Descriptif de l’énergie éolienne

mardi 2 décembre 2008 par GAUTHIER Olivier (Administrateur)

L’énergie éolienne, comme l’énergie solaire, fait partie des énergies renouvelables. Utilisée autrefois dans les moulins, pour moudre par exemple la farine, cette énergie connaît actuellement un renouveau, notamment en Allemagne et en Espagne avec respectivement plus de 22 000 MW et 15 000 MW en 2007 pour seulement 2 455 MW en France.
Pour capter celle-ci, on utilise une machine capable de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie électrique à l’aide d’un alternateur, une sorte de grosse dynamo. On distingue deux grandes familles d’éoliennes : celles à axe horizontal utilisées dans le grand éolien et celles à axe vertical, plus simples mécaniquement, et généralement utilisées en milieu urbain pour le petit éolien.

 Quelle puissance, quelle énergie ?

Afin de bien comprendre ce qui va suivre, il est, je crois, important de bien rappeler ce que sont la puissance et l’énergie, trop souvent sources de confusion. La puissance est à l’énergie ce qu’est la vitesse de déplacement à la distance parcourue.

Explication :

- La puissance est en effet similaire à une vitesse. C’est la vitesse à laquelle un système convertit l’énergie par unité de temps. L’Histoire a voulu que l’on retienne le Watt comme unité de puissance et c’est bien dommage.

Initialement celle-ci était exprimée en Joule/s comme il existe les Km/h pour la vitesse. Lorsque nous nous déplaçons à 50 Km/h nous aurons parcouru 100 Km au bout de deux heures. De la même façon, une lampe de 50 Joule/s de puissance aura consommé ou, si vous préférez, converti en énergie lumineuse 100 Joule d’énergie électrique après 2 secondes d’utilisation.

L’histoire, comme je le disais précédemment, a décrété que 1 Watt = 1 Joule/s, faisant perdre du même coup cette notion de temps, fondamentale, que l’on avait dans les Joule/s alias les Km/h.

Suivant la puissance de la machine, on utilise les multiples : le kW ou kilowatt et le MW ou million de Watt ou encore mégawatt.

- L’énergie est la grandeur physique traduisant le changement d’état d’un système. En clair, plus nous possédons d’énergie, plus nous pouvons changer l’état de ce qui nous entoure. Avec de la chaleur, par exemple, nous pouvons faire passer de l’eau de l’état liquide à l’état vapeur. Avec de l’énergie fossile, nous pouvons nous déplacer et donc changer notre propre état de position.

L’énergie s’exprimait initialement en Joule, mais à cause de l’unité retenue pour la puissance, à savoir le Watt, on parle de Wh (watt heure) ou de kWh (kilowatt heure). En effet de la même façon qu’il faut multiplier une vitesse par un temps pour obtenir une distance parcourue, il faut multiplier une puissance par un temps pour obtenir l’énergie consommée ou convertie. On obtient donc des W x h, l’opérateur x est en général supprimé.

Pour ne pas vous tromper à l’avenir, garder présent à l’esprit qu’une puissance c’est comme une vitesse. On peut aussi l’assimiler à un débit. Plus un système est puissant et plus sa vitesse de conversion et donc de consommation d’énergie est grande.

 Le grand éolien

Les grandes éoliennes raccordées au réseau ont des puissances qui vont de 1 à 5 MW. Elles se composent d’un mât de 50 à 110 m de haut au sommet duquel tourne de 10 à 25 tr/mn un rotor muni de 3 pales de 20 à 60 m d’envergure. A titre indicatif, les 9 éoliennes récemment installées à Salle de Villefagnan ont une puissance de 2,3 MW, un mat de 80 m et un rotor de 90 m de diamètre ou si vous préférez des pales de 45 m d’envergure. L’énergie que nous procure une éolienne n’est pas constante sur toute l’année car il n’y a pas du vent 24h/24 et 365 jours par an, en fait elle produit autant d’énergie que si elle tournait à puissance maximum 25 % du temps. Ainsi, une éolienne de Salles de Villefagnan est susceptible de produire au bout d’un an, soit 365 x 24 = 8 760 heures, une énergie égale à 2 300 kW x 8 760 h x 25% = 5 037 MWh = 5 037 000 kWh. Cette énergie permet d’alimenter environ 2 000 foyers hors chauffage.

 Le petit éolien

Les petites éoliennes ont en général des puissances allant de 100 W à 5 000 W. Celles à axe vertical sont reines en milieu urbain grâce à leur facilité d’intégration, leur absence de bruit et leur rendement élevé. Ces éoliennes ont tout leur intérêt comme complément d’énergie pour un chauffe-eau solaire l’hiver, d’autant plus qu’EDF ne rachète pas à prix bonifié le courant issu du petit éolien et un ballon d’eau chaude constitue un moyen économique et pratique pour stocker l’energie électrique convertie en chaleur à l’aide d’une résistance électrique.

 Eolien et CO2

Il est de coutume de dire que l’éolien n’émet pas de CO2 dans l’atmosphère. C’est vrai, mais en parti seulement. Ici, comme pour d’autres formes d’énergie, il est important de bien cerner tout le problème. Il convient en effet de distinguer les émissions directes engendrées par l’éolienne, qui comprennent sa fabrication, son installation et son entretien, des émissions indirectes générées par les fluctuations qu’elles provoquent sur le réseau de transport de l’électricité ou RTE.

Les émissions directes

Celles-ci proviennent pour l’essentiel de la fabrication. Une capacité éolienne de 1 GW soit 500 éoliennes de 2 MW consomment environ 125 tonnes d’acier et 360 tonnes de béton à comparer respectivement aux 60 et 560 tonnes pour une centrale nucléaire de même puissance. Au final les émissions directes varient de 9 à 25 g de CO2 par kWh produit selon les sources d’énergie utilisée pour fabriquer l’éolienne. A titre de comparaison, une centrale thermique à gaz émet plus de 400 g quand une centrale nucléaire ne rejette que 7 g par KWh. Du point de vue des émissions directes, on peut dire que l’éolien a un bon bilan carbone.

Les émissions indirectes
La question des émissions indirectes est infiniment plus complexe que la précédente. Il s’agit de comprendre quelles incidences la production d’électricité éolienne, nécessairement fluctuante, peut avoir sur le réseau électrique. Nous n’avons pas la prétention de traiter en totalité cette épineuse question dans cet article, mais seulement de donner quelques pistes de réflexion.

En effet, sur les 8 760 heures de production électrique que compte une année, environ 8 360 heures sont assurées par ce que l’on appelle la production de base à niveau constant essentiellement d’origine nucléaire, les 400 heures restantes qui constituent la production de pointe sont quant à elles assurées par des centrales immédiatement mobilisables telles que les centrales hydrauliques ou les centrales thermiques à gaz ou à charbon. Le réseau de transport de l’électricité doit en effet adapter en permanence l’offre à la demande du réseau. Lorsque la demande fluctue rapidement on doit pouvoir instantanément démarrer ou arrêter des centrales pour équilibrer le réseau afin qu’il n’y ait jamais trop ou trop peu d’électricité. Cette régulation permanente peut difficilement se faire avec une centrale nucléaire dont l’arrêt rapide provoque un "empoisonnement xénon" qui empêche leur redémarrage rapide dans les heures suivantes. Le nucléaire dont les émissions de CO2 sont faibles n’est pas, en revanche, une énergie très souple. Aussi l’introduction de l’énergie éolienne peut poser quelques problèmes.

Actuellement la puissance éolienne installée sur le territoire est encore faible et très inférieure à la puissance appelée durant les périodes de pointe. Elle se contente donc d’épauler les centrales thermiques durant ces périodes de forte demande et évite ainsi des émissions de CO2. Pour l’année 2008, cela a permis d’éviter l’émission de 1,65 Mt de CO2. Toutefois ce CO2 évité a un coût estimé à 500 € la tonne ce qui est important. Il serait possible d’éviter la même quantité avec moins de moyens, dans le domaine de l’isolation des bâtiments anciens par exemple. En effet, une simulation avec 10 GW d’éolien montre que seul un tiers de la production éolienne se substitue à du thermique, un autre tiers se substitue à une petite part du nucléaire et le tiers restant est exporté faute de pouvoir être stocké.

En revanche si la puissance éolienne dépasse les 25 000 MW – dix fois plus qu’aujourd’hui – celle-ci ne contribuera pas seulement à la production de pointe mais entamera également la production de base qui s’élève à 30 GW et qui est actuellement assurée par le nucléaire. Si cette situation réduit la part du nucléaire, elle nécessitera une utilisation plus fréquente des centrales thermiques, seules capables de palier rapidement aux aléas de production de l’énergie éolienne et donc augmentera les émissions de CO2. Certes de 2 500 MW actuel à 25 000 MW estimé, cela donne déjà une bonne marge de manœuvre au développement de l’éolien, mais prudence…

 Réduire les fluctuations ou leur impact

Plusieurs solutions existent toutefois pour réduire ou gérer le caractère intermittent de l’énergie éolienne sans recourir systématiquement aux centrales thermiques. Le foisonnement, la complémentarité et le stockage de l’énergie font parti de ces solutions.

Le foisonnement et la complémentarité de certaines énergies renouvelables

Le foisonnement du parc éolien, c’est-à-dire l’implantation d’éoliennes dans des régions complémentaires en terme de vent sur le territoire français, permet en effet une production plus régulière, les baisses de production d’une région sont en partie compensées par les surplus d’une autre. On estime que le rendement éolien en France pourrait atteindre 30% contre 15 à 20% en Allemagne. Ce foisonnement peut encore être renforcé par l’utilisation complémentaire d’énergies renouvelables tel que par exemple le solaire photovoltaïque. Pour faire simple, lorsqu’il n’y a pas de vent il y a du soleil.

Le stockage d’électricité

L’énergie électrique est difficile à stocker en grande quantité. Toutefois de plus en plus d’installations, utilisant chacune des technologies différentes, voient le jour dans le monde pour pallier les aléas de production de l’énergie éolienne. Et ces techniques évoluent sans cesse.

L’air comprimé

Le stockage de l’énergie électrique à l’aide d’air comprimé dans des formations géologiques telles que des cavernes de sel est prévu en Allemagne pour de futurs projets éoliens en mer Baltique. Le rendement prévu pour ces nouvelles installations de stockage est de 70% contre 40% habituellement. Une installation de ce type de 250 MW pendant 2h existe déjà à Hubsdorf en Allemagne. La France utilise aussi ce mode de stockage appelé sans doute à se développer.

Les volants d’inertie

Il est également possible de stocker l’énergie dans des volants d’inertie dont la puissance peut atteindre plusieurs MW pendant quelques secondes et ce avec un excellent rendement de 98%. Surtout développé aux USA, ce type de stockage purement mécanique se développe également en Europe. La société Beacon Power, aux USA, fournira ainsi des unités de stockage à volant d’inertie à la société d’exploitation du réseau électrique en Californie pour faciliter l’intégration des 4 200 MW d’énergie éolienne supplémentaires prévus prochainement à Tehachapi.

Les batteries

Bien que souvent associées à des petites puissances, des batteries à circulation au sodium-soufre ou au vanadium de grande capacité voient le jour. Respectueuses de l’environnement dans leur fonctionnement, car n’émettant pas de gaz polluants, elles offrent un rendement de 75%. Ainsi, la société Electric Power aux USA et la société Tabpury en Irlande ont installé des batteries de 1,5 MW pour 8 h de fonctionnement sur un de leur site de production éolien.

Les barrages

Beaucoup utilisé en Suisse et en France, c’est la technique la plus ancienne pour stocker l’énergie électrique. Il suffit que les centrales hydrauliques soient réversibles et puissent passer de turbine-générateur à moteur-pompe pour remonter l’eau d’une rivière dans un barrage en altitude pendant les périodes creuses. A condition que le débit de la rivière soit suffisant au moment où ce procédé de stockage est sollicité, les capacités de stockage, de plusieurs GWh, sont très importantes.

En Allemagne, un système hydraulique de 1GW pendant 8h a été mis en service pour compenser l’intermittence de l’énergie éolienne dans le land de Thuringe.

L’hydrogène

Cette technique consiste à fabriquer de l’hydrogène à partir d’électricité et d’eau pour ensuite être utilisé dans une pile à combustible qui produira à son tour de l’électricité en période de pointe.

Complexe à mettre en œuvre, assez onéreux, et d’un rendement encore médiocre cette technique évolue toutefois et a un potentiel de stockage de plusieurs GWh sans doute parmi les plus importants. Le site éolien d’Ultsira en Norvège utilise ce moyen de stockage.

Voitures reliées au réseau

Le futur proche appartient sans doute aux voitures hybrides rechargeables sur le réseau. Elles combinent un moteur thermique pour les longs trajets et un moteur électrique avec batterie rechargeable sur le réseau pour les petits trajets. La multiplication de ces moyens de stockages répartis sur un réseau devenu intelligent et communiquant permettrait de contrôler et d’adapter en permanence la recharge ou au contraire la production électrique de ses véhicules en fonction de l’intermittence des énergies renouvelables. Des projets pilotes de ce type sont actuellement en test en Californie.

 En conclusion

Comme on le voit, l’intégration de l’énergie éolienne est au carrefour, comme pour les autres énergies, des problèmes d’ordre écologique, économique et technologique.

Nous avons essayé, pour notre part, d’évoquer certains problèmes complexes liés au CO2 et comment les nouvelles technologies peuvent éventuellement y remédier. Nous n’avons pas parlé de l’impact économique de ces techniques qui, on s’en doute, est loin d’être négligeable, et ce n’est pas un hasard si celles-ci sont l’apanage des pays riches. Sortir simultanément des énergies fossiles et du nucléaire est un défi sans précédent pour notre pays. Sacrifier l’un au profit de l’autre dépend des priorités que nous nous fixons. Le climat peut-il attendre ? Le vieillissement de nos centrales nucléaires et les coupes sombres pratiquées dans le personnel et les procédures de sûreté depuis la privatisation d’EDF sont-ils supportables ? Quel est le plus court chemin en temps et en argent pour relever l’un ou l’autre de ces défis voir les deux ? Le débat reste ouvert.

Olivier GAUTHIER - Administrateur de Charente Nature - Membre de la commission "Energie"

Article extrait du dossier "L’Eolien" paru dans la revue Charente Nature n° 260-261 - novembre-décembre 2008


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