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)
|
8
|
10
|
12
|
14
|
16
|
18
|
20
|
22
|
|
Pour info : en Km/h
|
20,8
|
36
|
43,2
|
50,4
|
57,6
|
64,8
|
72
|
79,2
|
|
Pour info : en noeuds
|
15,6
|
19,4
|
23,4
|
27,2
|
31,1
|
35
|
38,9
|
42,8
|
|
Pour info : en Beaufort
|
4
|
5
|
6
|
7
|
7
|
8
|
8
|
9
|
|
Puissance délivrée (kW)
|
30
|
60
|
115
|
175
|
180
|
172
|
168
|
165
|
Voici, pour une autre éolienne (Jeumont 750 kW) la courbe de puissance délivrée en fonction de la vitesse du vent
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.
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.
Distribution des vents à l'Ile de Batz (Bretagne Nord).
Distribution des vents au Cap Camarrat (Littoral méditerranéen).
En conséquence des vents qui sont rarement optimum, la puissance instantannée délivrée est souvent loin du maximum, et surtout varie très rapidement.
Puissance moyenne sur 10 minutes délivrée par une "ferme" éolienne de 10 MW de puissance nominale (située en Grande-Bretagne), au cours du mois de janvier 1997
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.
Pays
puissance installée en MW
production en 2002 (Twh)
|
Pays
|
Puissance installée
en 2001
|
Puissance installée
en 2002
|
Production en 2002
en TWh
|
Equivalent heures
à pleine puissance
|
|
Allemagne
|
8 754
|
12 001
|
19,4
|
1 869
|
|
Espagne
|
3 337
|
4 830
|
7,66
|
1 875
|
|
Danemark
|
2 417
|
2 889
|
5,92
|
2 231
|
|
Italie
|
697
|
785
|
1,47
|
1 983
|
|
Pays-Bas
|
493
|
688
|
1,2
|
2 032
|
|
Royaume-Uni
|
474
|
552
|
1,48
|
2 884
|
|
Suède
|
293
|
328
|
0,62
|
1 996
|
|
Grèce
|
272
|
276
|
0,68
|
2 481
|
|
Portugal
|
125
|
179
|
0,31
|
2 039
|
|
France (y/c DOM)
|
94
|
153
|
0,29
|
2 348
|
|
Autriche
|
83
|
139
|
0,25
|
2 252
|
|
Irlande
|
125
|
138
|
0,33
|
2 509
|
|
Belgique
|
32
|
44
|
0,05
|
1 315
|
|
Finlande
|
39
|
41
|
0,08
|
2 000
|
|
Luxembourg
|
15
|
16
|
0,03
|
1 935
|
|
Total Union Eur.
|
17 250
|
23 059
|
39,77
|
1 973
|
Ce tableau représente, pour un certain nombre de pays d'Europe, le nombre d'heures "équivalent pleine puissance", estimée en supposant que la puissance moyenne
installée sur l'année est la médiane des puissances début 2001 et début 2002. On constate que la valeur moyenne, pour l'Europe, est très légèrement inférieure à 2000 "heures équivalent pleine
puissance".
Source Obser'ver
Ainsi une éolienne de 1 MW de puissance nominale fournira, en moyenne, 2 GW.h (soit 1 x 2000) sur l'année. Ainsi que le tableau ci-dessus le confirme, 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 qu'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 cogénération (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). Cela 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.
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 la 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 attient qu'en de rares endroits ventés
abondamment et régulièrement.
Puissance moyenne du vent selon les zones, en W pour un m2 de section verticale prise à 50 m du sol (perpendiculairement au sens du vent, bien sûr !). Source
ADEME
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.
La lecture de cette carte montre déjà que, 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.
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 puisance 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 de savoir 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.....
Source site de www.manicore.com
jean-marc@manicore.com