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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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