Industrie éolienne

La France est le 8e pays dans le monde en matière de puissance éolienne installée mais ne dispose pas encore de parc offshore. (©photo)

À RETENIR
  • La gamme de puissance des grandes éoliennes actuelles va de 1 à 8 MW.
  • En 2015, un volume record de près de 63,5 GW de nouvelles capacités éoliennes ont été installées dans le monde. Le vent étant par essence fluctuant, une éolienne ne produit pas de l'électricité à pleine puissance en permanence (facteur de charge moyen de 24,3% en France).
  • Les 3 principaux fabricants d'éoliennes dans le monde en 2015 étaient Goldwind (Chine) avec 12,6% de parts de marché mondial, Vestas (Danemark avec 11,9%) et GE Wind (États-Unis avec 9,6%).
  • En France, l’électricité produite par les parcs éoliens bénéficie d'un tarif d'achat garanti encore bien supérieur au prix de marché.
Définition et catégories

Les grandes éoliennes sont constituées des éléments suivants :

  • un mât cylindrique (tour) en acier, d’une hauteur pouvant dépasser 100 mètres. À son pied est implanté le transformateur assurant l’interconnexion de l’électricité produite par l’éolienne avec les réseaux de transport et de distribution ;
  • un rotor dont l’axe (moyeu) entraîne les trois pales d’une hélice en matériau composite pouvant atteindre jusqu’à près de 75 m de rayon (comme l'Haliade 150 d'Alstom-GE). Sa vitesse de rotation est généralement limitée à 30 à 40 tours/min pour minimiser bruits et vibrations, dans une plage de vent comprise entre 10 et 90 km/h ;
  • une nacelle orientable implantée en haut du mât. Elle contient : les dispositifs d’orientation et de contrôle du rotor (vitesse et  incidence des pales) ; 
  • la génératrice dynamo transformant en électricité la rotation puissante mais fluctuante et lente du rotor. Cette génératrice est généralement de type classique, optimisée en rendement, fiabilité et coût à une vitesse constante élevée (1 500 tours/min). Il faut alors la coupler au rotor par un multiplicateur mécanique à engrenage, lourd et coûteux, de rapport élevé (x 40), assurant la vitesse de sortie requise. Il existe toutefois également des génératrices à couplage direct et à basse vitesse variable.

En France, le facteur de charge moyen de l'éolien en 2015 est de 24,3%.

La gamme de puissance des grandes éoliennes actuelles va de 1 à 8 MW (Vestas V164). Rappelons que le vent étant par essence fluctuant, une éolienne ne produit pas de l'électricité à pleine puissance en permanence. En France, le facteur de charge moyen de l'éolien en 2015 est de 24,3% selon RTE. Ainsi, une éolienne de 1 MW de puissance y produit en moyenne en un an environ 2 130 MWh, soit l'équivalent de près de 90 jours de production à pleine puissance.

Enjeux par rapport à l'énergie

Dans l’offre énergétique mondiale, l’éolien bénéficie aujourd’hui, à court terme, d’une des marges de progression les plus fortes. De nombreux États subventionnent les énergies renouvelables dans un contexte de lutte contre les émissions de gaz à effet de serre (ambition renforcée par la COP21). Le vent séduit car il procure une énergie inépuisable et géographiquement bien répartie, transformable en électricité avec des technologies simples, sûres et maîtrisées.

L’éolien a compté pour environ 3% de la production électrique mondiale en 2014.

Ainsi, en près d'une décennie, au terme d’une croissance annuelle soutenue à plus de 30%, l’industrie éolienne avait déjà installé plus de 240 000 éoliennes dans le monde à fin 2013. En 2015, un volume record de près de 63,5 GW de nouvelles capacités éoliennes ont été installées dans le monde selon le Global Wind Energy Council (GWEC)(1). Cela porte à 432,9 GW la puissance cumulée du parc éolien mondial. L’éolien a produit près de 706 TWh en 2014, soit environ 3% de la production totale d’électricité dans le monde.

Le premier enjeu est dans la compétitivité industrielle.
Face à la montée fulgurante de l’offre « low cost »  chinoise, s’appuyant sur une attente domestique considérable, de quelles parts du marché les autres acteurs industriels vont-ils pouvoir s’assurer ?

Le second enjeu est dans la demande.
Les États vont-ils pouvoir pérenniser leurs subventions initiales à l’éolien, financées par le consommateur (via la CSPE en France) ? Déjà montent, en Europe et en France, des résistances de type Nimby à l'insertion d'éoliennes dans le paysage, surtout du littoral et des montagnes. L’éolien ne pourra probablement constituer qu’une source d'appoint pour répondre aux futurs besoins électriques de la France, compte tenu de cette emprise au sol et des résistances associées.

Le troisième enjeu est dans l’éolien en mer.
Malgré des coûts très importants entre autres liés à l’éloignement, l'éolien offshore est plus efficace que l'éolien terrestre car les vents sont plus forts et plus réguliers en mer. Les grands industriels de l’offshore et des plateformes flottantes, en particulier français, vont-ils poursuivre de lourds investissements pour développer les éoliennes en mer à grande échelle ?

Acteurs majeurs

Les industriels 

En 2015, près de 68% du marché mondial était détenu par les 10 principaux fabricants d’éoliennes selon FTI Consulting(2) :

  • Goldwind (Chine) avec 12,6% de parts de marché mondial ;
  • Vestas (Danemark) avec 11,9% ;
  • GE Wind (États-Unis) avec 9,6% ;
  • Siemens (Allemagne) avec 8,1% ;
  • Gamesa (Espagne) avec 5,4% ;
  • Enercon (Allemagne) avec 5,0% ;
  • United Power (Chine) avec 4,9% .
  • Envision (Chine) avec 3,5% ;
  • Mingyang (Chine) avec 3,5% ;
  • CSIC Haizhuang (Chine) avec 3,4%.

La compétition est mondiale et se concentre en particulier sur le coût du cœur de l’éolienne, la turbine-génératrice.

L’industrie éolienne française en 2016

Ayant fait dès les années 1970 le choix du nucléaire, la France n’a pas eu à miser sur l’éolien pour produire de l’électricité « décarbonée ». Mais l’intérêt des énergies renouvelables dans une logique d’indépendance, de diversification et de protection de l’environnement, ainsi que la possession du deuxième « gisement de vent » en Europe, ont amené les autorités françaises à soutenir avec EDF, une filière éolienne.

Le Grenelle de l’Environnement avait fixé un objectif de 25 GW éoliens installés en France en 2020.

A fin 2015, le parc éolien français a une capacité installée de 10,4 GW, ce qui place le pays au 4e rang européen (après l'Allemagne, l'Espagne et le Royaume-Uni) et au 7e rang mondial. Ce parc a généré 21,1 TWh  en 2015, soit 1,4% de la production électrique française.

Pour rappel, le Grenelle de l’Environnement a fixé à la filière éolienne, pour 2020, un objectif de 25 GW, dont 6 GW installés en mer.

Autour  de ses maîtres d’œuvre et de quelques industriels spécialisés (Vergnier), le Syndicat des énergies renouvelables répertorie une filière industrielle française de plus de 400 entreprises sur toute la chaîne de valeur dans les secteurs de l'éolien et des énergies marines(3).

Notons que l’éolien en mer est un segment de marché plus exigeant technologiquement, sur lequel l’offre française pourrait rattraper plus rapidement son retard initial grâce à sa maîtrise des matériaux résistant à des contraintes aérodynamiques élevées (aéronautique) et des technologies de plateformes marines (pétrole, gaz)

Acteurs majeurs non industriels en France

  • Choix du site : au-delà de l’évaluation technique du gisement de vent (en moyenne en France 2 400 heures utilisables par an à terre, soit 100 jours et plus de 3 000 h espérées en mer) et de l’accord du gestionnaire du réseau de transport d’électricité (RTE), un permis « unique »(4) (permis de construitre et autres autorisations) doit désormais être obtenu pour toute nouvelle installation éolienne (ce permis « unique » a été mis en place par l'article 145 de la loi de transition énergétique pour la croissance verte). Les préfets ont la responsabilité de leur attribution. Différentes règles contraignantes (règle des 5 mâts, zones de développement des éoliennes, etc.) ont été supprimées afin de faciliter le développement de l'éolien en France.

Pour l’éolien terrestre, le tarif d'achat garanti est de 82 € par MWh pendant 10 ans, puis entre 28 € et 82 € pendant 5 ans selon les sites.

  • Rentabilité économique : l’électricité produite par les parcs éoliens bénéficie d'un tarif d'achat garanti (par EDF) très supérieur au prix de marché. Pour l’éolien terrestre, cette garantie est de 82 € par MWh pendant 10 ans, puis entre 28 € et 82 € pendant 5 ans selon les sites. Pour l’éolien offshore, le tarif d'achat est fixé à 130 € par MWh pendant 10 ans, puis entre 30 € et 130 € selon les sites(5). Ce soutien à la filière éolienne est répercuté sur la facture des consommateurs via la CSPE. Précisons que la Commission européenne a validé en 2014 une notification de la France concernant les tarifs d’achat en faveur des éoliennes terrestres. Ce système est « sécurisé » pour une période théorique de 10 ans et la filière n'est ainsi pas concernée pour le moment par le nouvelle dispositif de soutien aux énergies renouvelables, dit « complément de rémunération ».
Zone de présence ou d'application

Les pays ventés et non nucléaires d’Europe du Nord, le Danemark et l’Allemagne en tête, suivis par l’Espagne et le Portugal, ont décidé d’investir dans l’éolien dès les années 1990. Ils ont pris ainsi d’emblée des positions dominantes dans la production d’électricité d'origine éolienne. Ils ont été ensuite rejoints par les États-Unis, puis par la Chine et l’Inde.

En 2015, la Chine a compté pour 48,5% des nouvelles capacités éoliennes installées dans le monde.

Après une progression doublant sa capacité installée tous les trois ans entre 2000 et 2010, le parc éolien mondial a atteint une puissance de 432,9 GW à fin 2015. Selon le GWEC, les investissements dans l'éolien pourraient atteindre 3 600 milliards de dollars entre 2014 et 2040 (sans compter les investissements liés au développement des réseaux).

Par pays, la capacité installée à fin 2015 se répartissait principalement entre la Chine (33,6%), les États-Unis (17,2%), l’Allemagne (10,4%), l'Inde (5,8%) et l’Espagne (5,3%). L’Europe rassemblait près de 35% de cette capacité mondiale, après en avoir détenu 71% en 2004. Durant l'année 2015, la Chine a à elle seule compté pour 48,5% des nouvelles capacités éoliennes installées dans le monde.

Passé et présent

L’énergie du vent est utilisée par l’homme depuis au moins 10 000 ans pour la navigation, puis, à l’apparition de l’agriculture, pour l’irrigation et la meûnerie. L’aspiration de l’eau souterraine par pompe à vent a joué un rôle important dans l’extension de l’agriculture aux grandes étendues découvertes depuis la fin du Moyen Âge, en particulier en Amérique.

La première production d’électricité éolienne date de la fin du XIXe siècle (1887-1890), à la suite de la découverte de la dynamo (Zénobe Gramme, Hippolyte Fontaine) et du transport du courant. Dans la première partie du XXe siècle, l’électricité éolienne a surtout été utilisée pour alimenter des sites isolés.

Le début de l’éolien électrique moderne date du premier choc pétrolier, lorsque les industriels danois (Vestas, Kuriant)  puis allemands (Siemens) ont commencé à produire en série et à installer des parcs éoliens pour s’affranchir du pétrole. Les puissances initiales étaient de 20 à 30 kW, à comparer aux 5 à 8 MW des plus récentes. En 2015, le Danemark a produit 42,1% de son électricité à partir de l'éolien(6) mais les énergies fossiles jouent encore un rôle central dans le mix électrique national.

Futur

L’éolien manque par nature de densité de puissance. Pour produire l’énergie électrique obtenue à partir d’un gramme d’uranium dans une centrale nucléaire, il faut approximativement un vent soufflant à 30 km/h, capté par douze éoliennes de 3 MW pendant une heure. Un EPR (1 600 MW de puissance) pourrait produire autant d'électricité que 2 400 éoliennes de 2 MW.

Pour gagner en rendement sur un site donné, des éoliennes géantes sont installées (comme l'Haliade 150). Des prototypes de 7 à 10 MW avec des mâts de 150 m et des pales de 100 m sont en essais. Mais à terre, les réticences esthétiques et environnementales se durcissent. L’avenir semble être en mer ou dans les déserts ventés, mais les coûts de maintenance et de connexion seront-ils supportables ?

Ainsi, après un succès initial dû à sa « propreté » et à sa maturité technologique, l’éolien pourrait davantage constituer une source d’appoint dans le mix électrique futur, laissant la place à des modes de production de l’électricité plus efficaces, venus du solaire, de l’hydrogène, voire du nucléaire de l’ère « fertile » (réacteurs de génération IV).

Le saviez-vous ?

L’énergie des vents créés par les différences d’exposition solaire de la Terre au cours des jours et des saisons est énorme, d’au moins un ordre de grandeur supérieure à celle que consomme aujourd’hui l’humanité. Mais l’essentiel de cette énergie n’est présente qu’en altitude. Par exemple, vers 11 000 mètres, les « jet streams » dont la vitesse moyenne est de 160 km/h, soufflent avec régularité et dissipent leur énergie en chaleur par frottement sur l’atmosphère.

Pour transformer cette énergie en électricité, certains proposent d’utiliser des grands cerfs-volants arrimés au sol et flottant à plusieurs milliers de mètres dans des vents d’altitude puissants et réguliers.