Énergie éolienne
L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent.

L'énergie éolienne est une énergie renouvelable, elle tire son nom d'Éole (en grec ancien Αἴολος / Aiolos), le nom donné au dieu du vent dans la Grèce antique .

L'énergie éolienne peut être utilisée de deux manières :

• Conservation de l'énergie mécanique: le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (Navire à voile ou char à voile), pour pomper de l'eau (moulins de Majorque, éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d'un moulin.

• Transformation en énergie électrique: l'éolienne est couplée à un générateur électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne de manière autonome avec un générateur d'appoint (par exemple un groupe électrogène) et/ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie.

1.1 Un peu d'histoire
Pendant des siècles, l'énergie éolienne a été utilisée pour fournir un travail mécanique. L'exemple le plus connu est le moulin à vent utilisé par le meunier pour la transformation du blé en farine, on peut aussi citer les nombreux moulins à vent servant à l'assèchement des polders en Hollande.

Par la suite, pendant plusieurs décennies, l'énergie éolienne a servi à produire de l'énergie électrique dans des endroits reculés et donc non-connectés à un réseau électrique. Des installations sans stockage d'énergie impliquaient que le besoin en énergie et la présence d'énergie éolienne soit simultanés. La maîtrise du stockage d'énergie par batteries a permis de stocker cette énergie et ainsi de l'utiliser sans présence de vent, ce type d'installation ne concernant que des besoins domestiques, non appliqués à l'industrie.

Depuis les années 90, l'amélioration de la technologie des éoliennes a permis de construire des aérogénérateurs de plus de 1 MW. Ces unités se sont démocratisées et on en retrouve aujourd'hui dans plusieurs pays. Ces éoliennes servent aujourd'hui à produire du courant alternatif pour les réseaux électriques, au même titre qu'un réacteur nucléaire, un barrage hydro-électrique ou une centrale thermique au charbon. Cependant, les puissances générées et les impacts sur l'environnement ne sont pas les mêmes.

1.2 Comparatif des installations productrices d'électricité
(chiffres de 2006)

• un aérogénérateur : de quelques kilowatts jusqu'à environ 1 MW (Record : 6 MW ; éolienne E112 de la société allemande Enercon)
• un champ solaire photovoltaïque : de quelques centaines de watts jusqu'à environ 10 MW (Record : 10 MW ; centrale solaire Bavaria solarpark en Allemagne)
• une centrale hydro-électrique : de quelques kilowatts jusqu'à environ 100 MW (Record : 700 MW ; turbine du Barrage des Trois Gorges en Chine)
• un réacteur nucléaire : de l'ordre de 1 000 MW en général (record : 1 550 MW à la centrale nucléaire de Civaux au sud de Poitiers .

Toutefois la comparaison de puissance entre des techniques de production d'électricité aussi différentes que le nucléaire , le solaire ou l'éolien n'apporte que des informations limitées puisqu'à puissance égale leurs productions d'électricité annuelles sont fortement différentes .

Pour le nucléaire , le chiffre de production couramment retenu est de 7.000 MWh par MW de puissance installée . Les centrales nucléaires fonctionnent en moyenne 7.000 heures d'équivalent plein régime sur les 8.760 heures annuelles . Elles pourraient fonctionner 8.760 heures s'il n'y avait les arrêts pour entretien , le fonctionnement à puissance réduite de nuit et pendant la saison creuse de consommation . Le chiffre retenu pour l'éolien Européen installé est de 2.000 MWh de production annuelle par MW de puissance . Les éoliennes fonctionnent donc 2.000 heures d'équivalent plein régime par an . Le solaire photovoltaique produit entre 1.000 et 1.200 MWh par MW de puissance en France . Cette production varie en fonction du rendement des installations ( celles d'avant l'an 2000 étaient de 10 % alors que les nouvelles font plutôt 15 % ) et en fonction de l'ensoleillement du lieu . Les chiffres annuels de production solaire photovoltaïque annoncés par différents pays montrent des cas extrêmes : en Allemagne ils sont de 574 MWh par MW , et en Californie de 1.458 MWh par MW .

1.3 Utilisation de l'énergie éolienne en site isolé
L'énergie éolienne est aussi utilisée pour fournir de l'énergie à des sites isolés, par exemple pour produire de l'électricité dans les îles, pour le pompage de l'eau dans des champs, ou encore pour alimenter en électricité des voiliers, des phares et des balises. Ces éoliennes de petite puissance sont dites appartenir au petit éolien, par opposition au grand éolien ou à l'éolien industriel.

1.4 Énergie éolienne dans le réseau électrique français
Les éoliennes raccordées au réseau électrique sont le plus souvent regroupées dans un parc éolien d'environ 5 à 50 machines, mais il existe aussi des machines isolées.

RTE (Réseau de Transport d'Électricité), une filiale de EDF, achemine le courant électrique à travers le réseau. Ce courant électrique doit avoir une fréquence de 50 Hz (en France comme dans de nombreux pays à travers le monde, voir article : Réseau électrique).

Une éolienne raccordée au réseau se doit donc de fournir cette fréquence quelque soit la vitesse du vent. Cette fréquence constante passe par une vitesse de rotation constante des pales. Cette dernière est obtenue par régulation notamment avec l'orientation des pales.

Si la vitesse du vent est trop faible (par exemple moins de 10 km/h), l'éolienne s'arrête en raison des forces de frottement sec qui s'opposent à la rotation de l'hélice. Cette diminution de la vitesse de rotation ne permet plus de fournir cette fréquence. Dans ce cas, l'éolienne n'est donc plus productrice d'électricité, mais pourrait au contraire devenir consommatrice, il est donc nécessaire de la déconnecter.

Si la vitesse du vent est trop forte (supérieure à 100 km/h par exemple), l'éolienne est mise en sécurité et déconnectée du réseau, ses pales sont mises en drapeau et s'arrêtent pour éviter des sollicitations qui pourraient les briser.

La loi française oblige EDF à acheter le courant produit par les éoliennes ou par tout autre système de production d'électricité. D'autre part, le tarif d'achat de l'énergie éolienne est bonifié pour favoriser cette jeune filière en plein développement et permettre à la France d'atteindre les objectifs de la directive européenne.

1.5 Caractéristiques techniques
Le rendement énergétique (la puissance développée) des éoliennes est fonction de la vitesse du vent au cube. Ainsi les éoliennes actuellement commercialisées ont besoin d'un vent dans la gamme de 11 à 90 km/h (3 à 25 m/s). Les futures éoliennes, dont les premiers prototypes sont mis en service courant 2006, acceptent des vents de moins de 4 à plus de 200 km/h (1 à 60 m/s). Comme l'énergie solaire et d'autres énergies renouvelables, l'éolien a besoin soit d'une énergie d'appoint pour les périodes moins ventées, soit de moyens de stockage de l'énergie produite (batteries, stockage hydraulique ou plus récemment, hydrogène).

2 - Économie mondiale de l'énergie éolienne
Des milliers d'éoliennes fonctionnent à l'heure actuelle dans diverses régions du monde, avec une capacité totale de plus de 73 900 MW, et l'Europe y prend part à 65 % (fin 2006, source WWEA). Ne sont pas comptabilisées dans ce total quelques compagnies privées reliées ou non au réseau.

L'Allemagne est le principal producteur d'électricité éolienne avec 20 622 MW de puissance installée à la fin de l'année 2006. L'Espagne est le deuxième producteur mondial avec 11 615 MW. Fin 2006, les États-Unis avaient une puissance installée de 11 603 MW, en troisième position derrière l'Allemagne et l'Espagne. La France était en 2006 le 10e producteur d'énergie éolienne en Europe avec 1567 MW (WWEA 2006).

À titre de comparaison, la puissance installée en énergie nucléaire est de 21 000 MW en Allemagne, de 63 000 MW en France et de 98 000 MW aux États-Unis (chiffres de 2003)

Les chiffres ci-dessus doivent être pondérés en tenant compte d'un facteur de charge, c'est à dire de la durée de fonctionnement et de production de l'équipement dans une année. Pour l'éolien, le facteur de charge est d'au plus de 20%. Par exemple pour l'Allemagne il n'est que de 16% en 2005, contre un facteur de charge de plus de 80% pour une centrale nucléaire.
On peut observer de plus que le facteur de charge diminue avec l'augmentation du parc d'éoliennes, conséquence directe de l'exploitation de sites de moins en moins ventés.

Selon l'Observatoire des Énergies Renouvelables, dans un rapport publié par EDF, l’éolien est actuellement la filière énergétique la plus dynamique dans le monde et plus particulièrement dans l’Union européenne où la production d’électricité éolienne a augmenté de 37,8 % par an en moyenne de 1993 jusqu'en 2002. Cette croissance a atteint 59% par an sur la même période pour la France, qui était largement en retard dans ce domaine. Selon la même source, pour les années 2003-2004, la croissance dans l'Union Européenne reste soutenue avec un taux de 28,9% annuel (42,9% en France) sur ces deux années, et représente désormais 12,4% de la production d'ENR[7] de l'UE, en passe de détroner la production à partir de biomasse (production: 12,9%, croissance: 10,8%) comme 2ème source électrique d'origine ENR après l'hydraulique (production: 73,3%, croissance nulle).

De nouvelles fermes éoliennes en mer (éolien offshore) sont envisagées partout dans le monde. Le Danemark est l'un des acteurs les plus importants, avec son laboratoire Risø, très renommé ; le pays produit environ 20 % de son électricité avec des éoliennes. Les éoliennes produisent 1 % de la production de l'électricité dans le monde (WWEA). La taille la plus rentable et la plus pratique pour les éoliennes actuellement commercialisées semble être autour de 600 kW à 2 MW, groupées dans de grandes fermes éoliennes. Les nouvelles technologies en cours de développement cherchent à produire des systèmes beaucoup plus souples en terme de "puissance rentable". La plupart des éoliennes terrestres fonctionnent avec un facteur de charge de 25 % par année, mais certaines arrivent à 35 %.

• La Chine, qui reste en 2004 le 3e plus gros producteur d'énergie électrique derrière les Etats Unis ( 4.083 TWh ) et l'Europe ( 3.164 TWh ) avec 2.182 TWh produits (source Agence Internationnale de l'Energie), est très engagée dans les économies d'énergie (généralisation des ampoules basses consommation, multiplication des réseaux ferrés). Elle devrait être le 5e producteur mondial d'énergie éolienne en 2006 derrière l'Allemagne , l'Espagne , les Etats Unis et l'Inde . Son objectif est de produire 20 GW en 2020, soit une augmentation de 1 GW par an.

• Au Canada, la production d'électricité par le vent est en augmentation, surtout dans les Prairies et au Québec. Dans cette dernière province, la compagnie d'état Hydro-Québec achète déjà 212 MW à des producteurs privés de la région gaspésienne. Le gouvernement a annoncé un programme incitatif qui devrait augmenter cette capacité à 3 500 MW d'ici la fin de 2013, soit l'équivalent de 7 % de la puissance éolienne déjà installée dans le monde à la fin juin 2005.

2.1 L'éolien en Europe
La capacité de production électrique éolienne déployée en Europe a augmenté de 154 % entre 2000 et début 2006, ce qui constitue plus de la moitié des nouvelles capacités de production installées durant cette période (données Eurostat).

2.2 L'éolienne en France

• Au début de l'année 2005, le parc éolien français comptait 629 éoliennes. La France avec ses DOM produisait 386 MW ce qui représentait moins de 1 % de sa consommation électrique totale.

• Se reporter au rapport très documenté de Jérôme GOSSET et Thierry RANCHIN: Bilan et prospective de la filière éolienne française - CONTRAT ARMINES/ADEME n° 50722 du 10 février 2006.

2.4 L'éolien au Québec
La politique énergétique du Québec prévoit le développement de projets éoliens totalisant 4000MW d'ici 2013. Le développement du potentiel éolien du Québec se fait essentiellement par le recours aux entreprises privées qui sont sollicitées via un système d'appels d'offre. Plusieurs groupes réclament plutôt que la Société d'état Hydro-Québec développe elle-même ses propres projets éoliens et qu'elle demeure propriétaire des moyens de production d'électricité, comme c'est le cas avec la grande majorité des centrales hydro-électriques de la province.

3 - L'avenir de l'énergie éolienne
La montée du prix des énergies fossiles a rendu les recherches dans le domaine de l’éolien plus attractives pour les investisseurs.réf. nécessaire.

La technologie actuellement la plus utilisée pour capter l’énergie éolienne consiste à placer au bout d’un axe horizontal des pales formant une hélice. Certains prototypes utilisent un axe de rotation vertical.

La technologie à axe horizontal présente certains inconvénients :

• l'encombrement spatial est important, il correspond à une sphère d’un diamètre égal à celui de l’hélice, reposant sur un cylindre de même diamètre. Un mât de hauteur importante est nécessaire pour capter un vent le plus fort possible.
• le vent doit être le plus régulier possible, et donc interdit des implantations en milieu urbain ou dans un relief très accidenté.
• une pale de 40 mètres qui décrirait une rotation par seconde verrait son extrémité avancer à une vitesse de 250 m/s, soit environ 900 km/h. C'est la raison qui explique le bruit aérodynamique des pâles et une des raisons de la mise en arrêt des éoliennes par vent fort.
• la production énergétique dépend directement de la force du vent, indépendamment des besoins, il faut donc prendre en compte l'évolution journalière ou saisonnière de la courbe de charge, voire le stockage de l’énergie produite.

Les nouvelles éoliennes en cours de développement permettent d'aboutir à une technologie qui s’affranchit du bruit, de l’encombrement et de la fragilité des éoliennes à pales, tout en étant capables d’utiliser le vent quelque soit sa direction et sa force. De nombreuses variantes sont étudiées par des essais réels en grandeur nature. Certaines éoliennes sont de petite taille (3 à 8 mètres de large, 1 à 2 mètres de haut), avec pour objectif de pouvoir les installer sur les toitures terrasses des immeubles d’habitation dans les villes, ou sur les toitures des immeubles industriels et commerciaux, dans des gammes de puissances allant de quelques kW à quelques dizaines de kW de puissance moyenne. Leur vitesse de rotation est faible et indépendante de la vitesse du vent. Leur puissance varie linéairement avec la vitesse du vent, qui peut varier de 5 km/h à plus de 200 km/h, sans nécessiter la célèbre "mise en drapeau" des éoliennes à pales.

Concernant le stockage de l’énergie, une piste est l’électrolyse de l’eau et la production d’hydrogène, qui peut être stocké avant d’être reconverti en énergie selon les besoins au moyen d’une pile à combustible, produisant de l’électricité et de la chaleur. Le rendement global de ce cycle de production d'énergie est encore trop faible à l'heure actuelle pour rendre intéressant le stockage d'énergie par l'hydrogène. Les technologies liées à l'hydrogène nécessitent des progrès, principalement de coût de fabrication et de maintenance, avant de pouvoir passer à un stade industriel. Les premières piles à combustible raccordées sur des réseaux de distribution électrique ont été mises en service dans les années 1990.

D'après EDF pour ce qui concerne la France, Parmi les énergies renouvelables, l’éolien a le plus fort potentiel de développement et représentera une part majoritaire dans la production d’énergies renouvelables hors hydraulique. L’éolien apportera ainsi sa contribution à l’indépendance énergétique de la France.

3.1 L'éolien offshore
L'installation de fermes éoliennes offshore est l'une des voies de développement de l'éolien. S'affranchissant en grande partie du problème des nuisances esthétiques, installés dans des secteurs procurant un vent beaucoup plus constant qu'à terre, cette solution permet le développement technique progressif d'éoliennes de très grande puissance.

Diverses solutions sont envisagées pour diminuer le coût du kWh produit. Parmi les solutions étudiées, on peut noter :

• la construction d'éoliennes de plus grande puissance, produisant de 5 à 10 MW par unité
• la mise au point de systèmes flottants, ancrés, permettant de s'affranchir des coûts des fondations de pylones à grande profondeur.

Les projets des futures éoliennes offshore, à l'horizon 2010, visent une puissance de 10 MW unitaire, avec un diamètre de pales de 160 m.

Un concept encore plus innovant a été développé par Norks Hydro, il consiste à créer un champ de 200 éoliennes flottantes, par 200 à 700 m de fond, d'une puissance unitaire de 5 MW, soit 1 GW installé.[12]

Une option permettant de réduire le coût d'investissement au kW installé pourrait être à terme de coupler sur le même pylone une éolienne offshore et une ou plusieurs hydroliennes.

En France, la Compagnie du vent a annoncé en novembre 2006 son projet de parc des Deux Côtes, un ensemble de 156 éoliennes totalisant 702 MW, à 14 km au large de la Seine-Maritime et de la Picardie. En Angleterre, le consortium London Array est un projet à 20 km de l'embouchure de la Tamise, qui représenterait 271 turbines pour une puissance allant jusqu'à 1 000 MW.[13] . Le projet Britannique de Triston Knol fera quant à lui 1.200 MW .

3.2 L'éolien urbain
L'éolien urbain est un concept qui suppose que l'on peut installer et exploiter des éoliennes en milieu urbain. L'éolien urbain recherche des turbines éoliennes compactes capable de proposer une production d'électricité décentralisée, qui s'affranchirait du transport et des pertes générées.

Les turbines éoliennes existantes n'ont encore jamais atteints des rendements intéressants en milieu urbain. Toutefois, les concepteurs ont déjà mis au point des prototypes sur lesquels il n'y a plus de pales comme celles d'une hélice d'avion, mais un rotor fixé à ses 2 extrémités, équipé de lames pour procurer un couple constant quelle que soit leur position par rapport à l'axe du vent. Dans certains projets est ajouté au rotor un stator extérieur, élément fixe destiné à dévier la course du vent afin d'optimiser le rendement de l'ensemble. La conception mécanique des turbines éoliennes les rend résistantes aux vents violents, et les affranchissent du besoin d'être arrêtées quand le vent dépasse la vitesse de 90 km/h. Leur production est quasiment proportionnelle à la vitesse du vent jusqu'à plus de 200 km/h, sans palier limitant comme sur les éoliennes classiques.

3.3 Projection des productions électriques mondiales éoliennes et nucléaires
Depuis une dizaine d'années , la production d'électricité éolienne mondiale double approximativement tous les 3 ans :

• 1997 : 8 GW / 16 TWh
• 2000 : 18 GW / 36 TWh
• 2003 : 39 GW / 78 TWh
• 2006 : 76 GW / 152 TWh

en continuant cette tendance on obtient :

• 2009 : 150 GW / 300 TWh
• 2012 : 300 GW / 600 TWh
• 2015 : 600 GW / 1.200 TWh
• 2018 : 1.200 GW / 2.400 TWh
• 2019 : 1.560 GW / 3.120 TWh ( croissance de 30 % en 1 an )

La production d'électricité nucléaire mondiale plafonne autour de 2.650 TWh . Depuis des années on se trouve soit un peu en dessous , soit un peu en dessus de ce chiffre moyen ( source : Agence Internationnale de l'Energie ) . Cette production semble devoir monter légèrement dans la décennie qui vient à cause de politiques volontaristes . Mais la croissance devrait être modérée , car en contrepartie , de nombreuses centrales arrivent en fin de vie .

Dans ces conditions , et sous réserve que ces tendances ne changent pas , on voit que d'ici une douzaine d'années la production d'électricité mondiale éolienne et nucléaire feront jeu égal . Même si la tendance engagée dans la production d'électricité éolienne fléchissait pour monter moins vite , cette rencontre ne manquera pas de se produire , puisque de toute façon , les réserves mondiales d'uranium seront épuisées un jour , ce qui n'est pas le cas pour le vent .

4 - Débat sur l'énergie éolienne
Il existe une polémique, qui date de l'origine du moulin à vent, et porte sur les différentes nuisances (visuelles, sonores, etc.) et sur les intérets (économiques, emplois, etc.) de l'énergie éolienne.