Dossier Énergies renouvelables
Éolien

« Le vent est un sous-produit solaire, environ 25% de l’énergie solaire reçue par la Terre sont convertis dans les cycles hydrologiques dont les vents mais aussi l’hydraulique, la houle et les courants de circulation thermohaline. L’énergie éolienne représente une ressource énergétique primaire énorme ». En France pour la production d’électricité, « les potentiels techniques terrestre et offshore [selon l’AIE] sont estimés respectivement à 5 300 et 1 900 TWh (hors technologies flottantes), pour comparaison, la production brute de l’ensemble des pays de l’UE28 était de 3 300 TWh en 2018 » [35].


Éolienne d’Ouessant, 1980
Photo Michel Thevenet

Pionnier dans l’éolien avec la machine de Nogent-le-Roi en 1955 puis quelques années plus tard celle de Saint Rémy-des-Landes (1 MW), la France ne poursuivra pas sur sa lancée et abandonnera l’éolien en 1966. Cependant, dix années plus tard, à travers la délégation aux énergie nouvelles, le Gouvernement demanda à EDF d’installer une éolienne de 100 kW sur l’île d’Ouessant. L’entreprise publique trainera des pieds en mettant près de quatre ans pour faire tourner la machine correctement. Cela ne dura que neuf mois... « Une erreur de calcul des ingénieurs » d’EDF dans « le système d’attache des pales » provoqua la casse de l’éolienne comme on peut le voir dans la photo ci-contre. Le journal Le Monde titra : « L'éolienne d'Oues-sant victime du bricolage » [36], ou de sabotage ?

En 1978, le Danemark installe une éolienne de 2 MW et les États-Unis créent le premier parc éolien (400 MW) dans les années 1980. « Les nombreuses réalisations expérimentales (notamment en Californie) et leurs avatars permirent de perfectionner les turbines, les systèmes de freinage d’urgence, les pylônes et les divers dispositifs de contrôle et d’obtenir des aérogénérateurs viables et compétitifs à la fin du XXème siècle.

Diverses solutions de turbines furent explorées, notamment celles à axe vertical connue sous le nom de Darrieus (leur inventeur), mais ne subsistent aujourd’hui pratiquement plus que des machines à axe horizontal à 2 ou 3 pales » [37]. Ce que les brillants ingénieurs d’EDF n’avaient pas été capables de réaliser, le fut par des étudiants danois...

« Dans les années 1990, des machines de plus grandes puissances furent conçues puis déployées en Europe du nord. Depuis, le diamètre des turbines et la puissance nominale des éoliennes n’ont cessé de croître car les effets d’échelle sont très favorables à l’accroissement de l’efficacité des éoliennes et à la baisse des coûts de production » [35].

Le facteur de charge est ainsi passé de 20% pour une turbine de 2,3 MWe à 40% pour une machine de 3 MWe.


Éolien terrestre - Évolutions du facteur de charge, 1980
Parc éolien de Tout-Vent (Charente-Maritime)

La France a pris le train de l’éolien en marche et accuse toujours un retard dans le domaine malgré un potentiel de vent important tant dans le développement d’un parc de production que dans la puissance des machines.

« En ce qui concerne l’évolution des caractéristiques des machines, la hauteur moyenne des mâts installés en France a continuellement augmenté au cours des dernières années, passant de 50 mètres au début des années 2000 à 90 mètres en moyenne aujourd’hui. Le diamètre du rotor est également en augmentation, d’une part en raison d’une meilleure maîtrise des matériaux, d’autre part afin de pouvoir exploiter une plus grande variété de sites. Cette évolution de la hauteur du mât et du diamètre du rotor ont conduit à une augmentation de la puissance des machines et de leur production. Ainsi les éoliennes installées en France sont passées d’une puissance moyenne de 1 MW dans la première partie des années 2000 à 2,4 MW en 2017.

Plusieurs modèles de turbines actuellement commercialisées dépassent les 3 MW unitaires » [38].

Le parc éolien français, avec 17 616 MWe de puissance installée, a produit une énergie de 39,7 TWh en 2020 selon RTE [39], soit l’équivalent de la production annuelle d’environ 7 tranches de 900 MWe. Le parc éolien allemand avec 141 TWh en 2020 [40] représente l’équivalent de la production de 25 réacteurs 900... Il est vrai que l’Allemagne possède plus de 29 000 éoliennes dont 1500 en mer (7,8 GWe de puissance installée [40]) alors que nous n’en comptons qu’une dans les eaux française (pour 2 MW !), un prototype flottant installé en 2018. Les anglais ne sont pas en reste avec près de 2300 turbines offshore. Le graphique ci-dessous montre le retard de la France dans l’éolien en mer.


Puissance annuelle cumulée par pays de l’éolien en mer (MW)
connaissancedesenergies.org/windeurope-annual-offshore

« L’éolien en mer est le domaine où le développement de la puissance des machines est le plus spectaculaire. Depuis les premières éoliennes, la puissance a été multipliée par un facteur 80 ! Une partie des futurs parcs éoliens en mer français utiliseront des machines d’une puissance unitaire de 8 MW » [38]

Aujourd’hui en 2021, la puissance des éoliennes les plus récentes comme Halliade-X « avec sa capacité de 14 MW et un facteur de capacité de 64%, est la toute dernière-née du constructeur américain, qui envisage de l'installer au Royaume-Uni et sur deux autres sites en mer aux États-Unis. (...) Au mois de mai 2020, Siemens Gamesa avait ainsi triomphalement annoncé avoir construit l'éolienne la plus grande du monde, d'une capacité de 15 MW et dotée d'un rotor de 222 mètres de diamètre. « Nous disposons déjà de la technologie permettant de passer à une taille supérieure », assure Morten Pilgaard Rasmussen, le directeur de la technologie offshore chez Siemens » [41]. Plus la puissance de l’éolienne augmente, plus le, facteur de charge est important. Dans la course à la plus grosse machine, la Chine vient de sortir une turbine de 16 MWe qui pourrait produire annuellement 80 GWh [42], ce qui correspondrait à un facteur de capacité de 57%.

En France l’éolien en mer peine à se développer : aucune éolienne posée sur fond marin et deux éoliennes flottantes en Bretagne comme l’éolienne flottante de 2 MW installée au large du Croisic. Les objectifs gouvernementaux « d’atteindre une capacité installée d’éolien en mer, posé et flottant, de 2,4 GW en 2023 et environ 5 GW en 2028 » [43] risque d’être difficile à tenir même si plusieurs projets sont engagés.

« Trois parcs éoliens en mer français sont désormais en cours de construction. Les travaux du parc de Saint-Nazaire organisés à l’été et l’automne 2020 ont permis la pose des deux câbles qui relieront le parc à la côte, tandis que la production de la sous-station électrique est en cours à Saint-Nazaire.

Près d’un quart des nacelles ont d’ores et déjà été produites, ainsi que la moitié des fondations. Quant aux travaux d’aménagement du port de Saint-Nazaire pour accueillir le hub logistique, ils sont désormais finali-sés. Les travaux de raccordement pour le parc éolien en mer de Fécamp ont également débuté à l’été 2020, tout comme la production des fondations gravitaires sur le port du Havre.

Enfin, le lancement de la construction du parc de Saint-Brieuc en juin 2020 a notamment permis d’engager les activités de pré-assemblage des fondations des éoliennes du parc, désormais en cours sur le quai dédié aux Énergies Marines Renouvelables (EMR) du port de Brest » (selon RTE au 31 décembre 2020 [39]).

Citons aussi les parcs éoliens de Courseulles-sur-Mer (mise en service prévue pour 2024), mais aussi Noirmoutier, Le Tréport, Dunkerque. De plus « l’ouverture d’une nouvelle procédure d’attribution a été réalisée autour de l’Île d’Oléron, [et] au large du Cotentin, pour un futur parc de 1 GW » [44] portant ainsi à neuf le nombre de parcs éoliens offshore en construction ou en projet. Pour plus de détails, voir la cartographie des zones d’installation d’éoliennes en mer pour les sept premiers parcs.

Une étude récente pourrait révolutionner le secteur de l’éolien avec l’apparition de turbines verticales « plus compactes et plus efficaces » selon Enerzine : « Les parcs éoliens modernes sont l’un des moyens les plus efficaces de produire de l’énergie verte, mais ils présentent un défaut majeur : lorsque le vent s’approche de la première rangée de turbines, des turbulences sont générées en aval. Ces turbulences nuisent à la performance des rangées suivantes. En d’autres termes, la rangée avant convertira environ la moitié de l’énergie cinétique du vent en électricité, alors que pour la rangée arrière, ce chiffre tombe à 25-30% » [45].

Évaluation des besoins de quelques-uns des matériaux essentiels
Valeurs ramenées aux consommations annuelles
(tous usages confondus, origines minière et recyclage) de 2018
Matériaux Besoins ferme de référence 50 MW Consommation mondiale annuelle 2018 (mines et recyclage) Besoins pour 50 GW/an et % de la consommation. 2018 Besoins pour 200 GW/an et % de la consommation. 2018 Réserves minières mondiales Ressources minières mondiales
Béton 23 kt 50 Gt 23 Mt – 0,05% 92 Mt – 0,2% ---- ---
Acier et fer 6 kt 1,6 Gt 6 Mt – 0,37% 24 Mt – 1,5% 50 Gt 230 Gt
Fibre de verre 370 t 6 Mt ?? 370 kt – 6% 1,5 Mt – 24% --- ---
Aluminium 170 t 75 Mt 170 kt - 680 kt - 0,9% 7,5 Gt 18 Gt
Cuivre 87 t 24 Mt 87 kt 350 kt – 1,5% 790 Mt 2,1 Gt
Du côté de la criticité des matières premières nécessaires pour le développement de l’éolien à grande échelle, Encyclopédie Énergie nous donne « quelques ordres de grandeurs des quantités de matériaux nécessaires, et surtout de les relativiser par rapport aux consommations actuelles, on peut exploiter l'exemple de cette ferme éolienne en le transposant simplement à un contexte de contribution très significative de l’éolien à la transition énergétique mondiale, soit les 200 GW/an mentionnés plus haut. Une telle capacité correspond ainsi à l’équivalent de 4 000 installations de 50 MW. Les besoins annuels de matériaux (hors considérations de leur indispensable recyclage) peuvent ainsi être estimés pour un rythme annuel de 50 GW (l’actuel) et de 200 GW (possible futur) et être mis en parallèle avec la consommation annuelle mondiale (2018), tous usages confondus, face aux réserves et ressources mondiales (Tableau ci-dessus) » [46].


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Moyens de production d’EnR en France
Électrique et thermique