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Environnement L’éolien : une énergie rentable et non-polluante

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Environnement L’éolien : une énergie rentable et non-polluante

L’installation d’une éoliennetient compte des servitudes radioélectriques liées au site (Télédiffusion de France …). Un éventuel problème peut être résolu par l’installation d’amplificateurs de signaux.

© (Doc. REpower.)

Au cœur de tous les débats, l’énergie éolienne produit une électrique décentralisée, particulièrement intéressante sur un plan environnemental. Mais contrairement à la situation de nos voisins, elle souffre d’être trop concurrentielle avec un mode de production nucléaire. Premier volet technique d’un dossier en trois parties.

Comment concevoir un projet éolien ? Comment fonctionne une éolienne ? Quels sont les vrais problèmes auxquels se trouve confronté un porteur de projet ? Quels en sont l’investissement et le coût d’exploitation ? … Autant de questions auxquelles ce dossier, en trois parties, va tenter de répondre. Il se déroule comme suit :

– contexte et technique,

– critères qui président au choix d’un aérogénérateur, ainsi que les contraintes et freins auxquels l’utilisateur risque de se heurter ;

– démarches et procédures administratives.

Totalement investie dans une autosuffisance énergétique issue de son programme nucléaire, la France a aujourd’hui beaucoup de mal à se lancer dans une politique volontariste en matière d’énergie éolienne. Peu de temps après l’entrée en vigueur du protocole de Kyoto, le passage au vote en Assemblée nationale de deux amendements proposés par trois députés (1) a relancé le débat sur le sujet. Malgré les multiples réactions de très nombreuses ONG, des professionnels de l’éolien (voir encadré), d’élus municipaux, départementaux et régionaux ou encore d’associations locales de promotion de l’éolien, une nouvelle réglementation a été votée en mars 2005 à l’Assemblée nationale en deuxième lecture du projet de loi d’orientation sur l’énergie. Ce nouveau dispositif implique que le plafond actuel de 12 MW pour bénéficier d’une obligation d’achat d’électricité à un tarif préférentiel par EDF a été remplacé par un plancher de 20 MW et que l’implantation d’éoliennes ne pourra se faire que dans des zones identifiées par le préfet. Toutefois, trois avancées mineures par rapport aux amendements proposés ont été enregistrées :

– l’amendement 123 (CAE 133), instituant une ­enquête publique pour les éoliennes de taille supérieure à 30 m, a été supprimé,

– la période transitoire proposée à 6 mois a été rallongée à deux ans,

– le plancher d’obligation d’achat fixé initialement à 30 MW a été descendu à 20 MW.

Une production d’énergie propre et réversible. Ainsi, sous couvert d’une volonté de maîtriser le développement de cette énergie, l’État empêche son développement dans les zones où elle présente le plus d’intérêt et de potentiel de développement : les régions d’habitat diffus. Pourtant, la production d’électricité par des aérogénérateurs propose d’indéniables avantages et répond parfaitement aux besoins issus de l’accord de Kyoto. Elle ne contribue pas au renforcement de l’effet de serre (aucun rejet de CO2 ou de méthane), aux pluies acides (aucun rejet de soufre ou d’azote) ou à la production de déchet toxiques ou radioactifs. L’installation sur le site est rapide et n’engendre pas de perturbations irréversibles. L’impact sonore est généralement sans effet à 400 mètres. Enfin, au terme de son existence, une éolienne permet un retour à l’état initial immédiat … ce qui est loin d’être le cas avec une centrale nucléaire ! L’éolien représente la production énergétique la moins coûteuse, ce qui explique le fort engouement actuel pour cette technologie. Économiquement, cette filière présente des avantages incontestables puisqu’elle est créatrice d’emplois, à la fabrication, et à l’installation. Plus de 45 000 emplois directs ou indirects ont été créés en Allemagne, alors que 14 600 MW éoliens étaient installés, contre 250 en France. En outre, un parc éolien offre des revenus intéressants pour les collectivités locales. Aujourd’hui, les propriétaires d’éoliennes paient une taxe professionnelle aux communes ou aux communautés de communes, au département et à la région. Soit annuellement, pour une éolienne de 1 MW, environ 6 000 e pour la commune, 6 000 e pour le département et 1 200 e pour la région.

Une technique bien maîtrisée. Son seul ­« défaut » est d’être tributaire d’un élément qui, par ­essence, ne peut être régulé : le vent. Les vents sont soumis à une importante variabilité de vitesse, voire d’orientation. Cela provoque des turbulences qui créent à leur tour des variations brutales et importantes des forces exercées sur les pales, alors que les exigences du réseau électrique imposent une stabilité totale du courant produit : cela rend délicat le branchement au réseau. À cela s’ajoutent la foudre, les froids brutaux ou les grosses chaleurs et tous les autres phénomènes physiques qui mettent en jeu leur fiabilité. Il est donc très important de veiller à la régulation (synchronisme, puissance) et à la protection du réseau. Étant ainsi aléatoire, l’énergie éolienne est toujours complémentaire.

Concrètement, une éolienne (ou aérogénérateur) est constituée d’un mât de 50 à 110 m de haut. À son sommet, se trouve une nacelle équipée d’un rotor à axe horizontal, comportant de une à trois pales (selon la puissance) mises en rotation par le vent. Le diamètre du cercle qu’elles balaient varie de 40 à 120 m, le vent faisant tourner les pales entre 10 et 25 tours par minute environ. L’énergie mécanique ainsi produite dépend de la surface balayée et transformée en énergie électrique dans la nacelle, grâce à une génératrice. Les éoliennes installées en France développent en général une puissance d’environ 2 MW, ce qui permet d’alimenter ­approximativement 2 000 foyers (hors chauffage).

Le moyeu supporte les pales qui constituent elles-mêmes le rotor. Le nombre de pales influence directement l’efficacité de conversion du rotor. Plus le nombre de pales est élevé, plus le couple transmis à l’arbre du rotor sera grand, mais plus le nombre de pales est réduit, plus grande est l’efficacité de conversion du rotor. La plupart des éoliennes possèdent deux ou trois pales à partir d’1 MW. Les premières sont sujettes à des vibrations cycliques importantes qui se répercutent sur toutes ses composantes mécaniques. Quand les pales sont à la verticale, elles n’opposent qu’une faible résistance au changement d’orientation de la nacelle mais, à l’horizontale, c’est l’inverse qui se produit. Il en résulte un mouvement d’orientation saccadé du système, à une fréquence double de la vitesse de rotation. L’utilisation d’un rotor à trois pales, bien équilibré, permet d’éliminer ce problème. Les pales peuvent être à pas variable, ce qui est le système le plus efficace car il permet une régulation constante de la rotation du générateur en bout de ligne, mais nécessite davantage d’entretien. La durée de vie d’un jeu de pales excède rarement une quinzaine d’années pour une éolienne régulièrement en fonction, suivant sa hauteur et son environnement.

Au-delà de 15 kW, les éoliennes sont dotées d’une sorte de boîte de vitesses. Ce « multiplicateur » permet, à partir d’un rotor tournant lentement (15 à 40 tr/min) d’avoir un alternateur tournant 40 à 50 fois plus vite.

Le rotor est couplé à une « nacelle », qui contient l’alternateur, élément qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. « Salle des machines », la nacelle renferme tous les instruments qui permettent à l’éolienne de fonctionner automatiquement. Sur les grandes, l’automate ordonne à un servomoteur de modifier la direction de la nacelle en fonction de l’indication du vent reçue de l’anémomètre situé sur le toit.

Des mâts pouvant atteindre 100 m de hauteur. Les alternateurs (ou générateurs) à induction sont les plus simples et les plus solides, mais nécessitent un contrôle de leur excitation par des condensateurs ou une liaison au réseau. Il faut essayer de stabiliser la vitesse des moteurs asynchrones près de leur puissance nominale (vers 1 800 tours) pour avoir en bout de ligne une fréquence et une tension régulières. C’est la raison pour laquelle certains fabricants installent 2 génératrices, l’une exploitant les basses vitesses de vent, l’autre pour les hautes vitesses. L’avenir pourrait bien se situer dans les génératrices à basse vitesse (telle la récente de Jeumont Industrie, disquoïde) qui supprimerait tout recours à un multiplicateur. Toutefois, le courant produit doit passer par un onduleur de grande puissance.

Cet ensemble mécanique est porté par un mât de 10 à 100 m de hauteur. Pour les aérogénérateurs à haubans, la dimension d’un mât dépend surtout du poids de l’éolienne, car ce sont les haubans qui assurent la stabilité de l’ensemble. Plus il y a de haubans et de structure porteuse, plus le bruit est élevé dans les grands vents. Les tours autoportantes, tubulaires et coniques n’ont besoin d’aucun hauban. Cette solution est beaucoup plus esthétique et aussi beaucoup plus coûteuse (3 ou 4 fois plus qu’un pylône haubané). C’est la solution pour les grandes éoliennes. Les fondations seront réalisées avec 650 tonnes de ciment et de fer d’armature. La forme est ronde ou carrée mais peut aussi être en étoile pour réduire l’usage du ciment. Dans un parc, toutes sont reliées par des câbles de masse souterrains. Le transformateur est situé dans le pied de tour ou juste à côté de la fondation. Quant aux tours en treillis, ce sont les moins chères, mais elles sont souvent mal acceptées par les populations du fait de l’impact paysager et de l’effet négatif sur l’avifaune (elles accueillent des sites de nidification pour certaines espèces d’oiseaux) et sont en voie de disparition.

Une sécurité embarquée évite la casse. Les éoliennes répondent à trois types de configurations :

– l’éolienne autonome installée chez un particulier et dont la production en énergie électrique est destinée à l’auto-consommation par le propriétaire. Toute la production peut éventuellement être vendue au distributeur local ;

- la ferme éolienne (ou parc éolien) qui est constituée de plusieurs machines (de 3 à 10 en configuration typique), d’une puissance de plusieurs centaines de kW ou de plusieurs MW chacune. Leur production, achetée par EDF, est injectée sur le réseau. Bien que chaque machine ait une faible emprise au sol, il faut disposer d’une superficie de plusieurs dizaines d’hectares pour un parc éolien significatif.

– La ferme éolienne off-shore est un parc implanté en mer, en moyenne à 10 km des côtes, à des profondeurs qui vont jusqu’à 30 m. Il est raccordé au réseau terrestre par un câble sous-marin.

Toutes ces machines sont programmées pour résister à des vents très importants grâce à des systèmes embarqués qui varient en fonction de la taille de la machine et de sa situation d’implantation. Parmi les dispositifs de régulation ou de freinage, on peut citer :

– le système de contrôle par force centrifuge. Plutôt réservé aux régions tempérées ou chaudes, il s’appuie sur des freins aérodynamiques ralentissant la rotation ;

– le système de régulation et freinage par ­gouvernail articulé, réservé aux machines de faibles et très faibles puissances. Lorsque le niveau de vent est jugé excessif pour la sécurité mécanique de l’éolienne, un gouvernail se replie progressivement et automatiquement en travers de l’axe du vent et la détourne de la perpendiculaire au vent.

– Régulation et de freinage par basculement de l’éolienne sur le dos : là encore, le système sort le rotor du lit du vent et par très grands vents, la nacelle se couche. Ce mécanisme est réservé aux petites éoliennes (il crée des efforts irréguliers sur les pales).

– Régulation aérodynamique sur les ­pales.

– Système « pitch » dont le pas variable permet de mettre les pales en drapeau, ce qui arrête l’éolienne et la protège des grands vents. Chaque pale agit comme un frein.

– Système « stall » : dans le cas des éoliennes à pas fixe, elle s’arrête par décrochage aéorodynamique passif ou actif.

On peut aussi installer des aérofreins sur les pales. Il s’agit de volets ouvrant automatiquement en cas de problème. Enfin, l’arrêt pur et simple par frein à disque automatique : un détecteur de vitesse déclenche, à un seuil déterminé, un mécanisme automatique d’arrêt complet de l’éolienne. Lorsque le vent baisse d’intensité, le frein est relâché et l’éolienne est de nouveau libérée.

Dans les régions de cyclones, le choix d’une éolienne s’orientera vers un modèle à mât basculant. Il est extrêmement rare que les éoliennes se cassent : la probabilité de bris d’une pale est très faible, celle de chute d’un mât l’est davantage pour des machines certifiées. De plus, les machines s’arrêtent quand la vitesse du vent dépasse 90 km/h. À l’arrêt, elles sont conçues pour résister à des vents violents (250 km/h pendant 5 secondes, ou 180 km/h), et maintenant les matériaux utilisés pour les pales sont légers et très résistants. La projection de morceaux de pales ou de glace est très peu probable, car elle s’arrête si elle est endommagée ou surchargée de glace. Les composants soumis à des flexions répétées (les pales) peuvent développer des faiblesses structurelles s’ils sont mal conçus et/ou fabriqués. Quant à la foudre, elle est responsable de 6 % des arrêts d’éoliennes normalement protégées par des paratonnerres.

Puissances éoliennes  installées fin 2003 en MW  Capacités Installées en 2003 en MW
 Allemagne  14 609 2 645
Espagne  6 411 1 369
 Danemark  3 110 243
Hollande  910 232
 Italie  904 116
Royaume Uni 648 103
Autriche 415 276
Suède 399 71
 Grèce 390 88
 Portugal 301 107
France 253 100
 Irlande 187 49
 Belgique 67 31
 Finlande 51 8
Luxembourg 22 5
 Total U.E.  28 676  5 443
Pologne 60 31
Lettonie 24 1
 République tchèque 10 7
 Estonie 5 0
 Hongrie 3 0
 Slovaquie 3 3
 Chypre 2 0
Autres futurs pays membres 0 0
 Total Europe à 25 28 780  5 486
Norvège 198 101 
Ukraine 57 11
 Turquie 19 0
 Russie 7 0
 Suisse 5 0
Roumanie 1 0
Total Europe  29 067  5 598
(Source EurObserv’ER 2004)

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