La technologie

La montée du prix des énergies fossiles a rendu les recherches dans le domaine de l’éolien plus attirantes pour les investisseurs.

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: une nouvelle technologie à axe vertical est celle du kite wind generator (inspirée du kitesurf) qui, pour capter un vent le plus fort possible, utilise des câbles et des ailes qui peuvent arriver à 800/1 000 m de hauteur.

Schéma des pales d’une petite éolienne

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. Dans la pratique, les pales des grandes éoliennes ne dépassent jamais une vitesse de l’ordre de 100 m/s à leur extrémité. En fait, plus l’éolienne est grande, et moins le rotor tourne vite (moins de 10 tours/minute pour les grandes éoliennes offshore).

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 quelle que 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.

Le stockage

A grande échelle (et donc en s’appuyant sur un réseau électrique de qualité, comme en France), un des meilleurs moyens de stocker l’électricité est l’énergie hydroélectrique. Les STEP (stations de transfert d’énergie par pompage) sont constituées d’un bassin inférieur et d’un bassin supérieur (naturels ou artificiels), qui permettent de stocker de l’énergie (par exemple de l’électricité éolienne) lors des périodes de basse consommation en pompant du bassin inférieur vers le bassin supérieur, et de la restituer lors des périodes de forte demande en faisant transiter l’eau du bassin supérieur vers la bassin inférieur par une turbine. Les STEP présentent l’intérêt de pouvoir stocker de très grandes quantités d’énergie (jusqu’à plusieurs centaines de GWh), avec un excellent rendement (80 à 85%), et de se mettre en marche très rapidement (en quelques minutes). En France, la plus grande STEP est le barrage de Grand’Maison, avec une puissance maximale de 1 800 MW (équivalente à 2 réacteurs nucléaires).

Sur le plan purement technique, le dernier retour d’expérience sur une tentative visant le 100% de production d’électricité d’origine renouvelable, initiée en Allemagne en 2006 à la demande de Mme Merkel, démontre qu’il est possible d’y parvenir. Ce qui pourrait permettre à terme de rendre l’Allemagne totalement indépendante en énergie électrique. Pour tenter cette expérience, le stockage de type STEP a été utilisé pour la partie éolien, exactement comme le fait la France avec le nucléaire pour adapter la production peu souple des centrales à la variabilité de la demande journalière (dont la courbe peut être consultée ici : ).

Une autre 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.

Aux États-Unis, une entreprise conçoit de nouvelles éoliennes qui produisent de l’air comprimé au lieu de l’électricité. Dans la nacelle des éoliennes au lieu d’un alternateur se trouve donc un compresseur d’air. L’air comprimé est stocké et permet de faire tourner un alternateur aux moments où les besoins se font le plus sentir. Le stockage permet de ne plus injecter en direct l’électricité sur le réseau au fil du vent. Du point de vue du stockage de l’énergie, cette façon de faire permet également d’économiser 1 conversion d’énergie. Avec le stockage sous forme d’hydrogène par exemple, il y a 2 conversions : électricité en hydrogène, puis hydrogène en électricité. Ici, il n’y en a qu’une : air comprimé en électricité. D’où une économie sur les pertes de conversion due au stockage / déstockage. Même si cette seule conversion entraîne encore des pertes, elles sont compensées par un prix de vente plus intéressant de l’électricité que l’on peut produire lors des fortes demandes, là où les prix sont nettement supérieurs. La production de l’électricité éolienne au seul moment des pointes de consommation pourrait également permettre de ne plus surdimensionner les capacités de production électriques actuellement destinées à pouvoir passer en sécurité les maximums de consommation. Certains pensent même que l’on pourrait utiliser directement l’air comprimé ainsi produit pour alimenter des voitures automobiles propulsées avec ce fluide.

Enfin, une entreprise canadienne a mis au point un stockage de grande capacité avec des batteries au vanadium. Dans une batterie classique, une fois la batterie chargée, on ne peut pas charger plus puisqu’on est au maximum de la charge. L’innovation ici, consiste à remplacer l’électrolyte chargé et ionisé par un autre. Ainsi la charge peut continuer avec un autre électrolyte. On peut continuer la charge aussi longtemps qu’on veut. La limite est maintenant la capacité de stockage en électrolyte qui circule à travers la batterie par une pompe. L’électrolyte est stocké dans son propre réservoir dont on détermine le volume suivant la capacité de stockage désirée et qui n’a pas de limite théorique. L’entreprise (VRB) prétend qu’une capacité de stockage de 100 MWh est réalisable au vu de ses expériences passées et réussies. On peut utiliser ces grandes capacités de stockage de plusieurs manières :

1) En tant que stockage simple. Ce qui consiste à acheter de l’électricité lorsqu’elle est bon marché pour cause de surproduction (la nuit) et la revendre lors des pointes de consommation journalières lorsque le prix de l’électricité est élevé.

2) En tant que stockage tampon en complément de la production d’un parc éolien. Lorsque la production éolienne faiblit, les batteries fournissent le complément pour garder la production finale quasi stable. Lorsque la production éolienne est suffisamment forte, il y a recharge des batteries. Ainsi les 2 courbes de production éolienne et batteries sont opposées et complémentaires. La somme des 2 fournit au réseau une courbe de production “lissée” (comme au parc éolien de Sapporo au Japon).

3) Pour stocker l’énergie éolienne en site isolé. Ainsi, une communauté qui s’alimentait à 100 % avec un groupe diesel, après l’installation de 2 éoliennes et de batteries de grande capacité, s’alimente maintenant à 86 % en éolien. Le diesel n’assure que le complément de 14 %. On voit qu’avec ces batteries de grande capacité on peut développer l’éolien au delà de ce qui se fait actuellement. La seule limite est l’investissement en capacité de stockage de l’électrolyte; c’est-à-dire jusqu’où on est décidé à aller dans ce domaine.

4) Ne produire de l’électricité d’origine éolienne avec les batteries qu’aux périodes de pointe de consommation. Réserver l’usage de l’éolien seulement aux périodes de pointe de consommation permettrait de ne pas surdimensionner les sites de production conventionnels qui sont actuellement adaptés aux périodes de pointe de consommation. Ce surdimensionnement engendre un surcoût que l’on pourrait alors éliminer. Ce qui permettrait d’obtenir également pour la production éolienne une bien meilleure rentabilité puisque la quasi-totalité de la production serait vendue aux meilleurs prix. Ce système serait donc gagnant-gagnant.

L’éolien en mer

L’installation de fermes éoliennes en mer est l’une des voies de développement de l’éolien, car elle s’affranchit en grande partie du problème des nuisances esthétiques et de voisinage, d’autre part le vent est beaucoup plus fort et constant qu’à terre. Cette solution permet le développement technique progressif d’éoliennes de très grande puissance.

Ainsi, la production d’électricité éolienne en mer est plus importante qu’à terre à puissance équivalente. On donne couramment comme moyenne 2 500 MWh par MW installé en mer au lieu de 2 000 MWh par MW installé à terre. Dans les zones maritimes géographiquement très favorables à l’éolien, les estimations des études indiquent le potentiel de cas extrêmes de 3 800 MWh par MW installé.

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 pylônes à grande profondeur.

Les projets des futures éoliennes en mer, à l’horizon 2010, visent une puissance de 10 MW unitaire, avec un diamètre de pales de 160 mètres.

Une option permettant de réduire le coût d’investissement au kW installé pourrait être à terme de coupler sur le même pylône 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 a un projet à 20 km de l’embouchure de la Tamise, qui représenterait 271 turbines pour une puissance allant jusqu’à 1 000 MW . Avec le projet additionnel de Thanet, c’est maintenant 1800 MW qui devraient être installés dans l’estuaire de la Tamise. Le projet britannique de Triston Knol fera quant à lui 1 200 MW.

Un concept encore plus innovant est développé par la compagnie norvégienne Norsk Hydro (spécialisée dans l’exploitation pétrolière et gazière offshore) : il consiste à créer des champs d’éoliennes flottantes, par 200 à 700 m de fond. Le principe est d’utiliser un caisson flottant en béton (ancré au fond au moyen de câbles) pour soutenir l’éolienne. Ce projet révolutionnerait l’éolien offshore, car il permettrait de ne plus se soucier de la profondeur, et donc d’installer des champs géants (jusqu’à 1 GW de puissance installée) loin des côtes. Cela permettrait par ailleurs de réduire le prix des champs éoliens offshore, en évitant la construction de coûteuses fondations sous-marines.

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 capables de proposer une production d’électricité décentralisée, qui s’affranchirait du transport et des pertes générées.

Les turbines éoliennes existantes n’ont encore jamais atteint 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 deux extrémités, équipé de lames pour procurer un couple constant quelle que soit leur position par rapport à l’axe du vent. Dans certains projets un stator extérieur est ajouté au rotor, 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 affranchit 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.

Projection des productions électriques mondiales éoliennes et nucléaires

Depuis une dizaine d’années, la production d’électricité éolienne mondiale double approximativement tous les trois ans ; en retenant 2 000 h d’équivalent plein régime par an , on arrive à :



1998 : 10 GW / 20 TWh

2001 : 24 GW / 48 TWh

2004 : 47 GW / 94 TWh

2007 : 94 GW / 188 TWh

En continuant cette tendance on obtient :



2010 : 190 GW / 380 TWh

2013 : 380 GW / 760 TWh

2016 : 760 GW / 1 520 TWh

2019 : 1 520 GW / 3 040 TWh

La production d’électricité nucléaire mondiale plafonne autour de 2 700 – 2 850 TWh. 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, les productions d’électricité mondiale éolienne et nucléaire pourraient faire jeu égal d’ici une douzaine d’années.