Origine
L'énergie éolienne trouve son origine dans la conversion d'énergie cinétique du vent. Le vent provient :
D'une différence ou d’un gradient de température dans l'atmosphère. Les rayonnements solaires provoquent une augmentation de la température des surfaces qu'elles éclairent par rapport aux surfaces non éclairé.
Des gradients de pressions résultant de variations de la densité.
Transformation
L’énergie liée au déplacement des masses d’air est utilisée depuis des siècles de différentes manières: bateaux à voile, exhaure de l’eau, broyage de céréales, etc. De nos jours, on transforme l’énergie cinétique du vent en énergie électrique à l’aide d’un dispositif aérogénérateur comme une éolienne ou un moulin à vent.
Les éoliennes sont installés dans des zones venteuses avec au sommet du mât un système permettant de capter le vent. L'énergie cinétique du vent est d'abords transformé en énergie mécanique grâce à des pales, puis en électricité grâce à un système rotor-stator. Les éoliennes peuvent tourner autour d'un axe vertical ou horizontal.
Les caractéristiques techniques des éoliennes varient selon les modèles et tailles.
Puissance nominale : 600-250 kW
Hauteur du moyeu : 50-100 m
Diamètre du rotor : 44-90 m
Hauteur totale : 72-145 m
Dans le cadre du concept de l’énergie éolienne en Suisse (OFEN, 2004), les éoliennes suivantes ont été choisies.
Puissance nominale : 1250 kW
Hauteur du moyeu : 70 m
Diamètre du rotor : 60 m
Hauteur totale : 100 m
Coût d’investissement total : environ 2,1mio Fr. par éolienne, ce qui correspond à environ 1700.-Fr. par kilowatt de puissance installé (dont 75% environ pour le coût de l’éolienne).
Une éolienne produira environ 1000-2500 MWh/an pour un coût de production de 9 à 25 ct/kWh, c’est-à-dire qu'elle permettra un facteur de gain d'énergie (différence entre énergie produite et l'énergie nécessaire à son montage et démontage) de 40 à 80. Remarquons que 60% de l'énergie est produite en hiver.
Pour comparer avec un centrale nucléaire, l'installation (puissante nominale de 1000 Mégawatt) ne nécessite que 500 franc par watt installé et un coût d'exploitation faible. De plus, les centrales nucléaires permettent une production d'électricité en continu ou "ruban"
contrairement aux éoliennes.
De nombreux projet d'installations d'éoliennes sont en cours en Suisse, on estime qu'à l'horizon 2050 que le nombre d'éoliennes installé sera d'environ 800, ce qui permettra de couvrir environ 7% de la consommation d'électricité Suisse.
Une petite précision concernant la terminologie. La notion d’éolienne isolée s’applique à toute installation unique isolée.
La notion de parc éolien se réfère à plusieurs (au moins 3) turbine regroupés sur un même site.
Potentiel théorique
La production d'électricité à partir d’éolienne dépend majoritairement de la vitesse du vent qui dépend de :
Relief
Rugosité
Latitude
Altitude
Situation du site (mer, montagne)
Saison, etc.
On remarquera que la vitesse du vent sera la plus élevé pour un sommet arrondi. Dans le cas d’un terrain plat, la variation de vitesse en fonction de la hauteur au-dessus du sol peut être représentée par la fonction suivante.
( ) où : V0 : vitesse à la hauteur h0
α : coefficient caractéristique du site
L'énergie cinétique de l'air qui traverse une surface S à la vitesse v pendant une durée t est : où : ρ : masse volumique de l'air dans les conditions normales
de températures et de pression
La puissance est donc proportionnelle à la puissance cubique de la vitesse :
Potentiel technique
Pour le cas d’un capteur à axe horizontal. Selon la théorie de Betz, la puissance récupérable par l’éolienne est estimée à partir de la variation d’énergie cinétique entre l’amont et l’aval du capteur.
Puissance récupérable : ̇ Après plusieurs étapes : ̇ Le rendement de Betz est donc de 60 %.
Choix du site
Les installations éoliennes doivent être concentrées dans des lieux appropriés et propice à leurs utilisation (endroit très venteux). Le choix du site sur l'étude de relevés météorologiques allant d'une à plusieurs années. Ces données proviennent d'anémomètres qui permettent de mesuré la vitesse moyenne et l'énergie cinétique sur une période donnée. En général, les sites les plus intéressants sont les bords de mer ou sommets des montagnes qui permettent d'atteindre des vents réguliers d'une vitesse de 6 à 10 m/s.
Les sites potentiels de parcs éoliens doivent remplir les critères suivant.64
Inventaires et zone de protection nationale : on exclura les zones suivantes avec une distance tampon supplémentaire d’au moins 200m.
o Inventaire fédéral des sites de reproduction des batraciens d’importance nationale
o Inventaire fédéral des zones alluviales d’importance nationale.
o Etc.
On obtient la carte suivante des régions exclues de l’exploitation de l’énergie éolienne par les inventaires fédéraux ou les zones de protections nationales.
64 http://www.news.admin.ch/NSBSubscriber/message/attachments/18672.pdf
Forêt : les sites en forêt fermée sont exclues- Distance minimale à la lisière : 50m
Zoner urbanisées et constructions habitées : distance minimale pour les éoliennes de 70m au niveau du moyeu : 300m
Conditions de vent : vitesse moyenne du vent d’au mons 4.5m/s à la hauteur du moyeu. La carte ci-dessous représente la vitesse moyenne annuelle du vent à 70m au-dessus du sol.
Critère d’évaluation paysagère : la diversité des structures paysagères et l’intégration des éoliennes dans l’environnement paysager doivent être confirmées sur place lors d’une étape ultérieure au niveau cantonal et communal.
La répartition géographique des lieux d’implantation est présentée à la figure ci-dessous.
Critique des éoliennes
On a une pollution visuelle du paysage et une obstruction de la navigation aérienne de proximité. De plus, le bruit est aussi nuisible selon certains témoignages d’habitation proche.
L’investissement est considérable pour des rendements sujets aux caprices du vent et qui sont assez faibles comparés à d’autres système concurrents. La production d'électricité est donc fluctuante. En effet, on peut avoir un manque de capacité sur le réseau comme c’est le cas en Allemagne où les capacités de transports de l'électricité des grands centres de production éoliens (nord du pays) au grand centre de consommation d'électricité (sud du pays) sont insuffisantes par grand vent. De plus, lorsque le vent se situe au-dessus du pic de dimensionnement du rotor, il est nécessaire de les arrêter pour éviter qu’il s’enflamme.
Perspective
Comme on l’a vu lors du choix du site, un grand nombre de sites appropriés en Suisse pour la construction de parc éolien peut être trouvé. Il est maintenant du domaine des intéressés qui désirent utiliser la force du vent au moyen d’éolienne d’approfondir l’étude des sites d’implantation en collaboration avec les cantons et les communes.
Les prévisions suivantes sont issues du "Concept d'énergie éolienne pour la Suisse" de 2004.
Elles se fondent sur les conditions de vent (vitesse >= 4,5 m/s en moyenne annuelle) et le nombre d'éoliennes que chaque site peut accueillir.
Horizon 2035: 1500 GWh par an. Quelque 375 éoliennes de 2 MW2 chacune produisent annuellement 1500 GWh d’électricité : de quoi alimenter 2,5 % des besoins actuels de la Suisse.
Horizon 2050: 4000 GWh par an. Quelque 800 éoliennes de 2,5 MW chacune produisent annuellement 4000 GWh d’électricité. Cela correspond à la consommation de plus de 1 million de ménages ou à 6,8 % de la consommation nationale d’électricité en 2008. Si la consommation diminue grâce à une amélioration de l’efficacité énergétique et à des mesures d’économie, la part de l’éolien pourrait monter à 8 voire 10%.
Éoliennes actuellement en service.
Projet en cours de planification (2012-2016).