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Énergies renouvelables = propres ? Les éoliennes

Cet article est la partie 2 sur 2 de la série Les énergies renouvelables = Propres ? Non !

Les éoliennes

L’éolienne est une hélice entraînée par le vent. Le diamètre de l’hélice peut varier de moins d’un mètre (éoliennes domestiques ou embarquées sur les voiliers), à plusieurs dizaines de mètres (parc d’éoliennes).

Comment ça marche

CC Wikipédia

Le vent vient frapper les pales d’une hélice. La géométrie de ces pales, similaire au profil des ailes d’avion, créé une portance, c’est à dire une force capable d’entraîner l’hélice en rotation. Celle-ci entraîne à son tour un arbre auquel on a couplé un multiplicateur (une série d’engrenages destinés à accélérer la rotation). En sortie de multiplicateur, un autre arbre récupère le mouvement accéléré pour entraîner un alternateur (des aimants qui tournent au milieu de bobines électriques). La rotation des aimants dans les bobines créé un courant électrique. Plus les pales sont grandes, plus on dispose de couple mécanique, plus on peut accélérer le mouvement dans le multiplicateur, donc plus on peut produire de puissance électrique.

Les avantages

  • il est possible de dimensionner précisément l’éolienne en fonction des besoins (micro-éolien individuel ou parcs d’éoliennes),
  • les vents les plus forts étant rencontrés en hiver, l’éolienne produit son maximum d’énergie au moment où l’on en a le plus besoin.

Les limites

Infra-sons

Les frottements solides engendrés par les roulements des éoliennes produisent des sons en basse fréquence qui sont transmis au mât. Dans le cas des éoliennes installées off-shore en mer, ces fréquence perturbent les organismes marins de façon importantes car l’eau est un milieu très propice pour la propagation des ondes sonores (le son se propage 4,5 plus vite dans l’eau salée que dans l’air) (source).

Aimants

Le principe de l’alternateur repose toujours sur un dispositif magnétique (aimants permanents) mis en rotation dans plusieurs bobines. Aujourd’hui, tous les aimants industriels requérant des champs magnétiques importants sont au néodyme, un élément chimique appartenant à la famille des terres rares.

Or le néodyme est présent en quantité infime dans la croûte terrestre : 24 parties par millions seulement (source). Le premier fournisseur mondial est la Chine, qui possède les deux mines les plus productives (en Mongolie intérieure et dans la province de Sichuan), et produit 96 à 97 % de la production mondiale de néodyme, suivant les années. Or la conception chinoise de l’extraction minière viole à peu près tous les concepts de base de l’écologie, avec une destruction totale de l’écosystème environnant, par déforestation et par pollution aux métaux lourds et à la radioactivité (source). De plus, elles sont considérées comme les mines les plus dangereuses au monde.

La conséquence logique est que le fameux “bilan carbone” global de tout système contenant des terres rares (dont toute l’électronique) est lourdement grévé par leur procédé d’extraction. Et ce n’est pas parce que ça ne se passe pas chez nous qu’il faut le négliger.

Rendement

Les plus grosses éoliennes en production à l’heure actuelle génèrent une puissance de 6,6 MW. À titre de comparaison, un ordinateur tire jusqu’à 120 W, un four 2 kW, et le chauffage d’une habitation de 100 m2 peu isolée de l’ordre de 20 kW.

Le problème d’une éolienne est que sa puissance nominale (le fameux 6,6 MW) n’est quasiment jamais la puissance effectivement produite. En effet, la puissance nominale est calculée dans des conditions particulières, où l’efficacité du système est maximale.

Copyright eolienne.f4jr.org

Le graphe ci-dessus montre l’évolution de la puissance électrique pour une petite éolienne en fonction de la vitesse du vent. On constate que la plage d’efficacité maximale est assez étroite, entre 14 et 17m/s (38 à 47 km/h). On observe également que sous 5m/s (14km/h), aucun courant n’est produit, ce qui signifie que la force exercée par le vent sur les pales n’est pas suffisante pour vaincre l’inertie mécanique du système et entraîner l’hélice en rotation. À 25 m/s (69 km/h), l’éolienne est stoppée considérant que l’échauffement des paliers mécaniques et/ou la surtension engendrées seraient dommageables. (source)

Le vent étant pas nature fluctuant et non maîtrisable, les performances énergétiques d’une éolienne sont donc la plupart du temps très en dessous de la puissance nominale.

Impact sur l’aérologie

Une règle de base en thermodynamique nous enseigne que l’énergie n’est jamais “gratuite” : on ne créée pas d’énergie, on la prend quelque part. L’éolienne récupère l’énergie cinétique (dûe à la vitesse) d’un flux d’air : le vent. D’une part, la réduction de la vitesse du vent altère localement les propriétés thermodynamique de l’air (conductivité thermique notamment), donc modifie la température locale, d’autre part les turbulences générées perturbent les échanges verticaux de chaleur et d’humidité, entre les couches basses et moyennes de l’atmosphère. (source) Une étude récente du MIT (2010), par simulation numérique, conclue que la température moyenne locale à proximité des parcs éoliens pourrait augmenter de 1°C (source).

Bilan

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Bien que très intéressantes énergétiquement, parce qu’adaptables à des utilisations à plusieurs échelles, les éoliennes ne sont pas si propres qu’il n’y paraît. Surtout dès qu’on commence à regarder leur bilan énergétique global.

De plus, les éoliennes ne sont pas neutres pour leur environnement : en dehors de l’aspect visuel et de l’espace occupé, les parcs éoliens modifient l’aérologie locale, dans des proportions certes modestes (moins qu’une zone urbaine, par exemple), mais tout de même notables.

En outre, la production énergétique des éoliennes est assez faible, compte tenu de l’espace au sol requis, et surtout fluctuante (dépendante de la météo). Les éoliennes sont envisageables en tant que source d’énergie d’appoint, intégrées dans l’architecture comme sur le Bahrein World Trade Center, mais les fermes d’éoliennes sont d’après moi des inepties : la surface occupée, mise en relation avec les faibles puissances électriques générées et aléatoires, n’est pas favorable. Enfin, il n’est pas toujours possible d’aller implanter des éoliennes là où les vents sont les plus forts (au large) car les lignes électriques de grande longueur génèrent des pertes de puissance importantes.

Edit : Concernant l’espace au sol requis, les éoliennes de grande taille ne peuvent pas être collées les unes aux autres et doivent être disposées avec un espace minimal entre elles, en raison des turbulences qu’elles génèrent. En clair, on ne peut pas concentrer les éoliennes. Ainsi, sur une ferme d’éoliennes, si l’on ramène la puissance installée à la superficie totale occupée, la densité d’énergie est faible, et l’espace au sol occupé est donc très grand pour la quantité d’énergie produite.

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15 réflexions sur “ Énergies renouvelables = propres ? Les éoliennes ”

  1. La source du paragraphe sur les ultrason ne dis pas vraiment la même chose, juste que des études sont en cours. Par contre elle parle de perturbation de l’écosystème importantes pendant la phase d’installation.

    J’ai appris des choses inintéressante dans cet article (sur l’utilisation du néodyme) mais vous sautez un peu vite sur la conclusion, l’énergie est en effet fluctuante mais le rapport a l’espace au sol ne veut pas dire grand chose; avoir une éolienne dans un champs n’empêche pas d’y faire pousser des patates…

    1. Concernant la source que j’ai mentionné sur les infrasons, elle cite notamment le chercheur Michel André, directeur du Laboratoire d’application bioacoustique (LAB) de l’Université Polytechnique de Catalogne, qui dit ceci :

      Pendant la phase de fonctionnement, si les sons émis par les pales et les turbines ne sont pas mortels pour les mammifères marins, les sons qui se propagent dans l’eau et à travers le sol peuvent masquer les signaux que les animaux émettent pour naviguer, s’orienter, communiquer entre eux. Les fréquences les plus dangereuses sont les basses fréquences qui se propagent loin. Elles peuvent avoir des effets chroniques sur la santé des animaux et cela dans un rayon de plusieurs dizaines de kilomètres autour de l’éolienne.

      Pour ce qui est de ma conclusion et de l’espace au sol, je n’ai pas été très clair. Oui on peut cultiver des patates au pied des éoliennes. Mais les éoliennes de grande taille ne peuvent pas être collées les unes aux autres et doivent être disposées avec un espace minimal entre elles, en raison des turbulences qu’elles génèrent. Ainsi, sur une ferme d’éoliennes, si vous ramenez la puissance installée à la superficie totale occupée, la densité d’énergie est assez (voire très) faible, et l’espace au sol occupé est donc assez grand pour la quantité d’énergie produite.

      1. Oups, des infrason en effet.

        Ce que je voulais noter, c’est que Michel André parle d’une possibilité “Elles peuvent avoir des effets chroniques sur la santé des animaux” qui n’est pas exactement la même chose que “ces fréquence perturbent les organismes marins de façon importantes” et le fait que la seule étude cité dans l’article n’as pas encore apportée de conclusion a la date de rédaction (2010), notamment dans quelle mesure les éoliennes perturbent les mammifères marin.

        Je n’ai pas réussi a trouver cette étude qui est peut être terminée depuis ou une autre qui apporte quelques précision la dessus.

  2. Petite coquille :
    On clair, on ne peut pas concentrer les éoliennes.
    En clair non ?

    Merci pour le billet, j’attends la suite avec impatience.

  3. coquille: “Le vent étant paR nature fluctuant et non maîtrisable”

    en tant qu’étudiant en énergie renouvelable, j’ai hâte de voir la suite …

  4. Hello,

    Saviez-vous que des constructeurs d’éoliennes proposent des machines sans néodyme ? Car outre les pb environnementaux, s’en affranchir permet de réduire les coût, les pb d’approvisionnement et de dépendance par rapport aux pays producteurs.

    Concernant le rendement : non le vent ne souffle pas le tout le temps à un endroit, mais la France est soumise à 3 régimes de vents principaux. Si certains parcs ne tournent pas un jour, d’autres fonctionnent, etc… C’est un des avantages d’une production décentralisée.

    Pour la modification de l’aérologie locale je préfère en rire.
    Avez-vous bien lu l’article dont vous faites référence ? http://www.pnas.org/content/101/46/16115.full
    Il conclue entre autre que la modification du climat par les éoliennes est négligeable.
    Et que dire dans ces cas là d’un aéroport ? d’une ligne LGV ? d’une ville ? du dégagement de vapeur d’eau d’une centrale nucléaire ? Des rejets d’un élevage agricole ? A la limite peut-être que si on ne fait rien on ne modifiera rien.

    Concernant le rendement : vous parlez d’éolienne de 6,6MW mais affichez la courbe d’une de 750kW.
    http://www.heberger-image.fr/data/images/45931_e126.png
    L’intérêt d’une puissance nominale importante permet d’avoir une courbe de puissance plus importante à toutes les vitesses de vent. Exemple donc avec mon lien du dessus : 4MW à 10m/s. Ce n’est pas parce qu’une éolienne n’atteint pas h24 sa puissance maximale qu’elle est inefficace. Je vous rappelle que le rendement d’une centrale électrique est de 33% env.

    Alors oui tout n’est peut-être pas parfait encore, mais la technologie des éoliennes fait des progrès incroyable d’année en année. Je veux bien croire que les politiques vivent déconnectées des réalités scientifiques, mais dans le même temps les constructeurs éoliens emploient certains des meilleurs ingénieurs en mécanique, aérodynamisme, etc…

    Si l’on ne produira pas 100% de notre électricité avec l’énergie éolienne dans les années à venir, ça fait partie d’une des solutions à mettre en place pour produire plus proprement notre énergie.

    1. Joli ramassis de conneries, je vous adresse mes félicitations !

      Par quoi commencer ?…

      Saviez-vous que des constructeurs d’éoliennes proposent des machines sans néodyme ?

      Non, bien sûr, je suis idiot. L’avantage du néodyme, c’est qu’à aimantation égale, on peut utiliser une masse très inférieure (5 fois) que ce qu’il est nécessaire d’utiliser avec un aimant en ferrite traditionnel (voir http://www.supermagnete.de/fre/faq/Devrais-je-acheter-un-aimant-en-ferrite-ou-un-aimant-en-neodyme). La masse étant située au niveau du rotor, donc en mouvement, on diminue alors l’inertie mécanique du système, les frottements mécaniques et surtout la vitesse de vent d’activation de l’éolienne. Les industriels doivent donc choisir entre un système efficace mécaniquement mais peu propre, ou plus propre mais avec des pertes énergétiques superflues. Remarque débile donc car la raison d’être de cet article est précisément de montrer qu’il n’y a pas de bonne solution.

      C’est un des avantages d’une production décentralisée.

      Les pertes en lignes, ça vous évoque quoi ? L’énergie ne peut pas être transportée à plus de quelques centaines de kilomètres de là où elle est produite, car au delà de quelques dizaines de kilomètres, la résistance intrinsèque des câbles de transport de l’électricité commence à générer des pertes de puissance importantes par effet Joule. Avoir des éoliennes en production au Havre ne sert qu’à la région du Havre, et le reste de la France s’en moque. On ne peut pas compenser l’arrêt d’un parc éolien par l’activité d’un autre parc éolien ailleurs, à moins qu’il ne soit pas trop éloigné du premier, auquel cas il a de bonnes chances d’être lui aussi en panne de vent…

      Pour la modification de l’aérologie locale je préfère en rire.
      Avez-vous bien lu l’article dont vous faites référence ? http://www.pnas.org/content/101/46/16115.full
      Il conclue entre autre que la modification du climat par les éoliennes est négligeable.

      Et c’est pas ce que j’ai indiqué dans mon article ? Quand je parle de proportions modestes en conclusion ? De +1 °C sur la température moyenne locale ? C’est quelle phrase que vous n’avez pas lue/pas comprise ?

      Concernant le rendement : vous parlez d’éolienne de 6,6MW mais affichez la courbe d’une de 750kW.

      Et alors ? J’ai bien indiqué que la courbe que je présentais était celle d’une petite éolienne, il s’agit d’une explication de principe, qui reste valable en grande puissance.

      Ce n’est pas parce qu’une éolienne n’atteint pas h24 sa puissance maximale qu’elle est inefficace.

      Ah. J’ai écrit ça où ? Je ne me souviens que d’avoir écrit que la puissance écrite sur le bon de commande est rarement celle réellement atteinte.

      L’intérêt d’une puissance nominale importante permet d’avoir une courbe de puissance plus importante à toutes les vitesses de vent.

      Cette phrase de veut rien dire. Si vous avez fait de l’électrotechnique de puissance dans votre vie, vous devez savoir que l’évolution de la courbe de puissance n’est pas proportionnelle à la puissance nominale, puisque celle-ci correspond au pic de cette courbe.

      Je vous rappelle que le rendement d’une centrale électrique est de 33% env.

      Centrale électrique au gaz ? Au nucléaire ? Au charbon ? D’où sort ce chiffre ?

      Alors oui tout n’est peut-être pas parfait encore, mais la technologie des éoliennes fait des progrès incroyable d’année en année. Je veux bien croire que les politiques vivent déconnectées des réalités scientifiques, mais dans le même temps les constructeurs éoliens emploient certains des meilleurs ingénieurs en mécanique, aérodynamisme, etc…

      Vous êtes mignon. Pour info, les éoliennes de 6,6 MW, je les ai vu en construction à l’usine sous mon bureau, parce que oui, j’ai travaillé en recherche et développement chez un constructeur d’alternateurs d’éoliennes, avec les ingénieurs dont vous parlez.

      En revanche, vous, vous semblez connaître les éoliennes uniquement par ce qu’on vous en a dit. Raccourcis, lieux communs, mauvaise foi… Vous êtes un marrant !

      Pas contre, vous n’êtes pas obligé de revenir ici.

  5. Je découvre votre article par l’intermédiaire du Shaarli de Timo (http://lehollandaisvolant.net/) et pour le coup c’est un bon article :) !

    Votre avis est-il le même concernant les éoliennes à axe vertical ou de type Darrieus ?

    Une question que je me pose aussi, y’a-t-il des données sur la production moyenne annuelle d’une éolienne individuelle par exemple ?
    Je me dis qu’une éolienne sur chaque toit de maisons ou d’immeubles, dans les zones venteuses, pourrait être un moyen parmi d’autres pour donner une part d’indépendance énergétique à chaque foyer. (même si a ne représenterait que 20% de la consommation dudit foyer).

    Bonne continuation pour vos articles :) !

  6. Merci de votre réaction, mon poste était pourtant loin d’être agressif et je ne cherche à convertir personne. C’est dommage de débuter votre réponse par “Joli ramassis de conneries” alors que vous déplorez dans un article voisin que “On ne peut pas discuter sur Internet, les choses dégénèrent trop vite.”.

    Pour la centrale électrique, je pensais écrire centrale nucléaire je me suis juste trompé.

    “Il n’y a pas de bonne solution.” Oui donc ? Et ? Du coup on ne fait rien ? S’il y a bien un domaine sans solution aujourd’hui, en France comme ailleurs, c’est la production d’énergie.

    Notre gaz vient d’Algérie, de Russie, notre uranium du Niger et d’ailleurs, notre pétrole probablement du Moyen-Orient. On pourrait trouver à redire sur la manière dont sont exploitées les matières premières dans chacun de ces pays en creusant un peu.

    Bref je m’arrête là, mais s’il faut uniquement pagayer dans le même sens que vos articles pour avoir le droit de poster un commentaire, prévenez vos lecteurs.

    1. Merci de votre réaction, mon poste était pourtant loin d’être agressif et je ne cherche à convertir personne.

      Attendez, vous venez répondre à des arguments basés sur des études par des lieux communs faux, vous venez me reprocher de n’avoir pas lu mes sources quand vous même vous passez à côté de ma conclusion, vous prétendez m’expliquer l’électrotech quand vous même ne semblez pas y avoir compris grand chose, et vous voudriez que je reste calme ?

      “Il n’y a pas de bonne solution.” Oui donc ?

      Et donc on investit dans la R&D pour arriver à quelque chose de solide plutôt que de démarrer la construction de grand parcs éoliens dont ont sait qu’ils sont extrêmement coûteux, peu productifs et pas inertes pour l’environnement, plutôt que de gouverner aux stats comme on le fait actuellement pour avoir x % de notre énergie dûe au vent. Et on étudie au cas par cas la pertinence de l’éolien par rapport à d’autres types d’énergie, plutôt que de chercher à caser des éoliennes partout.

      Quant aux 33% de rendement, c’est la moyenne des centrales nucléaires installées en France, ça signifie qu’on est capable de faire bien mieux sur des installations récentes.

      Mes lecteurs peuvent poster les commentaires qu’ils veulent, dans le cadre prévu par la loi, mais quand je fais l’effort de rouvrir mes livres de physique pour faire un post décent, j’attends un minimum de qualité dans les arguments qui me sont opposés.

  7. Je serais bien incapable de vous expliquer l’életrotech’.

    Prenons votre première limite, les infra-sons :
    Pour les parcs terrestres, je peux vous assurer que les infra-sons ne dérange pas les vaches qui souhaiteraient paître en dessous. Il suffit de se rendre sur place ou d’interroger des éleveurs. A la limite seules les quelques personnes ultrasensibles, cherchant refuge dans le Larzac pour fuir la moindre antenne-relais de téléphone, pourraient être dérangées.

    Pour votre source, il s’agit d’un article qui ne permet d’aller ni dans un sens ni dans l’autre, et qui reste bien vague (Quelle est le degré de connaissance de la journaliste ?).

    On y apprend que la phase de construction est la plus bruyante d’un projet. D’accord sur ce point, mais c’est une phase qui dure aussi très peu de temps par rapport à la durée de vie d’une ferme Offshore. De plus des entreprises allemandes prennent des mesures pour limiter les effets comme il est précisé.

    Puis, les propos de ce Michel André n’ont aucune valeur scientifique : “Elles peuvent avoir des effets chroniques sur la santé des animaux et cela dans un rayon de plusieurs dizaines de kilomètres autour de l’éolienne”

    “Elles peuvent”. C’est une supposition, peut-être vraie, peut-être fausse.

    Ensuite on a le droit à “Comment mesurer l’impact d’une éolienne ? “. On dérive des infra-sons, mais c’est intéressant de constater que ce paragraphe ce contente de présenter ce qu’il faut faire. Pas le moindre lien vers une étude de mise en pratique qui présenterait des résultats.

    Vient ensuite l’Allemagne qui a mené un programme sur Alpha Ventus. Là aussi, le journaliste a brodé son texte autour du mode opératoire, pas des résultats. En cherchant sur le net, on trouve le site relatif à cette étude : http://www.rave2012.de/
    Dommage que Geneviève De Lacour, l’auteur, n’ait pas poussé un peu plus loin ces recherches, elle aurait pu noter, entre autre, que :
    http://rave2012.iwes.fraunhofer.de/img/pdfs/ClosingSession/ClosingSession_Kutscher.pdf (pdf de cloture des différentes sessions de présentation des résultats)
    “Belgium: No significant ecol. impact – except of pile driving”
    “Operational sound is of lower ecological relevance.”
    Des problèmes sont aussi soulevés : “Attracting effects for sea-gulls (flying below 60 m).”
    Par rapport aux infra-sons, toujorus d’après ce pdf, il faut continuer les efforts pour diminuer le bruit lié à l’installation des fondations.

    Paragraphe suivant sur les courants marins induits et les sédiments. Je cite l’article :
    “Il est donc trop tôt pour conclure. Nous avons simplement pu constater une érosion des fondations plus importante que prévue, due à l’action des courants” A suivre donc. Plusieurs sociétés se penchent sur ce sujet pour proposer des solutions.

    Enfin les deux derniers paragraphes portent plus sur l’acceptation par la population et non pas grand chose à voir avec les aspects scientifiques de l’éolien.

    Voyez cette étude : http://www.ens.dk/sites/ens.dk/files/undergrund-forsyning/vedvarende-energi/vindkraft-vindmoeller/havvindmoeller/miljoepaavirkninger-3/Follow-up%20fish%20study%20Horns%20Rev_final%20report%20%282%29.pdf
    Je vous épargne sa lecture, je l’ai moi même uniquement survolé, mais elle ne met pas en lumière d’incompatibilité écologique entre le parc et son environnement.

    On pour débattre longuement sur chacun des points évoqués mais le faire via une boite de commentaire n’est pas chose aisée :/

    En tout cas, même si tout n’est pas parfait, “(…) mais les fermes d’éoliennes sont d’après moi des inepties” est un avis que je ne partage pas

    1. Alors que ce soit bien clair : la publication de vos commentaires sur ce site n’est pas un dû, ici c’est moi qui paie l’hébergement et je n’ai de comptes à rendre à personne.

      De plus, je suis étudiant, auto-entrepreneur, j’ai deux emplois à temps partiel, j’ai 3 autres sites à administrer, je travaille 60 à 70h/semaine, et vous n’êtes pas ma seule préoccupation.

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