Les termes « centrale éolienne », « parc éolien » ou « ferme éolienne » sont utilisés pour décrire les unités de production groupées, installées à terre ouen mer.
La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est mise au point par le DanoisPoul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène parélectrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne « Lykkegard », dont il vend soixante-douze exemplaires en 1908[2].
Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionna de 1955 à 1963 en France, àNogent-le-Roi dans laBeauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'études scientifiques et techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF àSaint-Rémy-des-Landes (Manche)[4]. Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.
Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et lepremier choc pétrolier pour que leDanemark reprenne les installations d'éoliennes.
L'éolienne la plus courante, àaxe horizontal, se compose d'un mât, une nacelle et unrotor. Des éléments annexes, comme un poste de livraison pour injecter l'énergie électrique produite auréseau électrique, complètent l'installation.
Une telle éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiquesaérodynamiques,mécaniques etélectrotechniques. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de 350 kW[7], de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 et 350 kW[7]) et dupetit éolien (inférieur à 36 kW[7]).
La nacelle est montée au sommet du mât et abrite les composants mécaniques et pneumatiques et certains composants électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.
Lerotor est composé du nez de l'éolienne recevant lespales (en général trois), fixé sur unarbre tournant dans despaliers installés dans la nacelle. Le rotor, solidaire des pales, est entraîné par l'énergie du vent. Il est branché directement ou indirectement (via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilise l'énergie recueillie (pompe,générateur électrique, etc.).
Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage à travers la turbine (dans le cas contraire, cela reviendrait à« arrêter le vent »).
L'énergie récupérable[a] par une éolienne est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de celle-ci, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement.Albert Betz a démontré en 1920 que la puissance maximale récupérable est égale à16⁄27 de la puissance incidente[9].
La puissance maximale théorique d'une éolienne est ainsi fixée à :
soit :
où :
= puissance en watts (W) ;
= surface balayée par les pales en mètres carrés (m2) ;
= vitesse du vent en mètres par seconde (m/s).
Cette puissance maximale est ensuite affectée du coefficient de performance propre au type et au modèle d'éolienne et au site d'installation. Ce coefficient est en général compris entre 0,20 et 0,70.
Pour un rotor à axe horizontal, un calcul du coefficient de puissance maximal a été proposé par H. Glauert en 1935, en fonction du rapport de vitesse en bout de paleλ =ΩR/V0[10]. Le calcul de cet optimum de puissance a été amendé en 2025 par l'étudiante Divya Tyagi, qui a fourni des solutions exactes pour les coefficients de poussée CT et de moment de flexion CBe, obtenues parcalcul des variations[11].
Cette section doit êtreactualisée. Des passages de cette section sont obsolètes ou annoncent des événements désormais passés.Améliorez-la oudiscutez-en.
Du fait de l'intermittence du vent et des variations de sa puissance, on distingue deux notions :
Lefacteur de charge est le rapport entre l'énergie électrique produite sur une période donnée et l'énergie que l'éolienne aurait produite si elle avait fonctionné à sapuissance nominale durant la même période. Cet indicateur est souvent calculé sur une année et exprimé en pour cent (%), c'est d'ailleurs le cas dans la suite de cette section. En moyenne, sur l'ensemble de l'Europe, ce facteur de charge a varié entre 17,7 et 21,0 % entre 2003 et 2008[13], alors qu'en France il a été de 22 % pour les années 2009 et 2010[14],[15]. En 2022, laNeue Zürcher Zeitung a calculé le facteur de charge de 18 000 éoliennes en Allemagne sur un total de 28 000. Selon le quotidien suisse, leur facteur de charge est inférieur à 20 %. Seules 15 % des éoliennes ont un facteur de charge qui dépasse 30 %. Deux seulement se trouvent dans le sud de l'Allemagne[16].
Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est trop fort. En effet, les pales fléchissent sous la force du vent et, par vent trop fort, viendraient percuter le mât. L'inertie de laturbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur des pales alors que la surface résistante au vent est proportionnelle au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.
Les pales de grande taille sont réalisées avec des matériaux composites à base defibre de verre ou de carbone et une résineépoxy oupolyester[18]. Lebalsa est couramment utilisé dans lescomposites à structure sandwich des pales[19],[20]. D'autres matériaux peuvent être utilisés[21]. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.
Éléments d'une éolienne
Moyeu d'une éolienne sans pales (Enercon E-70) sur l’île deEl Hierro (Canaries).
Pale sur une remorque.
Segments du mât sur remorques et embase d'une pale.
Pales de remplacement mesurant environ 15 m de long.
Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'unegirouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui détectent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.
Chaque pale en rotation se comporte comme ungyroscope, et du fait de la force de gravité qui s'exerce sur elle, elle est soumise à une force deprécession qui, étant perpendiculaire à la fois à l'axe de rotation et à la force de gravité, est horizontale. Cette force de précession est donc parallèle à la pale lorsque celle-ci est horizontale, et lui est perpendiculaire lorsque la pale est verticale. À terme, ces changements cycliques de force sur les pales peuvent fatiguer et faire casser la base des pales, ainsi que l'axe de laturbine.
Éolienne de pompage, pour puiser de l'eau.
Quand une éolienne puissante possède plus d'une pale, celles-ci sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve réduit.
Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes, fonctionnent à unnombre de Reynolds plus élevé, et sontpar conséquent[réf. nécessaire] plus efficaces. Le prix d'une éolienne augmentant avec le nombre de pales, le nombre optimal pour un système à axe horizontal est donc de trois, car avec deux pales les problèmes debalourd seraient plus importants. En effet, le nombre de pales doit être impair pour que l'équilibrage soit optimal[22].
Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes commercialisées ont deux pales, car il est plus facile et plus économique de fabriquer celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales, plus silencieuses, doivent généralement être montées sur place.
La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.
Comme le mât produit desturbulences derrière lui, le rotor est généralement placé devant le mat. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale, afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât, malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.
Les anciensmoulins à vent sont équipés de voilures en guise de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée. De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée par rapport à la puissance qu'elles reçoivent. Elles font tourner le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle du vent dont la poussée implique qu'elles soient montées sur un mât particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui des pales profilées rigides.
Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent.
Des essais ont été effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques et bénéficier de l'effet Magnus.
Outre les éoliennes classiques à axe horizontal parallèle à la direction du vent, les éoliennes dites « à axe vertical » présentent un axe perpendiculaire à la direction du vent. L'axe est souvent positionné à la verticale, mais des éoliennes de ce type peuvent aussi être positionnées à l'horizontale[23],[24]. Ce type d'éoliennes se décline suivant plusieurs principes.
Éolienne combinant les technologies Darrieus et Savonius,Noveol.Éolienne à ailes rotatives Čuljak[25] de 12 m, àOsijek,Croatie.
Le typeSavonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés, présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d'intégrer l'éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l'esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. Il existe une variante, appelée « Savonius hélicoïdal » (outwisted Savonius en anglais), qui permet d'augmenter le rendement en proposant de façon continue une surface d'accroche au vent. Au lieu d'avoir des demi-cylindres verticaux, ceux-ci sont tordus de façon hélicoïdale autour de l'axe de rotation. Du fait de leur faible encombrement au sol, de leur bon rendement et du besoin d'un très faible vent, ils sont utilisés en ville sur les toits des maisons, sur des bateaux, comme leHornblower Hybrid, ou encore dans laTour de la Rivière des Perles, une tour à énergie positive. Ils sont également adaptés à une position horizontale, l'axe de rotation restant perpendiculaire au vent et non dans le profil du vent, comme les éoliennes classiques à axe horizontal.
Certain constructeurs ont également conçu des éoliennes intégrant à la fois la technologie Darrieus et la technologie Savonius en cherchant à combiner les avantages de ces deux technologies.
Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet, dont l'anémomètre constitue une bonne illustration. Autrement, les modèles à écran masquent l'aspect « contre-productif » de l'engin. Ces modèles utilisent un système d'orientation de l'écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Finalement, l'accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l'éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de grande taille dans un parc à éoliennes.
Le type à voilure tournante (oupanémone) est caractérisé par l'optimisation dynamique du calage des pales en temps réel. Celles-ci se comportent de la même manière que la voile d'un voilier qui ferait un cercle dans l'eau avec un vent déterminé. Les pales reproduisent ainsi fidèlement toutes les allures d'un voilier suivant leur cap tangentiel (angle) par rapport à la direction du vent. Il en résulte que la poussée tangentielle sur les bras du rotor supportant les pales est toujours optimisée. Cette forme de captation de l'énergie éolienne est très ancienne (Iran, Crète…). Ce procédé, qui a reçu la médaille d'argent auSalon international des inventions de Genève en 2006, donne lieu à plusieurs expérimentations[26],[27].
Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur le moyeu et permet ainsi de modifier l'énergie récupérée par l'éolienne. Entre autres, il permet d'arrêter l'éolienne afin de la protéger des vents violents (en plaçant les pales en drapeau et en réduisant donc la prise au vent) ou à maximiser le couple transmis au rotor pour la faire démarrer.
Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l'effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor.
Les volets (aérofrein ouflaps) s'ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique.
Les spoilers sont encastrés dans lebord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous les spoilers au même moment, modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale.
L'arrêt par frein à disque automatique n'est pas un système de ralentissement mais d'arrêt complet de l'éolienne.
Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l'intermédiaire d'un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l'éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique est détecté.
Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques.
Les modèles d'éoliennes de classe III, spécialement adaptés aux sites bénéficiant de vitesses de vents moyennes sur un an, allant jusqu'à 7,5 mètres par seconde, ont connu des progrès technologiques importants et présentent des rendements supérieurs de l'ordre de 10 à 25 % par rapport à la précédente génération. Ils sont généralement de plus grande hauteur et possèdent des pales beaucoup plus longues, ce qui leur permet de diminuer le rapport entre la puissance électrique et la surface balayée par les pales, donc d'augmenter significativement la durée d'utilisation des machines (facteur de charge). Leur production est également plus régulière, ce qui limite les difficultés de gestion des pics de puissance par les réseaux d'électricité. Enfin, elles peuvent être installées au plus près des zones de consommation, ce qui permet de limiter les investissements du réseau de distribution. Les sites peu ventés sont également beaucoup plus répandus et souvent beaucoup plus facilement accessibles que les sites de classe I (fortement ventés) ou II (moyennement ventés), ce qui ouvre de nouvelles perspectives sur les marchés internationaux. Le lancement de nombreux modèles est annoncé pour 2017 par Nordex, Gamesa, Enercon, Vestas et GE Wind[29].
La Chine a émis une référence technique pour les turbines terrestres dans les zones cycloniques, standard applicable à partir de, mais non obligatoire. Il a été mis au point par le fabricant chinois Windey, qui a développé des turbines pouvant faire face à des vents extrêmement puissants grâce à leur structure mécanique renforcée et à un algorithme de contrôle qui stoppe les éoliennes au-delà d'une vitesse de70m/s. Ces turbines ont ainsi résisté au cyclone Haiku le et à ses vents de plus de60m/s[35].
La puissance est représentative du maximum de production possible, mais l'énergie produite dépend de nombreux autres paramètres comme la force du vent ou les opérations de maintenance nécessaires. Lefacteur de charge, rapport entre la production effective et la production maximale théorique, est couramment utilisé comme indicateur de l'énergie produite par une installation électrique. Alors qu'une éolienne a, en moyenne, un facteur de charge de 20 %[36], celui dusolaire photovoltaïque est situé autour de 10 %[36], à comparer avec celui du nucléaire : 80 % en moyenne, 73 % en France en 2012 et 76 % en 2011[37].
Les pays dotés de parcs éoliens en mer ont un facteur de charge plus élevé. Au Danemark en 2012, le facteur de charge de l'éolien en mer atteignait 45 % contre 25 % pour le parc éolien terrestre[38].
Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire, car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes en montagne, régions à phénomènes d'écho…).
De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant lesarbres et lavégétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents, la courbure des arbres, dans le même sens, indiquant la régularité des vents. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par unestation météorologique proche, le mieux étant d'effectuer la mesure sur le lieu même d'implantation.
Certains sites sont particuliers en ce qu'ils augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :
l'accélération par effet géométrique : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux montagnes ou deux grands bâtiments, il est accéléré pareffet Bernoulli. De même, lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré à son sommet. Ces lieux sont cependant souvent de surface restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est irrégulière ;
la mer et les lacs ne présentent aucun obstacle au vent, aussi, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, crée des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.
De manière générale, il est toujours nécessaire d'effectuer une mesure de vent précise durant plusieurs mois, afin de s'assurer du potentiel éolien du site[39]. Une étude précise permet ensuite d'extrapoler les données et de déterminer plus ou moins précisément les caractéristiques annuelles du vent (fréquence, vitesse…) et son évolution au cours des années.
D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.
Le sol doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne. Il existe aussi des éoliennes haubanées.
L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doit permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.
Pour assurer la connexion au réseau électrique, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets en mer, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes beaucoup plus faibles.
Si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude des effets sonores sur les habitations est recommandée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction des résultats de l'étude, cette implantation peut être modifiée afin notamment de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA le jour et 3 dBA la nuit en France[45]). La distance entre les éoliennes et les habitations est en France au minimum de 500 mètres. Une étude financée par l'Agence allemande de l'éolien terrestre publiée en 2015 a conclu que le niveau de gêne déclaré par les riverains n'était pas corrélé à la distance entre leur habitation et l'éolienne[46].
À la condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer (offshore) entraînent moins de conséquences sur le paysage terrestre. En revanche, l'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des vagues et du courant, la protection contre la corrosion (particulièrement importante du fait des embruns et du sel) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et les opérations de maintenance peuvent nécessiter de gros moyens. En contrepartie, une éolienne en mer peut fournir jusqu'à 6 MW de puissance (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3 MW), qui peuvent produire une énergie utile d'environ 15 GWh/an dans des sites bien ventés et avec unfacteur de charge de 30 %, soit 2 500 h/an environ.
Dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple auDanemark), il est assez simple de les installer avec un bon rendement. L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou terrestres) du Danemark produit, début 2006, 23 % de l'électricité nécessaire au pays[47]. Ce pays est précurseur et en tête dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans lesannées 1970. Aujourd'hui, de grands parcs sont en construction au large de l'Angleterre[48], dans l'estuaire de la Tamise, ainsi qu'en Écosse, pour une puissance totale d'environ 4 GW.
Leséoliennes flottantes peuvent être installées plus loin des côtes, où l'eau est beaucoup plus profonde et les vents plus forts et plus stables, permettant un facteur de charge plus important. Alors que les turbines terrestres peuvent tourner en moyenne80 jours par an, les éoliennes flottantes peuvent produire de l'électricité160 jours par an. Le premier parc éolien de ce type a vu le jour au large de l'Écosse[53]. Le champ de cinq éoliennes flottantes, chacune d'une taille de253 mètres et d'un poids de 12 000 tonnes, a une capacité totale de 30 MW, soit la consommation électrique d'environ 22 000 foyers.
Selon le rapport 2019 de l'Agence internationale de l'énergie, l'éolien en mer pourrait attirer 1 000 milliards de dollars d'investissements d'ici à 2040[54] ; le potentiel éolien en mer permettrait de répondre aux besoins en électricité du monde entier, mais il ne représente aujourd'hui que 0,3 % de la production mondiale. Cette énergie renouvelable pourrait devenir la première source de production d'ici 2040.
De nouvelles éoliennes sont capables de s'élever dans le ciel pour atteindre les vents d'altitude, plus puissants et plus réguliers. Pour l'instant, au stade expérimental, elles sont de trois types :
En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit, fonctionnant dans un système d'énergie distribuée, permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites installations telles que des routeursWi-Fi peuvent être alimentées par une éolienne portative qui recharge une petite batterie.
EnChine, plusieurs villes dontWeihai, dans la province duShandong, ou encore l'autoroute de la province deHubei reliantJingzhou aubarrage des Trois-Gorges, sont équipées de poteaux sur lesquels sont couplés de petits générateurs éoliens silencieux et des panneaux solaires, pour alimenter l'éclairage des lampadaires ; le surplus d'énergie peut être réinjecté dans le circuit électrique de la ville. L'emplacement du poteau d'éclairage est choisi à bon escient (voir photo). Ces installations utilisent généralement des éoliennes à axe horizontal. Il apparaît aujourd'hui des installations du même type, avec une éolienne à axe vertical de type Savonius hélicoïdal (Twisted Savonius) offrant 40 W d'éolien plus 80 W de solaire sur un seul poteau et une forme plus compacte[56]. Certains hautsgratte-ciel, tels que laTour de la Rivière des Perles, comprennent des éoliennes dans leur structure, profitant ainsi des vents forts provoqués par les différences de température des structures en verre de ces bâtiments, selon qu'ils sont du côté ombré ou ensoleillé. Du point de vue énergétique, ces éoliennes de type Savonius hélicoïdal bénéficient en outre de l'effet Venturi provoqué par la taille du canal qui les contient lorsque le vent s'y engouffre. L'énergie éolienne est couplée avec l'énergie électrique fournie par les vitres de cette tour qui sont faites de panneaux solaires transparents.
En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical, hélicoïdales, àeffet Venturi ou un mélange de ces différentes techniques, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible et ne font pas de bruit.
Des éoliennes peuvent également être placées sur le toit des tours[réf. souhaitée].
C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes pour faire fonctionner des équipements tels que le conditionnement d'air. Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne de ce type délivrant 3 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté.
Certaines éoliennes produisent uniquement de l'énergie mécanique, sans production d'électricité, notamment pour le pompage de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui desmoulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à la fin duXVIIIe siècle en France servaient à laminoterie.
En 2023, alors que la demande d'énergie renouvelable n'a jamais été aussi forte, les perturbations liées à lapandémie de Covid-19 en 2020, puis aux pénuries de composants lors du redémarrage et à lacrise énergétique, ont fortement dégradé les comptes des fabricants d'éoliennes, d'autant plus que l'attribution des contrats de marché public aux plus offrants a favorisé une guerre des prix entre les candidats. L'ensemble du secteur enregistre des pertes cumulées de4,7 milliards d'euros ; le champion danois Vestas lui-même a perdu1,57 milliard en douze mois. Le, l'action deSiemens Energy, la maison mère allemande deSiemens Gamesa, deuxième fabricant mondial d'éoliennes, s'effondre de 38 % à la bourse de Francfort après la publication d'un communiqué faisant état d'un« taux de défaillance significativement accru » de composants d'éoliennes. Siemens Energy devrait dépenser« plus d'un milliard d'euros supplémentaire » dans les prochaines années pour résoudre ces problèmes de qualité[59].
La situation concurrentielle du secteur éolien diffère entre les deux grands segments de marchés : sur celui de l'éolien terrestre, en 2016, la concurrence est largement dispersée entre des acteurs nombreux, sans que se dégage un industriel disposant d'une place dominante sur le marché mondial. La plupart des grands acteurs industriels peuvent s'appuyer sur un marché national actif, ce qui leur permet de disposer d'une assise solide pour disputer et gagner des parts de marché sur les marchés internationaux. C'est notamment le cas de GE Wind aux États-Unis, Enercon, Senvion et Nordex en Allemagne, Suzlon en Inde et Goldwind, United Power et Mingyang en Chine. Les autres acteurs sont fragilisés et font l'objet d'un mouvement de consolidation du secteur[29].
Le segment de marché de l'éolien en mer, lui, est beaucoup plus restreint et n'a encore qu'un déploiement international limité dans les années 2010 : principalement cantonné sur quelques marchés en mer du Nord, en mer Baltique et au large des côtes britanniques, il reste aux mains d'une minorité d'acteurs expérimentés, au premier rang desquels le numéro un mondialSiemens Wind Power (80 % du marché) et MHI Vestas, la filiale commune formée en 2013 par le danoisVestas, numéro un mondial sur le segment du terrestre, et le japonaisMitsubishi. D'autres fabricants sont positionnés sur ce marché et ont déjà livré leurs premières machines, mais sont en difficulté car les perspectives de croissance ne sont pas aussi importantes qu'espérées. Depuis 2013, une vague de consolidation affecte ce secteur : rapprochement en 2013 de Vestas et de Mitsubishi, puis en 2014 création d'Adwen, filiale commune d'Areva et de Gamesa. En 2015, le français Alstom, qui développe l'éolienne en merHaliade 150, est passé dans le giron de l'Américain GE[29].
Dans l'éolien terrestre, l'allemand Nordex et l'espagnol Acciona annoncent en leur intention de fusionner leurs forces pour entrer dans letop 5 mondial. Les dirigeants de Gamesa ont annoncé le qu'ils étaient entrés en discussion avec Siemens en vue d'un rapprochement de leur activité éolienne, créant le poids lourd du secteur mondial (environ 15 % de part de marché) devant General Electric (11 %) et Vestas (10 %)[29]. Ces discussions ont abouti à un accord annoncé le : le siège de la nouvelle société sera situé en Espagne et celle-ci restera cotée à la Bourse de Madrid ; Siemens détiendra 59 % de la nouvelle entité et versera un paiement en numéraire de 3,75 euros par action aux actionnaires de Gamesa, soit au total plus d'un milliard d'euros ; Areva aura trois mois pour choisir entre vendre sa participation dans Adwen ou racheter la part de Gamesa puis vendre la totalité de la société à un autre acteur ; General Electric serait intéressé[60]. En, Siemens et Gamesa annoncent une restructuration pouvant concerner jusqu'à 6 000 postes dans24 pays. Lors de l'annonce de leur union mi-2016, les deux industriels comptent 21 000 salariés, dont 13 000 issus de Siemens. Le chiffre d'affaires a reculé de 12 % entre avril et, en raison d'une « suspension temporaire » du marché indien, et le groupe prévoit une forte baisse en 2018[61].
Au premier semestre 2016, Vestas voit son chiffre d'affaires bondir de 23 %[62].
General Electric Wind finalise son ascension, Vestas perd sa première place après douze ans de règne ; les Allemands reviennent en force ; les quatre principaux fabricants chinois d'éoliennes Goldwind, United Power, Sinovel et Mingyang sont dans le Top 10, mais aucun ne figure dans le Top 5.
En, selon le Syndicat des énergies renouvelables (SER), le secteur éolien avait créé durant les cinq années précédentes en moyenne33 nouveaux emplois par jour en Europe[66].
2009 : les Néerlandais de Dutch Rainmaker ont fabriqué une éolienne dont l'énergie est utilisée pour condenser la vapeur d'eau présente dans l'air ambiant. Le premier prototype a ainsi condensé500 litres d'eau douce en 24 heures.
2010 : l'institut allemandFraunhofer explique dans un communiqué avoir réussi à mettre au point un processus de production deméthane à partir de la production en excès des éoliennes[67]. L'électricité est utilisée pourélectrolyser l'eau, produisant dudioxygène (rejeté) et dudihydrogène. Cet hydrogène est recombiné à du CO2 (sans doute parréaction de Sabatier) pour produire du méthane, qui est réintroduit dans le circuit de distribution public de gaz naturel. La première partie de cette réaction était déjà utilisée parPoul La Cour en 1890 (cf. section « Historique »).
Une méthode utilisée pour exploiter etstocker les productions excédentaires des éoliennes consiste à les coupler à des installations depompage-turbinage au sein decentrales hydro-éoliennes : unparc éolien génère de l'électricité grâce à des aérogénérateurs. Une partie de cette électricité est envoyée sur le réseau pour alimenter les consommateurs, l'excédent est utilisé pour pomper de l'eau vers une retenue d'altitude. Lors des périodes de vent faible, l'eau de la retenue est turbinée dans une centralehydroélectrique et stockée dans une retenue basse ; l'électricité ainsi obtenue est envoyée sur le réseau.
Eole Water est une entreprise française dans le domaine des systèmes de production d'eau par condensation de l'air. Elle a développé des capacités de production d'eau potable à partir de l'énergie éolienne ou solaire[71].
En fin de vie, ou quand elle devient obsolète, une éolienne peut être remplacée par un modèle plus efficace. Elle est alors soit revendue sur le marché international de l'occasion, soit démantelée[82].
Si le recyclage de l'acier composant le mât, du cuivre et des équipements électroniques est maîtrisé, le traitement des pales pose un problème du fait de leur composition :composées d'un mélange defibre de verre et defibre de carbone liées à l'aide derésine de polyester, elles dégagent à la combustion desmicroparticules qui obstruent les filtres des incinérateurs[83]. Divers procédés permettent toutefois de les utiliser comme combustible dans des cimenteries après broyage[84] voire d'en recycler les matériaux. Deux procédés sont en cours d'industrialisation en 2022 pour employer des résines, permettant de récupérer les principaux constituants des pales après démantèlement[85],[86].
En France, depuis 2020, la loi impose à tous les exploitants de parcs éoliens de retirer l'intégralité des fondations lors du démantèlement, sauf dérogation« sur la base d'une étude adressée au préfet démontrant que le bilan environnemental du décaissement total est défavorable, sans que la profondeur excavée ne puisse être inférieure à 2 mètres dans les terrains à usage forestier au titre du document d'urbanisme opposable et 1 m dans les autres cas »[87].
Selon une étude, certains modèles d'éoliennes de 2,3 MW ont une puissance sonore qui peut varier entre 90 à 105 décibels (dBA) selon les conditions ; les bruits résiduels à proximité des éoliennes varient quant à eux entre 28,8 et 51,7 dBA pendant la journée, et entre 18 et 46,8 dBA pendant la nuit[88].
En France, l'implantation d'une éolienne domestique est réglementée ; les règles applicables varient selon la taille de l'éolienne. Le site Service-public.fr précise les règles à respecter pour une éolienne d'une hauteur maximale de 12 mètres sans permis de construire, le non-respect de ces règles expose le contrevenant à une amende de 1 200 €. Au-delà de 12 mètres de haut la demande de permis de construire est obligatoire. Toutes les zones ne sont pas susceptibles de recevoir une implantation d'éolienne domestique ; quatre zones principales sont interdites[90]. D'autres règles sont à prendre en compte. Il est par exemple nécessaire de demander une autorisation de défrichement si le terrain sur lequel l'éolienne va être implantée avait une destination forestière. Pour une éolienne de moins de 50 mètres, une distance d'au moins trois mètres doit être respectée par rapport à la limite séparative du voisinage. Les voisins doivent être informés au préalable de l'installation d'une éolienne. La normeEN 50 308 : « Aérogénérateur, mesures de protection, exigences pour la conception, le fonctionnement et la maintenance » s'applique à l'éolien[91].
En ce qui concerne l'acoustique des sites éoliens, l'arrêtéICPE du[92], applicable depuis le, réglemente ce domaine. Cet arrêté concerne l'ensemble des parcs français de travaux publics comme privés, ou des « travaux intéressant les bâtiments et leurs équipements soumis à une procédure de déclaration ou d'autorisation ». Certaines circonstances caractérisent l'atteinte à la tranquillité du voisinage ou l'atteinte à la santé comme « le non-respect des conditions fixées par les autorités compétentes en ce qui concerne soit la réalisation des travaux, soit l'utilisation ou l'exploitation de matériels ou d'équipements », « l'insuffisance de précautions appropriées pour limiter ce bruit », ou encore « un comportement anormalement bruyant ».
Afin de vérifier le bruit provenant des éoliennes, des études de développement[93] sont faites dans les futurs parcs éoliens, ces mesures sont prises au niveau des zones à émergence réglementée (ZER) durant une à plusieurs semaines. Le but est ensuite de déterminer le bruit ambiant du site sur lequel les éoliennes seront placées en modélisant au préalable le bruit des futures éoliennes.
La réglementation ICPE permet au préfet, en cas de plainte des riverains, de demander une expertise sur le site. Si celle-ci démontre que la réglementation en matière de bruit n'a pas été respectée, le parc peut être arrêté.
↑Pour une éolienne sans récupération d'énergie potentielle.
↑L'énergie cinétique du vent est de l'ordre de 1/2m.v2 ; la quantité d'air (massem) qui passe — par unité de temps — à travers la surface parcourue par les pales (le débit) est proportionnelle à la vitessev ; c'est ce qui explique le cube.
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