Ah! Sillans...

Energie éolienne :

du vent en poupe malgré les difficultés parce que les problèmes sont enfin regardés en face

(...) Une éolienne produit de l'électricité non quand on en a besoin, mais quand il y a du vent. On peut en illustrer les conséquences par un exemple récent, qui date de la fin d'octobre 2003, où il fit grand froid, notamment en Allemagne, où fut alors éprouvé un grand besoin d'électricité. Ce froid fut accompagné par un anticyclone scandinave, avec une absence totale de vent ; les éoliennes allemandes restèrent parfaitement immobiles et leurs 13 000 mégawatts (l'équivalent de dix tranches nucléaires) manquèrent à l'appel : il fallut trouver ailleurs, non sans mal et fort cher, les ressources nécessaires.

Il y aurait d'autres éléments à ajouter : l'allergie mécanique et électrique des éoliennes aux sautes de vent si fréquentes en montagne. Cela a conduit Britanniques et Danois à implanter leurs éoliennes au large en mer, malgré les dépenses et sujétions que cela implique, pour bénéficier d'un vent plus stable et éviter les problèmes de voisinage. Mais, même dans le cas très favorable de leur côte ouest, les Britanniques ne prévoient qu'un taux de disponibilité de 35 heures / 100. Cela signifie qu'en construisant, pour un coût installé déjà très élevé, une "ferme éolienne" on alimente le réseau le tiers du temps. Il faut donc construire en même temps, et en plus, une centrale parfaitement conventionnelle pour fournir, les deux deux tiers du temps restants, une énergie capable de suppléer aux fantaisies du vent.

A ma connaissance, la plus grande éolienne au monde, implantée près de Magdebourg (Allemagne), est un monstre installé sur un mât de 125 mètres de haut, équipé d'une nacelle pesant 400 tonnes (dont le hissage à cette hauteur fut d'ailleurs une prouesse technique) et d'une hélice de trois pales, chacune de plus de 50 mètres de long et pesant plus de 20 tonnes. Quand le vent est favorable, ce monstre fournit 4,5 mégawatts au réseau. (On dépasse de loin la taille des "monstres" de Grandpa's Knob (USA), de Balaklava (URSS), de Saint Rémy des Landes, pour EDF (Manche).

Une application envisageable de l'éolien est de le coupler avec des barrages hydroélectriques existants sous-alimentés en eau, comme cela se trouve au sud de l'Espagne, du fait de l'aggravation climatique causée par l'effet de serre. Quand il y a du vent, on laisse se remplir les barrages ; quand il n'y en a plus, on met ceux-ci en service, en utilisant l'eau précédemment stockée. C'est la seule façon pratique actuelle de stocker indirectement l'électricité d'origine éolienne. Certesn le principe du barrage peut être contesté mais là encore, il faut faire le choix entre les inconvénients, aménités écologiques ou bilan carbone défavorable.

Voilà des réalités qu'il faut dire et voici pourquoi l'énergie éolienne est à favoriser tout en tenant compte de l'ensemble des éléments constitutifs d'un développement réellement durable (environnement, économie et société).

C'est pourquoi il faut se féliciter de l'issue de ce difficile débat. Notamment, le Sénat a annulé les amendements les plus polémiques du projet de loi d'orientation concernant l'énergie éolienne. D'autant que, comme Patrice Hernu le rappelle plus haut, il faut aussi tenir compte que "c'est d'ailleurs la source d'électricité qui grandit le plus rapidement au monde (voir à ce sujet l'article très intéressant du département d'Etat US)."-----(Tiré de "planète bleue", mai 2005.)

Résumé de ce que l'on devrait connaître sur l'énergie éolienne...

Quelle surface faut-il couvrir d'éoliennes pour fournir à la France le courant dont elle a besoin ?

site de l'auteur : www.manicore.com - contacter l'auteur : jean-marc@manicore.com

L'énergie électrique fournie par une éolienne est fortement variable au cours du temps. En effet, une éolienne ne délivre sa puissance maximale (dite encore nominale) que dans une fourchette de vitesses de vent assez restreinte : trop lent, le vent n'entraîne pas les pales assez vite, trop rapide, il les entraînerait trop vite et il faut réduire la vitesse de rotation (en faisant pivoter les pales).

Exemple ci-dessous pour une éolienne de 175 kW de puissance nominale.

Vitesse du vent (m/s) en km/h----- 8 ----- 10 ----- 12 ----14 ----- 16 ----- 18 ----- 20 ----- 22
------------------------------------------ 28,8 -----36 -- ---43,2-- 50,4-- 57,6--- 64,8-----72---- 79,2
Puissance délivrée (kW) --------- 30 ------ 60 ---- 115 --- 175 -- 180 -- 172 ---- 168 -- 165

Les éoliennes modernes ont certes des puissances unitaires qui peuvent aller jusqu'à 2,5 MW sur terre, et 5 MW en mer, mais cela ne change pas la manière dont la puissance est délivrée en fonction de la vitesse du vent. Or, cela semblera peut-être une évidence, le vent n'est constant ni en force ni en direction (ce deuxième point n'est pas sans importance car dans les champs d'éoliennes ces dernières ne sont pas placées aux sommets d'un maillage carré mais d'un maillage rectangulaire, le grand côté de la maille devant être dans le lit du vent dominant). On donne l'exemple ci-dessous de deux roses des vents pour des sites littoraux, donc particulièrement favorables a priori.

Distribution des vents à l'Ile de Batz (Bretagne Nord).

------------------------Distribution des vents au Cap Camarrat (Littoral ------------------------------------méditerranéen).

Explications pour interpréter les roses des vents ci-dessous.

La rose est représentée sur un fonds de cercles gradués qui représentent la probabilité d'avoir du vent d'une force et d'une orientation donnée. Chaque cercle représente 2% de probabilité.

Par exemple, à Batz, la probabilité d'avoir du vent venant du Nord (cap 360) est de 2% environ, celle d'avoir du vent venant d'ouest + ou - 10° est de 30% (14% pour le 260 et 16% pour le 280). -- Par ailleurs, l'épaisseur et la couleur du trait représentent la force Beaufort : 1 à 4 : bleu ; 5 à 7 : vert ; 8 à 9 : rouge ; 10 et plus : noir. A Batz, par exemple, la probabilité d'avoir un vent de force 4 ou inférieure venant du 240 est donc de 6% ; celle d'avoir un vent venant du 240 de force 5 à 7 est d'un peu plus de 2%.

On voit immédiatement sur ces roses que le vent "tourne" et que sa force n'est pas régulière. En particulier, les occurrences de vent inférieures à 8 m/s (force 4, trait bleu) sont loin d'être négligeables, et l'on voit que la force 7, à partir de laquelle notre éolienne ci-dessus donne sa pleine puissance, souffle bien moins de 50% du temps.

En conséquence des vents qui sont rarement optimum, la puissance instantannée délivrée est souvent loin du maximum, et surtout varie très rapidement.

L'observation montre alors que pour passer de la puissance nominale installée d'une éolienne (en W) à l'énergie fournie sur une année (en W.h) il faut multiplier par un coefficient 2.000 environ, et non par 8.760 (le coefficient 8.760 représente le produit 365 (jours) x 24 (heures), soit ce qui correspond à une installation tournant en permanence à plein régime). En d'autres termes, une éolienne produit autant d'électricité, pendant toute l'année, que si elle tournait à puissance maximum pendant 2000 heures environ.

L'Union Européenne totalise 17 250 MW installés (8754 en Allemagne, Espagne : 3337, Danemark 2417, Italie : 697, Pays-Bas : 493 , Royaume-Uni 474 , ....94 en France...) La moyenne des installations donne une valeur de 2000 heures "équivalent pleine puissance" par an ( une année = 8760 heures )
Source Observer

Ainsi une éolienne de 1 MW de puissance nominale fournira, en moyenne, 2 GW.h (soit 1 x 2000) sur l'année. Ce coefficient de 2.000 résulte de l'observation sur des éoliennes déjà installées, lesquelles, par la force des choses, sont situées en zone favorable, voire très favorable (sur le littoral, et sur un littoral bien venté, car tous les littoraux ne se valent pas).

Par ailleurs on a noté que pour un champ d'éoliennes la puissance délivrée par unité de surface est en première approximation indépendante de la taille des éoliennes. En effet, des éoliennes plus puissantes sont aussi plus grandes et doivent être plus espacées pour que le vent soit efficace sur toutes les éoliennes (car l'écoulement immédiatement derrière une éolienne est perturbé).

Concrètement la densité de puissance nominale installée dans un champ d'éoliennes situé dans une zone favorable est de l'ordre de 10 MW par km2, soit une production annuelle de l'ordre de 20 GW.h par km2, quelque soit la taille des éoliennes concernées (en fait cela va de 7 à 12 MW par km2, donc 10 est valable pour un calcul en ordre de grandeur).

L'éolien est-il une solution pour l'approvisionnement énergétique ?

En partant de ce constat, quelle surface de zones favorables faudrait-il couvrir d'éoliennes pour produire en moyenne la consommation française d'électricité ? Il s'agit bien sur d'un exercice académique, mais qui sera illustratif pour cadrer le potentiel vraisemblable de cette forme de production d'électricité.

La production française d'électricité a été de 506 TW.h en 1997 (1 TW.h = 1.000.000.000.000 W.h). Certes une partie est exportée, mais cela ne change pas les ordres de grandeur.

Il en résulte que pour fournir 506 TW.h (soit 506.000 GW.h) avec des éoliennes fournissant 20 GW.h par km2, il faudrait "planter" une surface favorable de 506.000 ÷ 20 = 25.000 km2, soit environ 5% du territoire métropolitain, ce qui représente à peu près la superficie actuellement occupée par les villes, les routes et les parkings (voir chiffres sur l'urbanisation), même si en fait les surfaces ne sont pas mobilisées en totalité et restent largement disponibles pour un autre usage (cultures notamment). Il est bien évident que si le nombre d'heures "équivalent pleine puissance" n'est égal à 2000 que sur 1% du territoire, alors les calculs ci-dessous sous-estiment le nombre de machines à installer et la surface mobilisée, car une partie des éoliennes serait alors installée dans des endroits où l'énergie annuelle produite serait bien inférieure à ce u'elle est aujourd'hui, pour une éolienne de même puissance nominale bien sûr.

Avec des éoliennes de 1 MW de puissance nominale (qui font de l'ordre de 80 m de haut), fournissant donc environ 2 GWh par an en zone favorable, il en faudrait plus de 250.000 pour produire les 506 TWh mentionnées plus haut.

Mais comme le vent est intermittent, alors que la demande n'est pas dépendante du vent (personne n'entend avoir un frigidaire qui ne fonctionne pas les jours sans vent !), une électricité uniquement éolienne devrait pouvoir être stockée au moment où il y a du vent, puis restituée au moment où le consommateur entend être servi. Sous forme chimique, les possibilités de stockage sont l'utilisation d'un accumulateur (une "batterie") ou la conversion en hydrogène, sous forme mécanique cela peut consister à remonter de l'eau dans un réservoir d'altitude (ce que fait déjà EDF).Si toute l'énergie électrique du pays était éolienne, le stockage de l'électricité dans des batteries représenterait probablement des consommations de matériaux (et des problèmes d'environnement pour leur fabrication et leur fin de vie....) hors de proportion avec les moyens disponibles : dimensionner des accumulateurs pour stocker l'équivalent d'une semaine de production d'électricité (à raison de 1,5 TWh par jour en gros) demanderait la fabrication de 7 tonne(s) de batteries plomb-acide par Français (une telle batterie stocke environ 30 Wh par kg de poids).

Une solution probablement plus réaliste consiste à produire de l'hydrogène par électrolyse puis à la stocker afin de l'utiliser dans des piles à combustible lors des jours sans vent. Le rendement de l'électrolyse est de 80% au mieux, celui du stockage de l'hydrogène 80% au mieux également (il faut bien utiliser de l'énergie pour le comprimer !), et enfin les meilleurs piles ont des rendements de 80% en génération (ce qui revient à promouvoir le chauffage électrique alors que ce mode est présenté comme une hérésie aujourd'hui !) mais de 45% en production électrique seule.

Dans ce dernier cas, le rendement global de la chaîne est de 28%. Si nous supposons que la moitié de l'électricité éolienne est consommée lorsqu'elle est produite, mais que pour l'autre moitié il faut stocker, avec un rendement de 25%, alors il faut environ 600.000 éoliennes pour produire 500 TWh (soit 125.000 qui produisent sans stockage, et 500.000 qui produisent avec stockage, donc une fourniture utile divisée par 4, la même chose que 125.000 sans stockage, et on retrouve bien la production brute de 250.000 éoliennes au total).

Pour le stockage de l'eau, un exemple sera éclairant : les lacs de barrage fournissent actuellement de l'ordre de 7% de la production d'électricité en France (mais représentent 20% de la puissance installée). la signifie qu'un stockage d'eau pouvant alimenter la France entière un jour sans vent revient à multiplier les lacs amont par 5 à 6 au moins (pour que la puissance installée soit égale à la puissance maximale délivrée sur le réseau), puis encore par 5 à 6 pour récupérer l'eau en aval pour pouvoir la remonter à la demande, et enfin par un facteur inconnu lié au fait que remonter l'eau ne se fait pas sans pertes (frottements, efficacité de la pompe, etc) car cela induit des frottements.

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En 2002 l'éolien a produit 0,3 TWh en France, soit environ 0,06% de notre production électrique totale. Le programme Eole 2005, qui prévoit 500 MW de puissance installée en 2005, soit 250 à 500 éoliennes de grande taille, permettra ainsi à la France de produire 1 TWh dans les meilleures conditions, soit 2,5% de a production électrique à base de combustibles fossiles, 0,25% de la consommation d'électricité française, ou encore moins de 0,1% de notre consommation d'énergie totale.

Les chiffres montrent que les pays qui ont investi massivement dans l'éolien, comme le Danemark, n'ont pas beaucoup changé la structure de leur approvisionnement énergétique, ni leurs émissions de gaz à effet de serre.

Faut-il passer des années à se focaliser sur 0,1%, quand, dans le même temps, un programme un peu sérieux d'économies d'énergie - comme par exemple l'isolation des logements existants, qui ne demanderait pas plus d'argent public - pourrait facilement faire baisser la consommation d'énergie de 10%, c'est à dire 100 fois plus, en attendant de diviser notre consommation par 2 à 3, seule condition pour envisager la "durabilité" autrement que dans les discours ?

Et en plus....

Et nous n'en avons pas fini avec nos malheurs : le coefficient de 2.000 mentionné plus haut est exceptionnel : il n'est atteint qu'en de rares endroits ventés abondamment et régulièrement.

Dans les faits il se pourrait qu'il faille mobiliser une surface bien supérieure : la société Espace Eolien Developpement a établi une carte détaillant le potentiel "techniquement installable" d'énergie éolienne en France métropolitaine (ci-dessous), mais ce potentiel ne se monte qu'à 10% de notre production électrique actuelle. Rien que pour avoir 10% d'électricité éolienne, il faudrait couvrir quasiment toutes les Cévennes, la Bretagne et la Normandie.

Comme les vents moyens décroissent très vite dès que l'on s'éloigne des zones les plus favorables (crêtes ou littoral), un coefficient moyen "raisonnable" de 1500 (qui reste supérieur à celui constaté en Belgique) et un rendement de 30% pour le stockage obligeraient alors à couvrir près de 20% du pays, avec 1 million d'éoliennes !

Il est facile de déduire du patit calcul qui précède qu'un plan ambitieux de production d'électricité à base d'énergie éolienne (par ambitieux, il faut comprendre "qui ne soit pas ridicule comparé à notre consommation actuelle") n'est pas nécessairement réaliste, quelle que soit l'échéance.

Le Danemark, champion toutes catégories de l'éolien dans le monde, fait un peu plus de 10% de son électricité par ce moyen en 1999, alors qu'il y consacre - sans mauvais jeu de mots - beaucoup d'énergie. Cet approvisionnement a représenté un peu plus de 1% de sa consommation totale d'énergie cette même année, et ce alors que la consommation d'énergie de ce pays a augmenté d'un peu plus d'1% par an sur la décennie 1990-1999, comme ce fut le cas en France sur la période 1960-2000.

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L'éolien est-il une solution pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre ?

Attendu que de régler le problème du changement climatique nécessite de diviser la consommation d'énergie fossile mondiale par 2 au moins, et, dans les pays développés, par 4 à 12 (soit une diminution de 75% à 92% !), nous voyons tout de suite que l'éolien, qui ne peut substituer que 1% à 2% de cette même consommation, dans un monde en perpétuelle croissance, ne pourra pas grand chose pour nous.,.

Comme en outre stocker des quantités massives d'électricité n'est pas possible aujourd'hui, recourir à l'éolien "autant que possible" signifie, en pratique (et c'est bien comme cela que procède les pays très engagés) :---que les éoliennes sont reliées au réseau, et fournissent de l'électricité quand il y a du vent, ---que, nécessairement, une autre forme de production d'électricité est utilisée les jours sans vent.

Supposons par exemple que nous souhaitions produire 25% de notre électricité avec de l'éolien couplé au réseau, ce qui veut dire que la capacité installée correspond à la totalité de la consommation du pays quand le vent souffle assez fort (à cause du fameux facteur 4 mentionné plus haut). Cela signifierait en fait que nous produirions 100% de notre électricité avec de l'éolien les jours où il y a assez vent, mais que, les jours sans vent, soit nous avons 100% d'électricité en moins sur le réseau, soit.... nous la ferions autrement. Sauf à ce que le consommateur accepte des restrictions importantes (réparties comment ?) les jours avec peu de vent, cela imposerait alors de construire aussi des centrales thermiques (donc fonctionnant au charbon, au gaz ou au pétrole) qui seraient mises en route en l'absence de vent.

En effet, les centrales nucléaires ne peuvent pas être arrêtées et mises en route "à la demande" sur des créneaux de quelques heures (lorsqu'un réacteur nucléaire est fortement ralenti de manière rapide, il se produit un processus appelé "empoisonnement xénon" qui empêche le redémarrage à pleine puissance dans les heures qui suivent). Par ailleurs, les lacs de barrage sont déjà utilisés au quasi-maximum : en France, le "potentiel techniquement installable" est considéré comme déjà occupé à 90%.

A consommation constante, installer des éoliennes pour produire l'essentiel de notre électricité nous forcerait donc à construire en plus des centrales thermiques, dont la capacité nominale serait celle des éoliennes installées. J'ai entendu il n'y a pas longtemps un producteur d'électricité au charbon (ce que l'on fait de pire en matière d'émissions par kWh produit) se réjouir du développement de l'éolien, qui va permettre de "donner un nouvel essor à la production d'électricité au charbon" !

En France, un plan massif d'éolien raccordé au réseau signifierait donc, dans les faits, une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Par contre, si un pays fait déjà massivement son électricité de manière thermique, le bénéfice est réel mais... à condition de conserver des centrales thermiques (cas du Danemark et de l'Allemagne par exemple, ceci expliquant peut-être cela). Une conversion au nucléaire - qui a ses inconvénients par ailleurs, mais il n'a pas que des inconvénients ! - permet d'espérer des gains considérablement supérieurs en matière d'économies d'émissions.

Cela étant, nous avons bien quelques centrales thermiques en France, qui pourraient donc être arrêtées un peu plus souvent les jours avec vent, soit 25 à 30% du temps tout au plus, mais là s'arrête le bénéfice. Notre production thermique étant de 30 à 40 TWh, nous pouvons alors viser 10T Wh d'éolien tout au plus, soit quelques % de notre production électrique. Notons qu'installer un ou deux grands barrages supplémentaires permettrait d'arriver dans les mêmes ordres de grandeur, et que je laisse chacun libre desavoir si il préfère une vallée pleine d'eau ou des côtes et des montagnes pleines d'éoliennes.

En guise de conclusion...

L'engouement auquel nous assistons actuellement pour l'éolien est curieux. Cette solution n'apparaît dans les bons ordres de grandeur ni pour lutter efficacement contre les émissions de gaz à effet de serre ni pour concourir de manière significative à notre consommation d'énergie actuelle.

Si la première priorité pour l'avenir est de diminuer les émissions de gaz à effet de serre, il y a bien plus efficace à faire que de mettre des éoliennes partout. La Suisse, qui n'a quasiment pas d'éoliennes, a des émissions par habitant deux fois moindres que celles du Danemark (qui fait partie des premiers pollueurs par habitant en Europe question gaz à effet de serre), une fois et demi moindre que les nôtres, et pourtant il y fait froid l'hiver (30% de la consommation d'énergie en France est liée au "confort sanitaire", chauffage pour l'essentiel et eau chaude). L'Allemagne, qui vient juste après le Danemark (pour la production éolienne) a aussi des émissions de gaz à effet de serre par habitant bien au-dessus de la moyenne européenne.

Plus généralement, si notre première priorité est de minimiser notre impact sur l'environnement, penser qu'il suffit de mettre des éoliennes partout pour y parvenir est hélas un rêve. Il nous faudra pour cela renoncer à la poursuite de la croissance en volume. Dans quelle mesure les éoliennes ne sont-elles pas "aimées" parce que bien des gens y voient une alternative aux économies d'énergie, pensant que quelques éoliennes suffront à nous éviter de changer quoi que ce soit à notre consommation d'énergie actuelle ?Si la première priorité est de faire uniquement appel aux renouvelables pour notre consommation d'énergie, il est incontournable de diminuer au préalable notre consommation d'énergie d'un facteur deux à trois : aucune solution à base de renouvelables n'est dans les bons ordres de grandeur pour nous permettre un approvisionnement à notre niveau actuel, et il s'en faut de beaucoup.

Et enfin, toutes les renouvelables ne sont pas égales ! Mettre sur un pied d'égalité la biomasse, les carburants d'origine agricole, l'éolien, le solaire, la géothermie et l'énergie hydroélectrique est ignorer que chaque forme a ses avantages et ses inconvénients, et que toutes sont très loin d'avoir le même potentiel. Au niveau actuel de consommation d'énergie que nous avons, l'éolien servira juste d'alibi sans rien changer sur le fond, au prix d'une dégradation supplémentaire des paysages et d'une augmentation, dans certains cas, des émissions de gaz à effet de serre. Hum.....

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JCS, apprenti Web-user, vous salue bien. A bientôt !