • la transformation en énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (voilier ou char à voile), pour pomper de l’eau (éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d’un moulin ;
  • la production d'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 au sein d'un système « autonome » avec un générateur d’appoint (par exemple un groupe électrogène), un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie. Une éolienne est parfois qualifiée d’aérogénérateur dès lors qu'elle produit de l'électricité.

L’énergie éolienne est une énergie renouvelable qui ne produit pas directement de gaz à effet de serre en phase d’exploitation.

Les modes d’exploitation de l’énergie éolienne

On distingue par ailleurs deux typologies d’installations :

  • industrielles : les grands parcs éoliens (ou « fermes éoliennes ») raccordés au réseau électrique ;
  • domestiques : des petites éoliennes installées chez les particuliers.

Fonctionnement technique ou scientifique

Le procédé de transformation de l’énergie cinétique en énergie mécanique ou électrique

L’énergie électrique ou mécanique produite par une éolienne dépend de trois paramètres : la forme et la longueur des pales, la vitesse du vent et enfin la température qui influe sur la densité de l’air.

L'énergie récupérable par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par son rotor et au cube de la vitesse du vent.

L'énergie récupérable correspond à l’énergie cinétique qu’il est possible d’extraire. Elle est proportionnelle à la surface balayée par le rotor et au cube de la vitesse du vent.

La puissance maximum récupérable (P) est donnée par la loi de Betz : P = 0,37. S. V3; où 0,37 est la constance de l’air à pression atmosphérique standard (1 013 hPa), S la surface balayée et V la vitesse du vent.

En pratique, une éolienne produit quatre fois plus d’énergie si la pale est deux fois plus grande et huit fois plus d’énergie si la vitesse du vent double. La densité de l’air entre également en jeu : une éolienne produit 3% de plus d’électricité si, pour une même vitesse de vent, l’air est plus froid de 10°C. La puissance éolienne dépend principalement de l’intensité du vent et de ses variations. L’énergie éolienne est donc une énergie intermittente et aléatoire.

Une éolienne démarre lorsque la vitesse du vent atteint environ 3m/s et s'arrête lorsque cette vitesse atteint 25m/s.

Le vent est plus fort et plus constant en mer. Les éoliennes qui y sont installées sont également plus puissantes.

L’ensemble pale/rotor est orienté face au vent par un système de gouvernail. La plupart des éoliennes démarre lorsque la vitesse du vent atteint environ 3 m/s et s’arrête lorsque cette vitesse atteint 25 m/s. Généralement, les éoliennes sont paramétrées afin d’exploiter au mieux les vents de puissance intermédiaire.

Enjeux par rapport à l'énergie

Considérée comme une énergie propre, l’énergie éolienne connaît un essor important. Parmi les énergies renouvelables, elle est considérée comme une technologie mature et la plus économique après l’hydroélectricité.

D’après le GWEC (Global Wind Energy Council)(1), la capacité installée du parc éolien mondial a plus que doublé entre fin 2010 et fin 2015. A cette date, elle atteint près de 432,4 GW. Malgré cette croissance, sa part dans la production d'électricité mondiale totale reste limitée à environ 3%(2).

Au-delà de la donne économique et environnementale, l’énergie éolienne suscite un intérêt particulier car elle peut contribuer à la diversification des mix électriques et à l’indépendance énergétique des pays. Cette source d’énergie se trouve ainsi souvent au cœur des stratégies de développement de nouvelles capacités électriques malgré les limites qu’elle peut présenter : son caractère aléatoire, son rendement et son intrusion dans les paysages naturels pouvant être mal acceptée par les riverains.

  • Les atouts de l’énergie éolienne
  • L’énergie éolienne est renouvelable et « décarbonée » en phase d'exploitation.
  • Le terrain où les éoliennes sont installées reste toujours exploitable pour les activités industrielle et agricole. L’installation peut être démantelée relativement facilement.
  • Leur développement offshore présente un potentiel non négligeable.
  • Implantées localement, les éoliennes peuvent permettre de répondre à des besoins électriques de masse tout comme à des besoins domestiques limités, selon leur taille.
     
  • Les problèmes qui se posent
  • L’énergie éolienne dépend de la puissance et de la régularité du vent.
  • C’est une source d’énergie intermittente.
  • Les zones de développement sont limitées.
  • Les éoliennes peuvent susciter des conflits d’usage d’ordre environnemental comme les nuisances visuelles et sonores.
  • Il peut exister des conflits d’utilisation de l’espace terrestre ou marin avec les autres usagers (exemple : pêcheurs, plaisanciers).

Acteurs majeurs

Les pays disposants des plus importantes capacités éoliennes

Ce sont la Chine et les États-Unis qui disposent des plus grands parcs éoliens dans le monde, avec respectivement 145,1 GW et 74,5 GW installés à fin 2015. Suit ensuit l'Allemagne, leader européen de l'éolien (et mondial jusqu'en 2009) avec 44,9 GW installés. Si on rapporte les capacités éoliennes à la superficie et la population des principaux pays développant cette filière, le Danemark figure en revanche à la première place.

L’Europe a longtemps dominé le marché mondial de l’énergie éolienne mais dispose désormais d'un parc éolien équivalent à celui de la Chine en matière de puissance installée.

En France, environ 1 GW éolien est raccordé chaque année au réseau électrique (10,3 GW de puissance installée à fin 2015).

Les entreprises du secteur éolien

Selon le cabinet Make Consulting, les 5 principaux fabricants d'éoliennes en 2014 étaient (3) :

  • Siemens (Allemagne) avec 10,8% de parts de marché mondial ;
  • GE Wind (États-Unis) avec 10,2% ;
  • Vestas (Danemark) avec 10,1% ;
  • Goldwind (Chine) avec 9,2% ;
  • Enercon (Allemagne) avec 7,8%.

Unités de mesure et chiffres clés

En France

En moyenne, un Français consomme 7 382 kWh (consommation électrique totale rapportée à la population), un Américain 12 987 kWh alors qu’un Béninois ne consomme que 94 kWh(4). À titre de comparaison, une éolienne de 2 MW installée en France produit en moyenne 4 millions de kWh par an, d'après le facteur de charge du parc éolien français (23%, ce qui correspond à un fonctionnement à plein régime d'un peu plus de 2 000 heures par an, soit de 6 heures par jour).

En France, la filière éolienne représente 12 520 emplois directs à fin 2014(5).

En Europe

A fin 2015, la puissance installée du parc éolien européen atteint 142 GW dont 11 GW offshore (principalement au Royaume-Uni. Selon l’EWEA (association européenne de l’énergie éolienne), ce parc produirait de l'ordre de 315 TWh par an, ce qui suppose un facteur de charge moyen d’environ 25,3%(6).   

Au niveau mondial

En 2015, près de 63 GW de nouvelles capacités éoliennes ont été installés dans le monde. L’éolien aurait produit près de 706 TWh en 2014, soit environ 3% de la production totale d’électricité dans le monde.

Passé et présent

Le début de l’utilisation de l’énergie éolienne remonte à approximativement 3 000 ans avant J.-C., dans le cadre de l’utilisation des premiers bateaux à voile. Après, les premiers moulins à vent sont inventés par les Perses vers 200 avant J.-C. Cette technique n’est ensuite importée en Europe qu’au XIIe siècle.

Deux siècles après, les célèbres moulins hollandais voient le jour. Ces moulins sont utilisés pour faire tourner des scieries ou fabriquer de l’huile. Mais c’est en Angleterre qu’ont été perfectionnées les formes des ailes. L’Angleterre compte au XIXe siècle environ 10 000 moulins. Depuis les années 1990, le développement technologique des éoliennes a permis la construction des aérogénérateurs.

Nouveaux raccordements par trimestre entre 2012 et 2015

Nouveaux raccordements par trimestre entre 2012 et 2015 (©Connaissance des Énergies d'après Commissariat général au Développement durable)

Futur

En fonction de la structure énergétique des pays

L’énergie éolienne peut s’intégrer facilement dans les pays dont le mix électrique repose en grande partie sur les énergies fossiles. Son caractère variable est bien compensé par la grande disponibilité des centrales à gaz ou à charbon (ces dernières présentant toutefois un bilan environnemental très défavorable). C’est par exemple le cas de l’Allemagne.

En revanche dans les pays dont la structure de production énergétique repose sur des sources moins aisées à contrôler, donc moins à même à répondre aux variations brutales de la demande d’électricité, l'intégration de l’énergie éolienne présente de plus grandes contraintes. C’est notamment le cas de la France et de ses réacteurs nucléaires.

De surcroît, tous les pays ne bénéficient pas du même potentiel éolien. A l’avenir, les innovations technologiques, le développement des réseaux intelligents et les solutions de stockage de l’électricité pourraient également faire évoluer la donne.

L’éolien offshore

Les nouvelles technologies de l’éolien offshore sont aujourd’hui les plus prometteuses. En effet, certains pays tels que le Danemark sont déjà saturés d’éoliennes onshore. D’autres ne peuvent imposer de nouvelles implantations à leurs citoyens du fait de l’image négative que l’opinion publique peut parfois se faire des éoliennes dans leur environnement proche. Construire ces aérogénérateurs au large, où les vents sont plus forts et plus constants, répond à la fois aux impératifs sociétaux et aux impératifs énergétiques. Notons également que des recherches portent désormais sur l'éolien flottant.

Concrètement

En France, une éolienne de 2 MW en France permet en moyenne d’alimenter en électricité environ 900 foyers.

Le saviez-vous ?

Une éolienne fournit une puissance de quelques kW jusqu'à plus de 6 MW.