L’énergie éolienne est l’énergie cinétique de l’air en déplacement dans une veine de vent.
Cette énergie cinétique est transformé en énergie mécanique grâce a des éoliennes ou a des aérogénérateur (éolienne équipées d’un générateur électrique)

Parc Eolien

Plusieurs aérogénérateurs peuvent être regroupés sur un même site pour former un «parc d’aérogénérateurs» constituant une «centrale éolienne», aussi appelée «ferme éolienne». L’énergie éolienne, sous la forme d’électricité produite par des aérogénérateurs sur les grands réseaux électriques interconnectés, est actuellement la source d’énergie primaire qui croît le plus rapidement dans le monde.

(*1 gigawatt [GW] est égal à 1 000 mégawatts [MW], soit 1 milliard de watts [W])

Toutes les applications de l’énergie éolienne doivent prendre en compte les spécificités du gisement éolien. En effet, le vent a des caractéristiques extrêmement variables :
– sa direction et sa vitesse varient d’un site à un autre et, pour un site donné, sa vitesse dépend de l’altitude considérée et des perturbations locales engendrées par la rugosité du sol et la présence de masques plus ou moins importants (végétation, constructions, etc.)
– les caractéristiques du vent, notamment sa vitesse, varient dans le temps : variations brusques pour les phénomènes de turbulence, variations horaires, journalières et mensuelles dues aux effets de températures (jour/nuit, saisons), variations pluriannuelles dues à celles du climat.
La production d’une installation éolienne dépend très fortement de la qualité du gisement éolien disponible, c’est-à-dire de la vitesse annuelle moyenne du vent à la hauteur du moyeu, et un soin particulier doit être apporté au choix du site d’implantation et à la détermination des caractéristiques du gisement éolien local. Différents outils sont disponibles à cet effet :
– des «atlas éoliens» à grande échelle peuvent servir à prédéterminer les régions suffisamment ventées
– l’examen des mesures sur une longue période d’une station météorologique voisine et des logiciels appropriés permettent d’extrapoler les caractéristiques du vent du site étudié en prenant en compte le relief et les conditions d’implantation locales
– enfin, une campagne de mesures d’au moins six mois sur le site étudié est indispensable pour valider et affiner l’extrapolation précédente.
On peut ainsi déterminer une courbe expérimentale de répartition des vitesses du vent dans l’année. On en déduit la répartition statistique théorique qui donne la meilleure approximation. La puissance P (en watts) d’une veine de vent stable de surface S (en m2) et de vitesse V (en m/s) est : P = 0,5 dSV 3, d étant la masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 au niveau de la mer et à 15 0C). Connaissant le nombre d’heures annuel de chaque classe de vitesse de vent, on en déduit l’énergie cinétique d’une veine de vent de 1 m2 et la puissance cinétique moyenne de cette veine de vent sur l’année.

Le plan Éole 2005, lancé en 1996 en France par le ministère de l’Industrie et fondé sur des appels à propositions de la part d’E.D.F. en vue d’installer de 250 à 500 MW avant 2005, a bien permis de déjà sélectionner officiellement des projets représentant 123 MW, mais la réalisation de ceux-ci doit s’étaler sur plusieurs années. Ainsi, de 1999 à fin 2000, environ 40 MW issus de nouveaux projets éoliens devraient être connectés au réseau en France continentale (Languedoc-Roussillon, Bretagne, Nord-Pas-de-Calais, Rhône-Alpes), en Corse et dans les D.O.M.-T.O.M.

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La remarquable percée de l’énergie éolienne
Le succès de l’énergie éolienne est dû tout d’abord à des progrès techniques considérables. Un aérogénérateur moderne n’a plus grand-chose à voir avec les moulins à vent ou les petites éoliennes de pompage que l’on voit encore dans les campagnes. C’est une machine qui doit être à la fois robuste, sophistiquée et «attirante». Robuste, car elle doit être conçue pour une durée de vie minimale de vingt ans dans les pires conditions d’exploitation, c’est-à-dire sur les sites les plus ventés possibles, et cela tout en étant les plus grandes machines tournantes jamais construites en série par l’homme (elles peuvent atteindre 80 m de diamètre). Sophistiquée, car une telle machine doit toujours pouvoir produire avec le maximum de rendement possible ou se mettre en sécurité automatiquement et sans surveillance locale quelles que soient les conditions de vent (direction, vitesse, turbulence, rafales) et quels que soient les impératifs imposés par le réseau électrique: régulation de la puissance et de la fréquence, absence de perturbations électriques, déconnexions pour raisons de sécurité. Attirante, car par définition cette machine devra être installée en plein air, typiquement sur un mât de plus de 40 mètres de hauteur. Son insertion dans le paysage doit donc être facilitée par un aspect visuel élégant et majestueux, par un fonctionnement silencieux et par l’absence d’infrastructures connexes (transformateurs, locaux techniques, lignes électriques, clôtures...). Les défis correspondants ont été progressivement relevés en à peine deux décennies par l’industrie éolienne, et le gisement de progrès encore possibles est loin d’être épuisé.
On peut ainsi citer les principaux résultats suivants:
– La taille des aérogénérateurs (et donc la puissance électrique nominale et la production annuelle qu’ils peuvent fournir) s’est accrue très rapidement. Ainsi, les machines installées en Californie au début des années 1980 par l’industrie éolienne danoise ou américaine étaient d’un diamètre inférieur à 18 mètres et d’une puissance limité à 100 kW. Elles devaient donc être installées en très grand nombre en «fermes éoliennes», avec un impact visuel très désagréable du fait de l’impression d’accumulation qui en résultait. Le standard des machines est passé en 1991 à 300 kW (environ 30 m de diamètre) et, dès 1995, à 600 kW (44 m de diamètre). L’étape des 750 kW (environ 50 m de diamètre) est encore d’actualité pour les sites où de grandes machines ne seraient pas faciles à installer, mais ces dernières (de 60 à 66 m de diamètre pour des puissances de 1 à 1,7 MW) sont déjà fabriquées en série et ne semblent pas poser de problèmes spécifiques d’insertion dans le paysage, du moins en régions de plaines. Au-delà, compte tenu des contraintes de transport et d’insertion paysagère, les aérogénérateurs de grande puissance en cours de développement (de 2 à 3 MW, plus de 70 m de diamètre) seront plutôt destinés aux installations offshore, c’est-à-dire situées dans les zones côtières de profondeur d’eau de moins de 20 mètres. Outre les gains en productivité par machine et la forte diminution du nombre de machines pour une production donnée d’énergie, une des conséquences de l’augmentation de la taille des aérogénérateurs est la diminution de leur vitesse de rotation, contribuant à donner un aspect «majestueux et calme» à leur fonctionnement. – La disponibilité des aérogénérateurs, c’est-à-dire la proportion du temps où ils peuvent fonctionner quand le vent souffle, est maintenant couramment comprise entre 98 et 99 % en moyennes annuelles. Cela traduit un excellent niveau de fiabilité. – La productivité des aérogénérateurs s’est considérablement accrue. Ainsi, alors que les premiers aérogénérateurs installés au début de la décennie 1980 au Danemark produisaient moins de 500 kWh par an et par mètre carré balayé, la productivité de ceux qui ont été installés après 1996 sur les mêmes sites est supérieure à 1 000 kWh/an.m2. Cette forte progression de la productivité est due à la fois à l’augmentation des performances des machines (progrès sur les profils aérodynamiques des pales et sur les modes de régulation de la puissance électrique en fonction de la vitesse du vent) et, comme on l’a dit, aux gains en fiabilité et donc en disponibilité. – Le bruit émis par les aérogénérateurs a fortement diminué. En particulier, les bruits d’origine mécanique ont été quasi éliminés, et les bruits d’origine aérodynamique (créés par la circulation de l’air autour des pales) ont été fortement limités en soignant la forme des pales, en particulier leur extrémité, l’endroit où peuvent se créer des tourbillons. Ainsi, les parcs éoliens sont implantés en Europe en respectant des réglementations sévères. Par exemple, au Danemark, le niveau maximal de bruit ne doit pas dépasser 40 décibels au droit des habitations les plus proches en milieu urbain. En France, la réglementation impose que le dépassement de bruit dû à la présence d’un parc éolien ne dépasse pas 3 décibels la nuit. Ces conditions sont respectées lorsque les habitations se trouvent à plus de 300 à 500 mètres des machines les plus proches.

Le retard français
Bien que l’énergie éolienne soit déjà employée pour la production d’électricité sur réseaux dans plus de cinquante pays dans le monde, de grandes disparités existent dans son utilisation. Ainsi à la fin de 1998, 82 % du parc mondial, qui représentait alors 9 840 MW était encore concentré dans seulement cinq pays: l’Allemagne (2 874 MW), les États-Unis (1 952 MW), le Danemark (1 450 MW), l’Inde (968 MW) et l’Espagne (834 MW). L’Europe possédait ainsi 66 % du parc mondial à la fin de 1998, après avoir dépassé, au début de la décennie de 1990, l’Amérique du Nord, longtemps en tête mais qui ne représente plus que 20% de ce parc, le reste (14%) se trouvant principalement en Asie, notamment en Inde et en Chine. En France, bien que la première ferme éolienne de 2 MW soit opérationnelle depuis 1993 à Port-la-Nouvelle (Aude), le parc installé à la fin de 1998 n’était que de 19 MW, le parc éolien de Sallèles-Limousis (Aude), avec ses dix machines de 750 kW, étant actuellement le plus important.

Des incitations économiques et politiques
Aux progrès techniques, sont venues s’ajouter des baisses de coûts des matériels et des installations qui, combinées avec les augmentations de productivité, ont abouti à de fortes chutes du prix de revient du kilowattheure produit. Celui-ci est passé, sur un bon site éolien, d’environ 2 F/kWh au début des années 1980 à 0,45 F/kWh au début des années 1990 (cas du premier parc éolien français de 2 MW installé en 1993 à Port-la-Nouvelle, dans l’Aude). Bien sûr, ce prix de revient dépend fortement de la qualité du gisement éolien disponible. On devra donc se méfier des affirmations péremptoires, qu’elles soient du genre «l’énergie éolienne est maintenant rentable par rapport à l’électricité produite par les centrales conventionnelles» où, à l’inverse, «l’énergie éolienne ne sera rentable qu’à très long terme». La figure montre bien que la réalité est plus complexe. Enfin, il ne faut pas confondre le prix de revient et le prix de vente du kilowattheure éolien. Ce dernier doit bien sûr être supérieur au prix de revient, afin de dégager une marge qui permettra à l’industrie éolienne de financer la recherche, le développement et les investissements de production et de commercialisation rendus indispensables par la compétition maintenant féroce sur un marché mondial en forte expansion. C’est ce qu’ont bien compris les pays leaders dans ce secteur. On les reconnaît facilement sur la figure , qui détaille la dynamique de croissance de l’énergie éolienne dans les dix pays les plus actifs en ce domaine et en France de 1995 à 1998. Les trois pays leaders (l’Allemagne, le Danemark et l’Espagne) sont justement ceux qui ont choisi, durant la décennie de 1990, de subventionner la production d’énergie éolienne, non pas via des déductions fiscales comme en Californie, ni sous forme de subventions à l’investissement initial comme cela s’est pratiqué dans les années 1980, mais sous forme de tarifs bonifiés pour le kilowattheure éolien. Les tarifs moyens de vente du kilowattheure qui en résultent en 1999 vont de 0,46 F en Espagne à 0,55 F au Danemark et en Allemagne, à comparer à une moyenne d’environ 0,33 F pour les projets sélectionnés dans le cadre du programme Éole 2005. Ces tarifs et des dispositions réglementaires et légales associées ont permis, d’une part, d’exploiter des sites facilement disponibles et accessibles et, d’autre part, d’attirer des investisseurs privés locaux: agriculteurs installant des aérogénérateurs sur leurs terrains, coopératives d’investisseurs locaux, producteurs indépendants d’électricité, et aussi, mais très marginalement, des compagnies d’électricité désireuses d’acquérir une expérience et une compétence en énergie éolienne. En retour, ces dispositions ont permis de créer des marchés nationaux suffisamment importants pour permettre soit de conforter une industrie nationale largement exportatrice (cas du Danemark), soit de créer une industrie nationale capable de se mesurer aux compétiteurs internationaux à partir de ses propres produits ou à même de procéder à des transferts de technologies en position de force et en pouvant donc imposer des investissements et des créations d’emplois dans les régions concernées (cas de l’Allemagne et de l’Espagne). En comparaison, les pays qui, comme la Grande-Bretagne, la France et l’Irlande, ont choisi une stratégie de développement par fixation de quotas correspondant à des procédures de mise en compétition des investisseurs potentiels au niveau des tarifs de vente demandés n’ont pas réussi à ce jour à obtenir des résultats probants en termes de parc installé et de création d’activités industrielles. En effet, le premier groupe de pays a un parc installé à la fin de 1998 de plus de 5 000 MW, contre seulement 400 pour les trois autres pays cités. L’écart est encore plus parlant pour les nouvelles installations en 1998 (1 349 MW à comparer à 35 MW), ou encore en puissance installée par habitant: 40 watts par habitant en moyenne (avec un record de 277 W/habitant au Danemark!) contre 3,4 pour le second groupe (dont 0,3 W/habitant dans le cas de la France). Ces disparités n’ont bien sûr rien à voir avec la qualité des gisements éoliens, puisque ceux du Royaume-Uni et de la France sont respectivement les premiers et deuxièmes de l’Union européenne (avec un potentiel techniquement exploitable dans le cas de la France de plus de 60 TWh à terre et de 100 TWh en mer peu profonde). Bien sûr, les politiques de promotion de l’énergie éolienne par la bonification des tarifs de vente du kilowattheure produit ont un coût. Mais il convient d’abord de mettre en balance ce coût avec les bénéfices résultant des emplois créés, des exportations et des réductions de pollutions. Dans le cas de l’Allemagne, il a été calculé qu’avant d’enregistrer ces bénéfices, notamment ceux qui résultent de la création de 15 000 emplois en dix ans, ce coût serait de 35 F/an et par ménage pour passer d’une contribution de 1 % de l’énergie éolienne à la consommation nationale d’électricité actuelle à 5 % en 2007 (soit 12 GW installés et 22 TWh produits). Enfin, ce coût doit aussi être apprécié par rapport aux enjeux futurs. Le premier enjeu est de se donner les moyens effectifs pour atteindre l’objectif affiché par l’Union européenne de faire passer la contribution des énergies renouvelables en Europe de 6 % en 1995 à 12 % en 2010, avec, dans le cas de l’énergie éolienne, une contribution affichée à hauteur de 40 GW à cet horizon. Le second enjeu est de savoir prendre les dispositions adéquates pour «tenir son rang» au niveau de la compétition industrielle et commerciale acharnée qui se dessine sur le court et le moyen terme, compte tenu de l’importance à venir des marchés éoliens : ainsi, selon les meilleures études de marché disponibles, le chiffre d’affaires de l’industrie éolienne cumulé sur la période 1999-2003, serait de 18 milliards d’euros et, sur la seule année 2008, les quelque 11 GW/an installés représenteraient plus de 10 milliards d’euros. Enfin, sur le long et le très long terme, il est probable que l’énergie éolienne deviendra rapidement au XXIe siècle la troisième filière de production d’électricité primaire dans le monde, à la fois en marchés annuels et en contribution énergétique. Savoir prendre les bonnes décisions pour être présent avec les meilleurs atouts possibles dans cette compétition est donc bien d’actualité et de toute première importance.

La filière éolienne
La production d’électricité sur réseaux est ainsi devenue la principale application de l’énergie éolienne. C’est maintenant une activité industrielle et commerciale à part entière et en forte croissance : + 19 p. 100 par an d’électricité produite de 1988 à 1995, année où la production mondiale a dépassé les 9 TWh et où le marché mondial a dépassé le gigawatt, menant à un parc mondial de plus de 5 GW. Les baisses de coût du kilowattheure éolien sur réseau (moins de 0,4 F/kWh en 1997 sur un bon site, au lieu de 2 F/kWh au début des années 1980) qui ont résulté de ce développement et celles qui sont en cours et prévisibles (0,26 F/kWh en 2005 sur un bon site) laissent bien augurer de la pérennité du développement de ce marché sur le long terme. D’autant qu’il s’avère que cette application n’est pas réservée aux pays industrialisés. Ainsi, l’Inde avait réussi à installer un parc d’aérogénérateurs reliés au réseau de plus de 800 MW à la fin de 1996, alors que son objectif initial en 1990 n’était que de 500 MW pour la fin du XXe siècle! De plus, les impacts de la production d’électricité éolienne sur l’environnement sont très faibles et uniquement locaux (visibilité dans le paysage, perception auditive limitée à une distance de 200 à 800 m selon les cas), alors que ses bénéfices pour l’environnement local, régional et planétaire sont importants puisqu’un parc d’aérogénérateurs n’émet ni polluants ni gaz à effet de serre et qu’il ne génère pas de déchets. Enfin, les aérogénérateurs en fin de vie peuvent être démantelés et recyclés aisément et le site peut être remis à l’état naturel ou agricole sans dépenses notables, puisque les fondations et les accès d’une ferme éolienne moderne ne représentent que de 1 à 2% de sa surface. Les autres applications de l’énergie éolienne sont moins importantes en termes de marchés et d’activité industrielle, bien qu’elles répondent aux besoins de nombreuses populations.
Citons:
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– Le pompage d’eau au moyen d’éoliennes multipales, encore très répandu dans les pays ou les zones agricoles ne disposant pas de réseau électrique dense. Cependant, les progrès rapides du pompage photovoltaïque de l’eau rendent l’extension de cette application éolienne peu probable sur le long terme, malgré des efforts importants consacrés à sa modernisation dans les années 1980.
– La recharge de batteries pour fournir de l’électricité de base (éclairage, radio, petit poste de télévision) à une famille isolée, au moyen de petits aérogénérateurs de moins de deux mètres de diamètre, très répandue en Chine et en Mongolie (plusieurs centaines de milliers d’équipements, y compris chez les populations nomades). L’extension et la généralisation de cette application sont cependant freinées par la faiblesse du pouvoir d’achat des populations concernées et la concurrence des petits systèmes photovoltaïques.
– L’alimentation de petits réseaux électriques isolés par des systèmes hybrides éolien-diesel, où des aérogénérateurs de 10 à 100 kW peuvent produire une part importante de l’énergie annuelle. Cette application a un potentiel mondial très important (îles, pays en développement), et de nombreuses opérations pilotes ont été réalisées avec succès dans les années 1990, y compris en France, sur l’île de la Désirade en Guadeloupe. Cependant, la rentabilité de ces projets est limitée par le faible coût actuel des combustibles fossiles et par le manque de financements adéquats dans les pays en développement pour compenser les surcoûts d’investissement initial.