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Éoliennes en mer (offshore)

Eoliennes offshore
Parc éolien offshore "Alpha Ventus", à 45 km de l'île de Borkum, Allemagne (©photo)

Définition et catégories

Une éolienne offshore, c'est à dire installée en mer, permet de convertir la force du vent en électricité. Le terme anglais « offshore » signifie littéralement « hors côtes », par opposition aux éoliennes terrestres ou « onshore ». Les éoliennes offshore fonctionnent selon le même principe que les modèles terrestres traditionnels : elles utilisent l’énergie cinétique du vent pour la transformer en électricité. Lorsqu’une éolienne produit de l’électricité, on peut également la qualifier d’aérogénérateur.

Le vent fait tourner des pales, généralement trois. Celles-ci entrainent un générateur qui transforme l’énergie mécanique créée en énergie électrique, suivant le principe d’une dynamo. La différence principale entre un modèle marin et terrestre d’éolienne tient à la nature des fondations, qui lui permettent d’être fixée dans le sol ou ancrée au fond de la mer. Les éoliennes offshore doivent également être très robustes afin de résister aux conditions marines difficiles.

Les éoliennes offshore sont le plus souvent rassemblées dans un « parc éolien » ou « ferme éolienne » comportant généralement entre 20 et 50 éoliennes de 2 à 5 MW. Les parcs offshore traditionnels ne sont généralement pas installés dans des zones où la profondeur dépasse 40 mètres.

D’ici à 2015, les parcs pourraient rassembler de 50 à 100 éoliennes pour une puissance unitaire de 5 à 10 MW et une puissance installée totale de 500 MW. Certaines installations « farshore » c'est-à-dire au large (plus de 30 kilomètres des côtes), dotées de bases flottantes, sont aujourd’hui en phase de conception.

Fonctionnement technique ou scientifique

Des caractéristiques propres au contexte marin

Avec le parc de Middelgrunden, le Danemark inaugure en 2001 le plus grand parc éolien offshore de l’époque et une nouvelle génération d’éoliennes : 20 éoliennes de 2 MW, distantes de 180 m et disposées en un arc de cercle de 3,4 km de long.
Ces éoliennes sont spécialement conçues pour résister à la corrosion. Les éoliennes possèdent également des capteurs spécifiques pour un contrôle accru. La nacelle et la tour sont équipées de systèmes de contrôle et de régulation de l’humidité et de la température pour éviter tout risque de corrosion interne. La nacelle est équipée de deux grues hydrauliques permettant la manutention d’outils et de pièces de rechange en tout point de l’éolienne.

L’évolution des installations éoliennes offshore

Si les premiers prototypes d’éoliennes offshore étaient de simples copies des éoliennes terrestres, les machines se sont peu à peu adaptées à la mer. 

Evolution de la taille des éoliennes

Evolution de la taille des éoliennes offshore (© 2011)

Les développements technologiques actuels, et en particulier l’évolution attendue des machines en taille et en puissance, sont d’ailleurs caractéristiques des éoliennes offshore. Alors que le parc de Thorntonbank, installé en 2008 au large d’Ostende, en Belgique, utilise des turbines de 5 MW, et que le Crown Estate, au Royaume-Uni, a acquis un prototype de 7,5 MW développé par Clipper Windpower, on évoque déjà des projets d’éoliennes d’une puissance unitaire de 10 MW.


Les éoliennes offshore se différencient également de plus en plus des éoliennes terrestres par leur conception technique adaptée au milieu marin. Si elles ont le même aspect, leur conditions de fonctionnement sont différentes. Les fondations marines sont l’aspect le plus notable de leurs particularités puisqu’elles doivent être ancrées ou enfoncées dans le fond marin. Elles doivent également résister à la corrosion, aux tempêtes et aux efforts créés par les masses d’eau alentour.

La rupture technologique attendue de l’éolien flottant farshore

Jusqu’à présent, les projets éoliens offshore consistent à installer des éoliennes en eau peu ou moyennement profonde, de 5 à 40 mètres de profondeur. Au-delà il est difficile et très coûteux de planter l’éolienne dans le fond marin ou de déposer sa base.

S’affranchir de la contrainte de la profondeur d’eau est une piste intéressante, surtout dans les pays comme la France où les profondeurs dépassent rapidement les 40 m lorsque l’on s’éloigne de la côte.
Des projets d’éoliennes farshore flottantes, situées à plusieurs kilomètres des côtés à plus de 50 mètres de profondeur, offrent des perspectives intéressantes. Contrairement aux éoliennes offshore traditionnelles, leurs fondations ne sont pas enfoncées dans le fond marin, mais elles y sont seulement ancrées au moyen de câbles. C’est pourquoi leur installation est simplifiée et les besoins en matériaux grandement diminués.

Enjeux par rapport à l'énergie

Avantages et inconvénients de la technologie éolienne offshore 

Un nouveau potentiel éolien

  • La technologie de l’éolien offshore a bénéficié d’une grande partie des avancées technologiques récentes de l’éolien terrestre, une des énergies renouvelables les plus matures.
  • La mer étant plane, les vents rencontrent moins d’obstacles et sont par conséquent plus soutenus, plus réguliers et moins turbulents que sur terre. A puissance égale, une éolienne offshore peut produire jusqu’à 2 fois plus d’électricité qu’une éolienne terrestre.
  • La mer offre de grands espaces libres d’obstacles, où l’implantation des machines est possible, sous réserve de concertation avec les autres usagers de la mer

Limites rencontrées pour leur exploitation

  • Pour le moment, une éolienne offshore coûte environ ou 30 à 50% plus cher qu’une éolienne terrestre.
  • Bien que les vents soient plus constants en mer que sur terre, l’énergie éolienne offshore est également intermittente.
  • L’éolienne est soumise mécaniquement non seulement aux efforts du vent sur les pales et la structure, mais aussi aux efforts créés par les courants.
  • L’installation des éoliennes en mer est plus compliquée que sur terre. Des bateaux adaptés doivent être employés. La maintenance des éoliennes est également plus compliquée et plus coûteuse qu’à terre. Si une panne survient, il peut se passer plusieurs jours avant la réparation, ce qui entraine une perte de production.
  • Le raccordement électrique nécessite l’installation de câbles sous-marins jusqu’à la côte qui peut être distante de plusieurs kilomètres. Pour les grandes distances, il faut recourir à un acheminement en courant continu et associer des convertisseurs électroniques de puissance afin d’atténuer les pertes d’électricité.

Acteurs majeurs

Les entreprises européennes

  • Les constructeurs

Les principaux constructeurs d'éoliennes offshore (©DR, d'après EWEA)

Les principaux constructeurs d'éoliennes offshore (©DR, d'après EWEA)

A fin 2012, Siemens a construit 940 des 1 662 éoliennes offshore actuallement installées en Europe.

  • Les opérateurs

Les principaux développeurs d'éoliennes offshore (D'après EWEA)

Les principaux opérateurs d'éoliennes offshore (©DR, d'après EWEA)

A eux trois, l'allemand E.ON Climate and Renewables, le suédois Vattenfall et le danois DONG possèdent près de la moitié de la capacité éolienne offshore installée en Europe à fin 2012. D’autres entreprises ont témoigné leur intérêt pour le secteur de l’éolien offshore, comme l’entreprise française Areva.

Unités de mesure et chiffres clés

La densité énergétique d’un parc éolien offshore, c’est-à-dire la puissance installée sur 1 km² de surface de mer, permet d’appréhender la productivité potentielle d’un site. Elle est de l’ordre de 8 MW/km² en moyenne pour 2 à 3 éoliennes installées par kilomètre carré, et peut atteindre 15 à 20 MW/km² dans des sites très ventés.

L’échelle de Beaufort est une échelle cotée de 0 à 12 degrés, proposée par l'amiral Beaufort en 1806 (modifiée en 1946), et utilisée pour mesurer la force du vent (échelle de Douglas).

Une éolienne offshore commence à fonctionner par un vent de 2 Beaufort (environ 10 km/h ou 3 m/s), atteint sa vitesse de croisière à 6 Beaufort (45 km/h ou 12 m/s), et doit être arrêtée à 11 Beaufort (110 km/h, 30 m/s). Le rapport entre le nombre d’heures de fonctionnement en équivalent pleine puissance et le nombre d’heures de fonctionnement théorique dans l’année (8 760 h) est appelé facteur de charge.

Zone de présence ou d'application

L’exploitation de la ressource éolienne en mer convient particulièrement aux pays à forte densité de population ayant des difficultés à trouver des sites appropriés sur terre et disposant d’un espace maritime côtier conséquent et venté.

L’Europe du Nord est particulièrement bien dotée pour l’exploitation de l’énergie éolienne offshore, avec des vitesses de vent supérieures à 8 m/s à 50 m de hauteur, soit une densité de puissance supérieure à 600 W/m². Afin d’empêcher les collisions, ces parcs sont signalés sur les cartes maritimes et visuellement, par l’emploi de lumières de positionnement.

Les pays leaders

©DR

©DR

Le Royaume-Uni est le pays disposant des plus importantes capacités éolienes offshore (2 948 MW à fin 2012 selon les données de l'EWEA), devant le Danemark (921 MW) et la Chine (510 MW).

Passé et présent

1991 : le premier parc éolien offshore au Danemark est installé sur le site de Vindeby à 2,5 km de la côte en eaux très peu profondes (moins de 5 mètres). Les 11 éoliennes installées, d’une puissance unitaire de 450 kW, ne sont alors que des éoliennes terrestres légèrement modifiées.

Années 1990 : le Danemark et deux autres pays pionniers du secteur éolien offshore (les Pays-Bas et la Suède) lancent des programmes de valorisation du vent maritime. Ces pays disposent de plateaux continentaux étendus et peu profonds propices à l’installation d’éoliennes offshore.

Milieu des années 2000 : le Royaume-Uni et l’Allemagne se lancent à leur tour dans l’éolien offshore à grande échelle.

2011 : la France lance un premier appel d'offres sur l'éolien offshore dont les résultats sont annoncés en avril 2012 : 4 sites sont attribués pour une capacité installée prévue de près de 1 930 MW.

Futur

Les technologies d’éolien farshore, c'est-à-dire en haute-mer à plus de 30 kilomètres des côtes, ouvrent des perspectives encore plus intéressantes que l’éolien offshore classique. En effet, le vent du large est plus régulier et plus soutenu, sans compter que le partage de l’espace maritime y est moins problématique que près des côtes. Du fait de la complexité de la fabrication et de l’installation d’éoliennes à base flottante, ces technologies en sont encore à la phase de recherche pré-industrielle.

Au total, plus d’une vingtaine de projets sont envisagés sur les quatre façades maritimes françaises. D'ici 2020, 6 000 MW d'éoliennes offshore devaient être installés en France selon les objectifs du Grenelle Environnement. En janvier 2013, le ministère en charge de l'énergie a lancé un second dappel d'offres de 1 000 MW pour compléter le 1er appel d’offres.

Concrètement

Fin 2012 en Europe, il existait 1 662 éoliennes offshore réparties sur 55 parcs éoliens complètement opérationnelles, totalisant ainsi une capacité de 4 995 MW.

Le saviez-vous ?

Les coûts des installations éoliennes (terrestres et maritimes) devraient représenter en 2020 un surcoût d’environ 5,37 euros par an sur la facture d’électricité d’un foyer consommant 2 500 kWh par an (moyenne actuelle pour un foyer ne se chauffant pas à l’électricité). Cela correspondrait à environ 1,5% de la facture totale, pour un prix du kWh de 0,15 centimes d’euro.