Éoliennes terrestres

Éoliennes terrestres en rotation (©photo)

Définition et catégories

Une éolienne terrestre, ou onshore, est par définition installée sur la terre ferme et se distingue des éoliennes offshore installées en mer. Elle permet de convertir dans un premier temps l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique.

Le procédé de conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique est proche de celui d’une dynamo, convertissant le mouvement d’une roue en électricité alimentant les feux d’un vélo.

L’énergie mécanique accumulée peut ensuite être directement utilisée afin de pomper de l’eau ou moudre du grain, comme le font les moulins. Aujourd’hui, dans la grande majorité des cas, l’énergie mécanique est transformée dans un second temps en énergie électrique. Le procédé de conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique est proche de celui d’une dynamo, convertissant le mouvement d’une roue en électricité alimentant les feux d’un vélo. Lorsqu’une éolienne produit de l’électricité, on peut la qualifier d’aérogénérateur.

Les éoliennes à axe horizontal sont aujourd’hui la forme la plus courante d’éolienne terrestre. La machine se compose généralement de 3 pales orientables portées par un rotor, lui-même fixé sur une nacelle qui abrite un générateur électrique. Le tout est installé au sommet d’un mât haut de plusieurs dizaines de mètres. Une éolienne de 2 MW mesure en moyenne de 80 à 125 mètres de haut en moyenne et peut peser jusqu’à 300 tonnes(1).

Un moteur permet d’orienter l’ensemble rotor-nacelle de l’éolienne afin de le placer face au vent. Le vent fait tourner les pales (entre 5 et 25 tours par minute) qui actionnent le rotor puis le générateur qui leur est solidaire.

Les deux modes d’exploitation de l’énergie éolienne terrestre

  • Utilisation industrielle dans le cadre d’un parc éolien : un ensemble d’aérogénérateurs est regroupé sur un même site qui est relié au réseau électrique.
  • Utilisation domestique dans le cadre du « petit éolien » : des éoliennes terrestres de plus petite envergure peuvent également répondre aux besoins de particuliers ou petits producteurs agricoles. Les éoliennes utilisées dans ce cas fonctionnent selon les mêmes principes de conversion de l’énergie cinétique du vent. Leur puissance varie généralement entre 0,1 et 36 kW et la hauteur de leur mât est inférieure à 35 m(2). Ces éoliennes peuvent alimenter des bâtiments isolés non reliés au réseau électrique ou bien être raccordées au réseau afin de revendre la production.
Fonctionnement technique ou scientifique

Fonctionnement d’un aérogénérateur classique (tripale à axe horizontal)

Du fait du meilleure compromis entre rendement et vitesse de démarrage, le design d’éoliennes tripales à axe horizontal domine aujourd’hui massivement le marché de l’éolien terrestre. La transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis en énergie électrique est opérée en quatre étapes :

la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique

Les pales fonctionnent selon le même principe que les ailes d’un d’avion : la différence de pression entre les deux faces de la pale crée une force aérodynamique, mettant en mouvement le rotor.

La puissance du vent, et par conséquent l’énergie mécanique emmagasinée par l’éolienne, augmentent avec l’altitude. La perturbation des courants d’air y est en effet moindre.

l’accélération du mouvement de rotation grâce au multiplicateur

Les pales d’un grand aérogénérateur tournent à une vitesse comprise entre 5 et 15 tours par minute (plus l'éolienne est grande, plus la vitesse de rotation est lente)(3). Or, la plupart des générateurs d’éoliennes doivent tourner à grande vitesse (de 1 000 à 2 000 tours par minute) pour pouvoir produire de l’électricité. Cette augmentation de vitesse est réalisée à l'aide du multiplicateur, aussi appelé boîte de vitesse, qui est un train d'engrenages.

Le multiplicateur est une pièce lourde et coûteuse. C’est pourquoi certains grands aérogénérateurs utilisent des générateurs à basse vitesse « à attaque directe » dans lesquels le rotor entraîne directement une génératrice spécialement conçue, sans étape intermédiaire d’accélération.

la production d’électricité par  le générateur

Le générateur, situé dans la nacelle de l’éolienne, est entraîné par un arbre mécanique. L’énergie mécanique transmise est convertie en énergie électrique par le générateur, à une tension de 600 à 1 000 volts.

le traitement de l’électricité par le convertisseur et le transformateur

L’électricité produite par un aérogénérateur est ensuite traitée au moyen d’un convertisseur électronique. Celui-ci ajuste la fréquence du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 Hz en Europe). La tension est également augmentée par un transformateur à 20 000 ou 30 000 volts. L’électricité est alors acheminée à travers un câble pour être injectée sur le réseau électrique.

Energie d'une éolienne terrestre

Vitesse moyenne du vent en fonction de l'altitude (©Connaissance des Énergies)

D’autres concepts d’éoliennes terrestres

Il existe d’autres concepts d’éoliennes, classés selon que leur axe soit horizontal ou vertical. Ils restent toutefois marginaux et restreints à des contextes d’utilisation particuliers.

On peut par exemple mentionner les éoliennes à axe vertical de type « Darrieus » ou bien encore de type « Savonius ». Celles-ci sont plus adaptées que les éoliennes tripales à l’intégration architecturale et aux conditions extrêmes (vents supérieurs à 100 km/h). Leur rendement est toutefois inférieur.

Enjeux

Une technologie éprouvée

Les éoliennes terrestres sont utilisées depuis plusieurs décennies. Les retours d’expérience sont conséquents et les variables financières connues. Les éoliennes terrestres sont moins coûteuses à installer et plus faciles à entretenir que les éoliennes offshore, qui doivent répondre à des défis techniques plus importants liés aux conditions du milieu marin. Le rendement potentiel est toutefois moins important sur terre qu’au large, tant en qualité, du fait de la vitesse et de la constance réduites du vent, qu’en quantité, l’espace marin étant plus vaste.

De nouvelles voies d’optimisation de la ressource

Le vent est variable et l’énergie éolienne fait en conséquence face à un problème d’intermittence de la production d’électricité. Or il n’existe pas aujourd’hui de solution économiquement satisfaisante de stockage à grande échelle de l’électricité produite.

La généralisation des « smart grids » ou « réseaux intelligents » constitue une voie de développement non négligeable pour une intégration de l’éolien dans les futurs réseaux électriques. Ces systèmes permettront de répondre aux enjeux de demain : mieux gérer les flux et lisser l’offre et la demande d’électricité, intégrer les nouvelles sources d’énergies renouvelables et limiter le recours aux centrales thermiques à combustible fossile (aujourd’hui utilisées pour faire face aux pointes de demande).

Des installations parfois controversées du fait de leurs nuisances visuelles et sonores

Les parcs éoliens occupent des surfaces visuelles importantes. Certains riverains se plaignent de la pollution esthétique ainsi que du bruit généré par les éoliennes. Or, le Grenelle Environnement a fixé un objectif de 25 GW de capacité éolienne installée en France à l'horizon 2020 (dont 19 GW terrestres), soit près de 4 fois la puissance installée à fin 2011(4). C’est pourquoi certaines associations appellent à un moratoire sur l’exploitation éolienne.

Acteurs majeurs

Les pays leaders

A fin juin 2014, les trois pays disposant des plus grandes capacités de production électrique éolienne (terrestre et offshore mélangés) sont(5) :

  • la Chine avec une capacité éolienne installée de 98,6 GW ;
  • les États-Unis avec 61,9 GW ;
  • l’Allemagne avec 36,5 GW.

La Chine a installé 40,7% des nouvelles capacités éoliennes dans le monde au premier semestre 2014.

L’Espagne et l’Inde se trouvent en 4e et 5e positions, avec des capacités respectives de 23 GW et 21,3 GW. Suivent le Royaume-Uni, la France, l’Italie et le Canada qui disposent de capacités éoliennes comprises entre 11,2 et 8,5 GW.

La Chine a, à elle seule, installé 40,7%(6) des nouvelles capacités éoliennes dans le monde au premier semestre 2014.

Les plus grands parcs éoliens terrestres installés dans le monde sont principalement situés aux États-Unis. Par exemple, la ferme éolienne de Roscoe, au Texas, s’étend sur près de 400 km² et a coûté 1 milliard de dollars. Le parc est composé de 627 éoliennes de tailles diverses (de 105 à 126 mètres de hauteur) construites par trois fabricants : Mitsubishi, Siemens et General Electric. D'une puissance de 781,5 MW (soit légèrement moins qu'un réacteur nucléaire de moyenne envergure - 900 MW), ce parc peut satisfaire les besoins en électricité d'environ 230 000 foyers américains, selon son opérateur E.ON(7).

Des parcs éoliens interconnectés d'une puissance cumulée de plusieurs milliers de mégawatts sont par ailleurs en projet (ex : Gansu en Chine, Markbygden en Suède, horizon 2020).

Les entreprises du secteur

En 2013, les principales sociétés du secteur éolien au regard des nouvelles capacités installées étaient les suivantes selon Navigant Consulting(8) :

  • Vestas (Danemark) avec 13,1 % des nouvelles capacités ;
  • Goldwind (Chine) avec 11% ;
  • Enercon (Allemagne) avec 9,8 % ;
  • Siemens (Allemagne) avec 7,4 % ;
  • GE Wind (États-Unis) avec 6,6 %.
Unités de mesure et chiffres clés

Investissement et production

Selon l’Ademe, les coûts d'études, de construction, de raccordement et de démantèlement d’une éolienne atteignent environ 1,2 million d'euros par mégawatt. Les coûts d’exploitation, d’entretien et de maintenance représentent près de 3% par an de l’investissement total(9).

Une éolienne d’une puissance de 2 MW produit légèrement plus de 4 000 MWh par an, soit l'équivalent de 5h30 par jour à pleine puissance. A titre indicatif, cette quantité d’électricité permet de répondre aux besoins électriques domestiques (chauffage inclus) d’environ 2 000 personnes en France(10).

Rendement théorique et concret d’une éolienne terrestre

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 est donnée par la loi de Betz :

P = 0,37.S.v3 où S est la surface balayée et v est la vitesse du vent.

En pratique, une éolienne démarre avec des vitesses de vent autour de 10 à 15 km/h, atteint sa puissance nominale pour des vents de 50 km/h et doit être arrêtée pour des raisons de sécurité quand le vent atteint 90 km/h. Afin de les arrêter, on les oriente dans la position offrant la prise au vent la plus faible possible. Le dispositif d'orientation est activé par un contrôleur électronique qui vérifie la position d’une girouette située sur l'éolienne.

Zone de présence ou d'application

 Eolienne terrestre gisement

Le gisement éolien français

La France dispose du deuxième potentiel éolien européen, après le Royaume-Uni. Afin d’encourager le développement des installations éoliennes, des ZDE (Zones de Développement Eolien) avaient été créées lors du Grenelle Environnement. L’instauration des ZDE permettait de définir, a priori, des secteurs où l’implantation d’une éolienne ou d’un parc est envisageable en fonction des conditions environnantes. Ces zones bénéficiaient d’une obligation d’achat de l’électricité produite par EDF. Le cadre des ZDE a toutefois été supprimé en 2013 et remplacé par les schémas régionaux éoliens.

Passé et présent

1888 : Charles Brush, un scientifique américain de Cleveland en Ohio, construit la première turbine éolienne capable de produire de l’électricité. Haute de 17 mètres et composée de 144 pales en cèdre, elle a une puissance de 12 kilowatts (11).  

1891 : l’inventeur danois Poul La Cour découvre que des turbines à rotation rapide composées d’un nombre moins grand de pales génèrent davantage d’électricité que des turbines plus lentes composées de nombreuses pales. Cette découverte lui permet de mettre au point les premières éoliennes conçues à partir des principes modernes d’aérodynamique. Elles acquièrent une capacité de 25 kilowatts grâce à des rotors à quatre pales et affichent une plus grande efficacité.

Années 1960 : des inventeurs comme Ulrich Hutter en Allemagne mettent au point des plans élaborés de turbines à axe horizontal. Ces turbines sont dotées de pales en fibre de verre et possèdent un angle d’attaque ajustable afin d’en augmenter l’efficacité.

Futur

Le Grenelle Environnement ambitionne de porter la puissance installée du parc éolien terrestre français à près de 19 GW en 2020 (contre près de 6,6 GW à fin 2011). A cet horizon, la puissance installée dans le monde (offshore compris) pourrait atteindre entre 352 et plus de 1 000 GW, selon les différentes projections établies(12) (contre 237 GW à fin 2011).

Les investissements dans le secteur éolien terrestre devraient à moyen/long terme être amenés à stagner. Les zones exploitables à terre sont en effet limitées et l’installation d’éoliennes terrestres peut poser des problèmes d’utilisation de l’espace et de nuisance. Par ailleurs, les technologies de l’éolien offshore, encore coûteuses aujourd’hui, devraient voir leur prix diminuer dans les années à venir et par conséquent leur compétitivité augmenter. A terme, ce sont les zones farshore (au-delà de 30 km des côtes) qui présentent le plus grand intérêt. 

Concrètement

La puissance d’une éolienne terrestre a été multipliée par à peu près 10 entre 1997 et 2007. Dans les années 80, une éolienne permettait d’alimenter une dizaine de personnes en électricité. Aujourd’hui, une seule éolienne de 2 MW peut fournir de l’électricité à 2 000 personnes en moyenne, chauffage compris. La puissance moyenne d’une éolienne dépasse aujourd'hui 2 MW, contre 0,5 MW en 2000. L’amélioration de la conception des éoliennes, notamment de la forme des pâles ainsi que l’accroissement de leur taille permettent d’augmenter la production électrique.

Les propriétaires fonciers touchent en moyenne en France de 2 000 à 3 000 euros par an et par éolienne implantée sur leur terrain.

Le prix de revient de l’électricité produite par une éolienne terrestre est d’environ 5 à 8 centimes d’euro par kWh, à comparer à un coût de 4 à 5 centimes d’euro par kWh pour les énergies fossiles(13).