L’énergie éolienne: produire de l’électricité grâce au vent

L’énergie éolienne, qui trouve ses racines dans l’utilisation historique des moulins à vent, est devenue récemment une source d’énergie renouvelable incontournable. Les éoliennes modernes transforment l’énergie cinétique du vent en électricité grâce à des systèmes ingénieux et performants. Leur cycle de vie, de la conception à la fin de vie, est étudié pour minimiser leur impact environnemental et optimiser leur rendement. Au-delà des technologies classiques, plusieurs innovations telles que les éoliennes volantes, sans pales ou urbaines, viennent dynamiser le secteur.

Le fonctionnement de l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est une source d’énergie renouvelable qui exploite la force du vent pour produire de l’électricité. Les éoliennes, composées essentiellement d’un mât, d’une nacelle et de rotors, capturent l’énergie cinétique du vent. Lorsque le vent souffle, il fait tourner les pales, qui sont reliées à un rotor. Ce rotor entraîne une génératrice située dans la nacelle, transformant l’énergie mécanique en électricité. L’électricité produite est ensuite acheminée vers le réseau électrique. Plus le lieu est adéquat, meilleur sera le rendement de l’installation.

La longueur des pales joue un rôle important dans la production d’énergie éolienne. Des pales plus longues permettent de capter plus d’énergie en couvrant une surface balayée plus grande. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la puissance des éoliennes terrestres a considérablement augmenté ces dernières décennies, passant d’environ 50 kW avec des pales de 15 mètres dans les années 1990 à près de 4 MW avec des pales de 130 à 150 mètres en 2021.

Cette augmentation de la taille des éoliennes a conduit à une amélioration de la productivité et de l’efficacité. En effet, la production d’énergie est proportionnelle au carré de la longueur des pales et à la vitesse du vent à la troisième puissance. Ainsi, une éolienne avec des pales deux fois plus longues peut théoriquement capter quatre fois plus d’énergie, tandis qu’une augmentation de 10 % de la vitesse du vent peut entraîner une augmentation de 33 % de la production d’énergie.

Le cycle de vie des éoliennes

Le cycle de vie des éoliennes comprend plusieurs étapes : la planification, la construction, l’exploitation et la démantèlement. La planification implique l’évaluation des ressources éoliennes, l’étude d’impact environnemental, l’obtention des autorisations nécessaires et la conception du projet. La construction comprend la préparation du site, l’installation des fondations, l’assemblage des éoliennes et la connexion au réseau électrique.

L’exploitation dure généralement de 20 à 25 ans, période durant laquelle les éoliennes produisent de l’électricité et nécessitent une maintenance régulière pour assurer leur bon fonctionnement. À la fin de leur durée de vie, les éoliennes sont démantelées et les matériaux recyclés dans la mesure du possible. Le site peut être remis en état ou réutilisé pour de nouveaux projets éoliens.

Les technologies d’énergie éolienne

Le type de pales

Les technologies d’énergie éolienne peuvent être classées en deux catégories : les éoliennes à axe horizontal (HAWT) et les éoliennes à axe vertical (VAWT). Les HAWT, les plus répandues, sont constituées de pales montées sur un rotor parallèle au sol, tournant autour d’un axe horizontal. Les VAWT ont un rotor perpendiculaire au sol et tournent autour d’un axe vertical. Enfin, il y a des éoliennes assez particulières: elles n’ont pas de pales.

Éoliennes à axe horizontal (HAWT)

Les HAWT sont actuellement la technologie dominante dans l’industrie éolienne. En 2020, plus de 99 % de la capacité éolienne mondiale installée était constituée d’éoliennes à axe horizontal (source : Global Wind Energy Council). Les HAWT ont une efficacité énergétique plus élevée que les VAWT et sont capables de capter des vents plus forts en altitude grâce à des mâts plus hauts. Cependant, elles nécessitent généralement plus d’espace et d’investissement initial pour leur installation. Les HAWT sont également plus visibles et peuvent générer des nuisances sonores.

Éoliennes à axe vertical (VAWT)

Les VAWT représentent une petite part du marché éolien, mais offrent certains avantages par rapport aux HAWT. Elles captent le vent indépendamment de sa direction et peuvent être installées à des altitudes plus basses, ce qui réduit l’impact visuel et facilite la maintenance. Les VAWT sont également moins sensibles à la turbulence et peuvent être plus adaptées aux zones urbaines ou à des environnements complexes. Cependant, leur efficacité énergétique est généralement inférieure à celle des HAWT, et elles ont une capacité de production d’énergie plus limitée.

Bien que les éoliennes à axe horizontal dominent actuellement le marché de l’énergie éolienne, les éoliennes à axe vertical présentent un potentiel d’innovation et pourraient jouer un rôle plus important à l’avenir, en particulier dans des contextes spécifiques tels que les environnements urbains ou les petits systèmes éoliens décentralisés.

Les éoliennes sans pales

Les éoliennes sans pales représentent une approche innovante pour la production d’énergie éolienne, cherchant à résoudre certains problèmes liés aux éoliennes traditionnelles à pales. En exploitant des concepts tels que l’effet de vortex, le biomimétisme ou les cerfs-volants éoliens, ces technologies visent à réduire les coûts de production, les impacts environnementaux et les nuisances sonores. Parmi les entreprises notables travaillant sur ces solutions, on trouve Vortex Bladeless, Saphon Energy, Tyer Wind, kPower et ENESSERE, chacune proposant des approches uniques pour capter l’énergie du vent sans utiliser de pales. Bien que ces technologies en soient encore à un stade précoce de développement, ce sont des pistes intéressantes technologiquement, qui pourraient répondre à d’importantes faiblesses de l’éolien classique.

L’éolien marin ou terrestre ?

Il y a plusieurs technologies d’éoliennes selon leur emplacement:

• Les éoliennes terrestres sont installées sur la terre ferme et représentent la majorité de la capacité éolienne installée dans le monde. Elles sont généralement moins coûteuses à construire et à entretenir que les éoliennes offshore. Cependant, les éoliennes terrestres peuvent être confrontées à des vents moins forts et moins constants que les éoliennes offshore. De plus, leur impact sur le paysage et les nuisances sonores peuvent poser des problèmes d’acceptabilité sociale et limiter les sites disponibles pour leur installation.
• Les éoliennes marines sont installées en mer, généralement à plusieurs kilomètres de la côte. Elles bénéficient de vents plus forts et plus constants, ce qui augmente leur productivité. Les éoliennes offshore ont également un impact visuel et sonore réduit sur les populations. Cependant, leur construction, leur installation et leur maintenance sont plus coûteuses et complexes en raison des conditions marines difficiles. Une des réponses pour faciliter leur implantation est de les installer sur des systèmes flottants, mais cette piste est encore expérimentale. Les éoliennes offshore peuvent également avoir un impact sur les écosystèmes marins et les activités humaines en mer, comme la pêche et la navigation.
• L’éolien volant est une technologie émergente qui vise à exploiter les vents à haute altitude, où les vitesses sont généralement plus élevées et constantes. En utilisant des dispositifs volants tels que des cerfs-volants, des ballons ou des drones pour capter l’énergie du vent, cette approche promet une production d’énergie renouvelable plus efficace et moins coûteuse. Elle est néanmoins encore à un stade expérimental.
• Il est aussi envisagé d’intégrer la production d’énergie éolienne dans les environnements urbains et périurbains grâce à des éoliennes urbaines. Elles sont généralement de petite taille, silencieuses et adaptées aux conditions de vent spécifiques des zones urbaines. Conçues pour être esthétiques et fonctionnelles, les éoliennes urbaines peuvent être installées sur les toits, les façades ou les espaces publics, permettant ainsi une production d’énergie locale et décentralisée. En contrepartie, elles sont moins productives.

Innovations technologiques: le futur des éoliennes

Les innovations technologiques dans le domaine de l’énergie éolienne visent à améliorer l’efficacité, la fiabilité et la rentabilité des éoliennes. Parmi les développements récents et futurs, citons :

1. Les éoliennes flottantes : Elles permettent d’exploiter des sites offshore plus profonds, où les vents sont plus forts et plus constants. Les éoliennes flottantes peuvent être ancrées au fond marin et présentent un potentiel considérable pour la production d’énergie éolienne offshore.
2. Les matériaux et conceptions avancés : Les progrès dans les matériaux et la conception des pales visent à réduire le poids et à augmenter la durabilité, l’efficacité et la performance des éoliennes.
3. L’intelligence artificielle et le contrôle avancé : L’utilisation de l’IA et de systèmes de contrôle innovants permet d’optimiser la performance des éoliennes en temps réel, en ajustant la position et l’orientation des pales en fonction des conditions météorologiques.

Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne

Avantages :

• Renouvelable et propre : L’énergie éolienne est une source d’énergie inépuisable qui n’émet pas de gaz à effet de serre ou de polluants atmosphériques.
• Faible coût d’exploitation : Une fois installées, les éoliennes ont des coûts d’exploitation relativement faibles et peuvent offrir des prix compétitifs pour l’électricité.
• Création d’emplois : Le secteur de l’énergie éolienne génère des emplois dans la fabrication, l’installation et la maintenance des éoliennes.

Inconvénients :

• Intermittence : La production d’énergie éolienne dépend des conditions météorologiques et peut être irrégulière.
• Impact paysager et sonore : Les éoliennes peuvent altérer le paysage et générer des nuisances sonores pour les résidents à proximité.
• Impact sur la faune : Les éoliennes peuvent entraîner la mortalité des oiseaux et des chauves-souris en raison de collisions avec les pales.

Les parcs éoliens dans le monde

Le développement de l’énergie éolienne dans le monde a connu une croissance rapide ces dernières années. Selon le Global Wind Energy Council (GWEC), la capacité éolienne mondiale installée a atteint 743 GW à la fin de 2020, avec une augmentation de 53 GW par rapport à 2019. La Chine et les États-Unis sont les deux plus grands marchés de l’énergie éolienne, représentant respectivement 264 GW et 122 GW de capacité installée en 2020.

L’énergie éolienne offshore connaît également une expansion rapide. À la fin de 2020, la capacité éolienne offshore mondiale était de 35 GW, avec l’Europe représentant près de 75 % de cette capacité (source : GWEC). Le Royaume-Uni est le leader mondial de l’éolien offshore, avec une capacité installée de 10,4 GW en 2020, suivi par l’Allemagne (7,7 GW) et la Chine (6,8 GW) (source : WindEurope).

En termes de part de la production d’électricité, l’énergie éolienne représentait environ 6,1 % de la production mondiale d’électricité en 2020 (source : BP Statistical Review of World Energy 2021). La croissance de l’énergie éolienne devrait se poursuivre dans les années à venir, grâce aux politiques de soutien et aux efforts déployés pour atteindre les objectifs climatiques internationaux.