Énergie éolienne - Définition

Quelques ordres de grandeur et comparatif succinct des modes de production

• La puissance d’un outil de production d’électricité se mesure en GW (gigawatt) et son multiple par 1000, le TW (térawatt). La production d’électricité (l'énergie produite) se mesure en GWh (gigawatt-heure) et en TWh (térawattheure).

• Comme presque toutes les énergies renouvelables (exceptées les énergies géothermique et marémotrice), l’énergie éolienne est une forme indirecte de l’énergie solaire. Or, la Terre reçoit en 30 minutes l’équivalent en énergie solaire de la consommation annuelle de l’humanité, tous types d’énergies confondus. De 1 à 2 % de cette énergie provenant du soleil est convertie en vent, soit 50 à 100 fois plus que l’énergie convertie en biomasse par la photosynthèse.
• Une éolienne de 2 MW fonctionnant à pleine puissance pendant 1/4 de l’année produit 4 à 5 millions de kWh, soit l’électricité domestique consommée par 4 000 personnes en moyenne (hors chauffage). Une éolienne 5MW offshore produit plus de 15 GWh par an, soit de quoi alimenter 10000 voitures électriques standards (type Renault Mégane 100% électrique) qui parcourent chacune 10000km par an.
• En 2007, l’Allemagne disposait de 22,3 GW de puissance éolienne installée, les États-Unis 16,8 GW, l’Espagne 15,1 GW, l’Inde 8 GW, la Chine 6,1 GW et la France 2,4 GW (uniquement à terre). En 2008, les États-Unis sont devenus le premier pays pour la capacité d’énergie éolienne avec 25 170 MW installés devant l’Allemagne (23 902 MW). Ce secteur emploie 85 000 Américains.

• En France, le potentiel éolien est très important (le 2^e d’Europe) : 20 GW terrestres pour une production de 50 TWh par an, et 40 GW offshore pour une production de 150 TWh par an, soit un potentiel éolien théorique de 200 TWh par an. S’il était disponible en 2040, il représenterait alors 31 % de la consommation française prévisible d’électricité. Cette production de 200 TWh/an se répartirait ainsi : 8000 éoliennes offshore de 5 MW sur 40 grandes centrales installées entre 15 et 40 km de la côte, à des profondeurs maximales d’eau de 200 m ; 8000 éoliennes terrestres de 3 MW, soit moins du quart du nombre de pylônes très haute tension (400 kV) installés en France (qui mesurent 50 à 55 m de haut - et jusqu’à 100 m dans les zones vallonnées, contre 80 à 100 m pour les mâts des grandes éoliennes).

Éolienne au premier plan d'une centrale thermique à Amsterdam, Pays-Bas

(chiffres de 2006)

Éléments comparatifs sur la puissance

• un aérogénérateur : de quelques kW jusqu'à 6 MW ; la plupart des grandes éoliennes installées aujourd'hui en France ont une puissance de 1 à 3 MW. En général, elles sont rassemblées en fermes éoliennes de 6 à 210 MW.
• une centrale thermique à flamme : 120 à 720 MW (en France)
• une centrale solaire photovoltaïque : de quelques centaines de watts à 20 MW (record 20 MW : centrale solaire de Beneixama en Espagne)
• une centrale solaire thermodynamique : de 2 à 350 MW (record : 354 MW avec la centrale de Luz Solar Energy dans le désert de Mojave en Californie, États-Unis)
• une centrale hydro-électrique : de quelques kW à 3 000 MW (record : 32 turbines de 700 MW soit 22 400 MW au Barrage des Trois-Gorges en Chine)
• un réacteur nucléaire : de l'ordre de 900 à 1 300 MW en général (record : 1 550 MW à la centrale nucléaire de Civaux au sud de Poitiers) .

Éléments comparatifs sur la production

La puissance est représentative du pic de production possible, mais l'énergie produite va dépendre de la durée de fonctionnement effective (le facteur de charge), qui pour l'énergie éolienne dépend de la météorologie. Ce paramètre est économiquement très important, car le montant d'investissement (donc le montant des frais financier) dépend de la puissance maximale installé, il est donc important de maximiser son utilisation.

• Le solaire photovoltaïque produit environ entre 1000 et 1 200 MWh par MW de puissance installée en France, cela peut monter à 2 000 MWh par MW dans les meilleurs (et rares) sites européens. Cette productivité varie selon l'ensoleillement du lieu et non pas en fonction du rendement des installations. Les chiffres annuels de production solaire photovoltaïque annoncés par différents pays montrent des cas extrêmes : en Allemagne ils sont de 574 MWh par MW (équivalent à 574 heures à pleine puissance sur 8760 d'une année, soit 6,5% du temps), et en Californie de 1 458 MWh par MW (équivalent à 1458 heures à pleine puissance, soit 16,6% du temps).
• Une éolienne a, en moyenne, une production équivalente à un peu moins de de 2000 heures à pleine puissance (voir infra).
• Une tranche nucléaire de 1 000 MW de puissance électrique peut délivrer, en l'absence d'incident et dans le cadre d'un fonctionnement en base, environ 8 000 GWh par an, soit 8000 heures à pleine puissance, chiffre théorique dont on se rapproche à environ 95 % en France lorsque la centrale fonctionne en base. Cependant il est compliqué de réduire la production d'une centrale et si elle excède la consommation, il faut la jeter ou la stocker, ce qui, en France, est réalisé grâce à des stations de pompage-turbinage ("STEP") ; dans ce cadre les centrales ont des facteurs de charge de l'ordre de 80 %, correspondant à une production annuelle de 6 600 MWh par tranche de 1 MW électrique, soit 6600 heures à pleine puissance.
• Les centrales à combustible fossile (charbon, fioul, gaz) peuvent également assurer une production de fond dite « de base », et dans ce cadre leur taux de disponibilité est comparable à celui du nucléaire. Le coût de production d'un kWh d'origine thermique est supérieur à celui d'un kWh d'origine nucléaire, et contrairement à une centrale nucléaire une centrale thermique se démarre et s'arrête très rapidement (notamment lorsqu'elle fonctionne au gaz), ce qui explique l'utilisation du nucléaire comme fournisseur de base quand il est disponible (comme en France) ; dans ce cas, les centrales thermiques sont utilisée pour ajuster la production à la demande, leur durée de fonctionnement n'est pas fixé par leur caractéristiques mais par la demande.

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.

Quelques initiatives font penser que le petit éolien, c'est-à-dire l'éolien individuel, pourrait bientôt se développer en devenant compétitif et discret ; même en ville .

Énergie éolienne dans le réseau électrique français

Le gestionnaire du réseau électrique français (RTE), estime que l'intégration de l'électricité éolienne dans le réseau actuel est possible sans difficultés majeures à hauteur de 10 à 15 GW, en particulier grâce à la présence en France de 3 gisements de vent indépendants, qui permettront un lissage de la production bien meilleur qu'en Allemagne ou au Danemark.

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. On note également l'existence d'un projet, non encore réalisé, visant à intégrer des éoliennes de type Darrieus dans les pylônes électriques : le projet Wind'It.

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, quelle que soit la vitesse du vent. Cette fréquence constante peut passer par une vitesse de rotation constante des pales. Cette dernière est alors obtenue par régulation notamment avec l'orientation des pales. Mais il est également possible de faire fonctionner une éolienne à vitesse de rotation variable en utilisant un convertisseur de fréquence tel qu'un cycloconvertisseur.

Dans le cas d'une éolienne synchrone, 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, elle est donc automatiquement déconnectée du réseau.

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. Certaines éoliennes récentes continuent à tourner mais à vitesse réduite, diminuant ainsi le nombre de déconnexions du réseau et augmentant la production moyenne par vent fort.

La loi française oblige EDF à acheter le courant produit par tout système de production d'électricité, avec un prix d'achat bonifié pour l'éolien (sauf pour les éoliennes de plus de 12 MW), pour favoriser cette jeune filière en plein développement et permettre à la France d'atteindre les objectifs de la directive européenne.

Le 4 mars 2009, un décret a adapté le dispositif des certificats d'achat aux « zones de développement de l'éolien ». Ces certificats (CODOA) ouvrent droit à l'obligation d'achat d'électricité aux installations éoliennes en « zones de développement de l'éolien » ou ZDE ; Le Codoa impliquait antérieurement une puissance inférieure ou égale à 12 MW (limite fixée décret 2000-1196 du 6 décembre 2000) et une distance d'au moins 1,500 m entre deux parcs éoliens exploités par un même opérateur). En ZDE, ces limites de puissance et de distance n'ont plus d'objet puisque la puissance minimale et maximale y sont fixées par l'arrêté préfectoral de création de la ZDE. Le préfet devra publier au plus tard le 1^er février de chaque année un état des ZDE du département faisant apparaître notamment la puissance résiduelle de chaque zone pouvant encore ouvrir droit à obligation d'achat. le CODOA n'est valable que pour la durée du contrat d'achat d'électricité et est annulé si l'installation n'a pas été mise en service (sauf prolongation sur demande justifiée). En cas de recours contentieux contre l'une des autorisations nécessaires à la construction et à l'exploitation de l'installation, le délai de trois ans est suspendu jusqu'au prononcé d'une décision juridictionnelle irrévocable.
Rem : Le Codoa n'est pas nécessaire pour toute personne demandant à bénéficier de l'obligation d'achat d'électricité photovoltaïque par unité d'une puissance installée inférieure ou égale à 250 kW crête.