1.Présentation de la technologie Planification du projet... 17

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2 1.Présentation de la technologie Planification du projet Développement du projet Considerations and steps of project planning and implemetation Évaluation des ressources Mise en œuvre Choix du site et octroi du permis: introduction aux questions environnementales Transport et construction/travaux d installation Test et certification de l éolienne Activités d exploitation et d entretien Modélisation financière Composants de base et structure de modèle Principaux indicateurs de performance Principaux risques Lectures recommandées

3 1. Présentation de la technologie La ressource d entrée la plus significative pour un projet d énergie éolienne est le vent lui-même. Le vent est un courant de compensation de la masse d air qui se produit à la suite de différences de pression d air. Selon Burton et al. (2001, p. 12), les vents sont, en définitive, presque totalement animés par l énergie qui provoque des différences de température de la surface. «L air chaud monte et circule dans l atmosphère puis retombe à la surface dans les zones les plus froides. Le mouvement des masses d air à grande échelle qui en découle est fortement influencé par les forces de Coriolis, en raison de la rotation de la terre. Il en résulte un schéma général de circulation à grande échelle.» (ibid.) Le vent fait tourner les pales de rotor de l éolienne ; ainsi, l énergie cinétique est transformée en énergie mécanique. Le vent est donc considéré comme le «carburant» de l éolienne et, comme le relève EWEA (2009, p. 32), de petits changements de la vitesse du vent provoquent de grands changements dans la valeur commerciale de l électricité générée. Par exemple, une augmentation de 1% de la vitesse du vent peut entraîner une augmentation de 2% de l électricité produite. Le défi d'ingénierie pour l'industrie éolienne est de concevoir une éolienne pouvant exploiter efficacement l'énergie du vent et la transformer en électricité. Le concept d un rotor mu par le vent n est pas nouveau ; déjà dans la dernière moitié du 20ème siècle, les moteurs électriques étaient largement utilisés tant dans les ménages que dans les commerces. 3

4 Fabriquer une éolienne peut paraître simple ; mais c est relever un grand défi que de fabriquer une éolienne qui répond aux spécifications prédéfinies (fréquence, tension, contenu harmonique) pour la production standard d électricité, avec chaque unité fonctionnant comme une centrale électrique autonome ; supporte la variabilité du vent (les vitesses moyennes du vent sur les sites exploitables variant de 5 à 11 m/s, avec de fortes turbulences au niveau de la couche frontalière de la Terre et de violentes rafales pouvant atteindre 70 m/s); et est économiquement viable par rapport à d autres sources d énergie. (ibid., p. 63). Une majorité écrasante d éoliennes actuellement en service est constituée d éoliennes à axe horizontal et terrestres qui sont raccordées à un vaste réseau électrique (Burton et al. (2001, p. 7)). Les principales composantes d une éolienne sont la tour, les pales de rotor, la boîte de vitesse (s il ne s agit pas d une éolienne sans engrenages), et la nacelle qui transforme l énergie cinétique en énergie électrique et l injecte dans le circuit de distribution via les systèmes de raccordement au réseau électrique. Les éoliennes avec boîtes de vitesse sont livrées par les fabricants tels que Vestas, GE, Nordex et Senvion/Suzlon. Les éoliennes sans engrenages sont disponibles chez les fabricants tels qu Enercon, Siemens, Vensys et Goldwind. «Chez les éoliennes à axe horizontal (HAWT), le rotor de type à hélice est monté sur un axe horizontal. Le rotor doit être positionné dans la direction du vent au moyen d une queue ou d une régulation d'embardées active faite par un moteur d orientation. Les HAWT sont sensibles aux changements de la 4

5 direction du vent et aux turbulences qui ont un effet négatif sur la performance, en raison de la nécessité de positionner l éolienne dans le sens du courant d air. Les meilleurs emplacements pour les HAWT sont les zones ouvertes ayant une circulation d air non entravée et peu d obstacles.» (cf. Cace/ter Horst et al., 2007, p. 8). «Les éoliennes à axe vertical (VAWT) sont généralement mis au point pour un déploiement en zone urbaine. Les changements de la direction du vent ont peu d effets négatifs sur ce type d éolienne car point n est besoin de la positionner dans le sens du vent. Cependant, l efficacité générale de ce type d éolienne en matière de production d électricité est inférieure à celle des éoliennes HAWT. Historiquement, ces éoliennes sont classées parmi les éoliennes de type Savonius ou Darrieus, suivant le principe utilisé pour capter le courant d air. Pour le type Savonius, le vent pousse les pales, ce qui implique que la vitesse de rotation est toujours inférieure à la vitesse du vent. Par contre, la forme du rotor de type Darrieus fait en sorte qu il est possible que le rotor tourne plus vite que la vitesse du vent.» (cf. Cace/ter Horst et al., 2007, p. 9). 5

6 Une tour d éolienne n est pas simplement une structure de support. Elle porte haut l éolienne afin qu elle puisse atteindre les vents plus forts en altitude. En règle générale, l on doit construire une tour aussi haute que le permet la règlementation générale en matière de planification. À des hauteurs de moyeu plus élevées, le vent est généralement bien plus fort. Les tours d éolienne varient en type, taille et structure et sont conçues pour porter les éoliennes des hauteurs et capacités nominales différentes. Une brève description de différents types de tours est donnée, par exemple, dans la bible de l énergie préparée par l Agence d information sur l énergie (EIA) 1 : Tour haubanée. Une tour haubanée est une tour qui est maintenue en place à l aide des haubans. La tour elle-même est souvent un simple long pylône en acier qui mesure entre 9 et 30 mètres de hauteur. Il y a généralement trois ou quatre haubans en câbles d acier qui vont du sommet de la tour à l ancrage de hauban au sol, qui maintient la tour en place. Les ancrages sont généralement scellés dans une base en béton coulée dans le sol ou sont maintenus en place par des tarières qui ont été forées dans le sol. Les tours haubanées sont souvent le type de tour d éolienne le moins cher et sont généralement un excellent choix pour une petite zone résidentielle. Il faut bien noter que la tour haubanée nécessite beaucoup d espace en raison du fait que les haubans s étendent bien au-delà de la base de la tour. 1 Cf. 6

7 Tour en treillis autoportante. Ce type de tour est fait en treillis de bois, d acier ou d aluminium. Le moulin à vent en bois classique utilisé dans la vieille Europe pour pomper l eau est un bon exemple de tour en treillis de bois. De nos jours, la plupart de tours en treillis sont fait en acier pour des raisons de solidité. Comme ce type de tour ne peut être posée au sol, elle est généralement dotée d une échelle intégrée, afin que l on puisse gripper jusqu à son sommet pour réparer l éolienne. Le cadre en treillis comprend plusieurs supports structuraux ; il est donc, généralement, extrêmement robuste et résiste bien aux vents violents. Les tours en treillis sont généralement onéreuses que les tours haubanées, car elles nécessitent plus d acier mais ont l avantage d occuper peu d espace. En cela, elles sont idéales pour davantage de zones urbaines où il peut ne pas avoir de l espace pour installer une tour haubanée. Elles fonctionnent également bien dans des zones ayant des vitesses de vent très élevées ou inégales, en raison de leur force structurelle. Tour tubulaire autoportante. Ce type de tour est construit sous forme d un large tube, souvent conique à la base. Sur la plupart de plus grandes tours de ce type, il y a une échelle à l intérieur du tube qui permet au technicien de monter jusqu à l éolienne pour effectuer des travaux de réparation et d entretien. La plupart de grandes éoliennes commerciales utilisent cette conception. Avec la croissance de l industrie de l éolienne, les tours tubulaires qui portent des éoliennes dans la plage de 3 mégawatts à 5 mégawatts sont devenues très larges et hautes. En général, les éoliennes commerciales ont entre 61 et 110 mètres de hauteur et sont suffisamment larges pour porter une énorme éolienne. Les tours tubulaires comprennent différents matériaux et designs : les tours en acier sont fabriquées en plusieurs sections individuelles de tour ; les tours en béton ne sont pas fabriquées comme une construction monolithique ; elles sont composées d éléments séparés, préfabriqués en béton pouvant être transportés vers des endroits difficiles d accès. Les tours hybrides sont une combinaison d éléments préfabriqués en béton et d un tube en acier. Un matériau nouveau et novateur quoi que pas encore totalement adopté pour la construction de grandes éoliennes est le bois : les Tours en bois octogonales ou polygonales comprennent des panneaux de bois laminés et croisés qui peuvent être facilement transportée dans des camions ou des conteneurs ordinaires. 2 La première diapositive ci-dessus résume différents designs et matériaux de tour ; la seconde diapositive contient une brève analyse des avantages et des inconvénients des formes principales de tour utilisées de nos jours. 2 Cf. 7

8 Les éoliennes reposent sur différents types de fondations qui, pour des besoins d ingénierie, sont d abord sélectionnées en fonction des conditions géotechniques et du procédé de fondation du développement de la résistance aux forces de renversement. Avant de procéder à une conception détaillée de la fondation et de la plateforme de grue, des études de terrain adéquates sont nécessaires. Il s agit généralement de faire faire par un expert indépendant des trous de prospections, des trous de forage, des essais in-situ et en laboratoire des échantillons dans le cadre des études de sol pour chaque fondation d éolienne dans un parc éolien. Morgan/Ntambakwa (2008, p. 1f.) expliquent que la forme de fondation la plus simple est la fondation superficielle qui est essentiellement une fondation de caissons qui repose sur la terre de couverture et le béton pour fournir assez de poids, pour qu il n y ait pas de renversement de la fondation suite aux charges éoliennes extrêmes (cf. schéma supérieur dans la diapositive ci-dessus). Ce type de conception est applicable dans une vaste gamme de forces sol de fondation, allant de la terre aux roches. Les critères suivants sont considérés comme essentiels pour la conception des fondations de l éolienne à fondation superficielle (ibid., p. 4) : rigidité force stabilité tassement différentiel durabilité et économie 8

9 On rencontre souvent les fondations sur pieux et sur capot dans les régions où une terre et des roches de bonne qualité se trouvent à des profondeurs plus importantes. Les pieux transmettent les charges du capot au sol de fondation à travers une combinaison de friction et une résistance de pointe, et résiste aux charges latérales à travers la pression latérale du sol sur le pieux (ibid., p. 1; cf. le dessin inférieur dans la diapositive ci-dessus). L ancrage pour la roche et les fondations de capot se rencontrent typiquement dans les régions où le substratum rocheux dur est accessible à faible profondeur. La fondation supporte les charges grâce à une combinaison de la pression d appui sous le capot au niveau de l assise et de la tension dans les barres d acier jointoyées dans les trous de forage et post-contraints (ancrages pour la roche). D autres types de fondations hybrides existent et leur mécanisme de résistance aux forces de renversement peut être considéré comme une combinaison des mécanismes employés dans les types de fondation cidessus (ibid., p. 2). 9

10 Le développement de la technologie d éolienne a évoluée rapidement au cours des 30 dernières années et a abouti à une augmentation radicale, à la fois, de la taille et du rendement. Aujourd hui, les éoliennes à terre ont une capacité nominale de 2,5-6,0 MW chacune, des diamètres de rotor et des hauteurs de moyeux pouvant atteindre 126 m et plus de 140 m, respectivement. Au cours des dernières années, quoique le marché des éoliennes à terre s intéresse toujours aux éoliennes encore plus grandes, on a observé un nivèlement de la taille des éoliennes au centre du principal marché d éoliennes à terre, et une focalisation sur l accroissement de l offre de volume dans la plage de 1,5 à 3 MW (cf. les deux premières diapositives ci-dessus). «La croissance exponentielle de la taille de l éolienne observée par le passé était alimentée par un certain nombre de facteurs. Les petites tailles observées au départ, environ kw, n étaient clairement pas optimales pour l économie du système. Les petites éoliennes demeurent bien plus chères par kw installé que les grandes, surtout si la fonction première est de produire de l électricité injectable dans le réseau. Ceci est en partie dû au fait qu il est nécessaire que les tours soient plus hautes proportionnellement par rapport au diamètre, pour s affranchir des obstacles au flux du vent et d échapper aux pires conditions de turbulence et de cisaillement de vent près de la surface. Mais cela est surtout dû au fait que les contrôles, le raccordement électrique au réseau et la maintenance sont une proportion beaucoup plus élevée de la valeur du capital du système.» (cf. EWEA, 2009, p. 72) L une des raisons pour lesquelles, entre-temps, les tailles des éoliennes augmentent moins vite est que les éoliennes de nos jours ont un prix unitaire plus élevé (c.-à-d. la turbine) que celui d il y a 10 ou 20 ans. 10

11 Par exemple, dans les années 1990, une éolienne coûtait quelques centaines de milliers d Euros ; actuellement, le prix d une simple éolienne de 2,5 MW est d environ 3,0 million d Euros. En raison de ces prix unitaires élevés (et les besoins de financement correspondants), les banques qui financent les projets demandent que le fabricant et sa technologie aient «fait leurs preuves», c.-à-d., aient une fiabilité prouvée, ce qui signifie généralement qu une quantité minimale de turbines du type choisi ait été préalablement installée et fonctionne en permanence conformément aux spécifications garanties. Ceci doit être pris en compte et vérifié par des acheteurs potentiels avant de signer un contrat d achat d éoliennes, afin d'éviter, par la suite, les ennuis dans le financement de l'acquisition. Pour ce qui est de la mise au point de la technologie de l éolienne, quelques tendance clefs ont été identifiée par EWEA (ibid., pp. 78 ff.) : Diamètres de rotor plus large dans le but d optimiser les éoliennes pour les sites ayant de faibles vitesses de vent ; Régulation par variation du calage des pales contre régulation par décrochage aérodynamique. La régulation par décrochage aérodynamique a prédominée dans les années 1990, mais de nos jours, la régulation par variation du calage des pales est l option favorite pour des machines les plus grandes ; Variation de la vitesse. Le fonctionnement à vitesse variable donne la possibilité d une plus grande adaptabilité au réseau et une réduction de charge ; Innovations de la chaîne dynamique, y compris l entraînement direct et les Génératrices à aimants permanents (PMG) ; Masse du rotor et de la nacelle. L identification de la tendance de la masse du rotor est compliquée en raison de l existence d un grand nombre de matériaux utilisés, du choix des surfaces portantes et de la vitesse en bout de pale du modèle, autant de facteurs pouvant influencer directement la solidité (surface effective) et la masse de la pale. Le graphique de la seconde diapositive ci-dessus montre que le rotor est surtout la masse de nacelle augmente de manière linéaire par rapport à la capacité nominale des éoliennes. Pour chaque style de design donné, la masse de la nacelle est largement déterminée par le couple nominal de l éolienne, dont l échelle est le cube du diamètre. Ceci implique qu avec une conception cohérente au même niveau de développement technologique, l exposant d échelle de la masse de la nacelle sera cubique (ibid., p. 84). La prise en compte des données provenant de différentes sources publiques, EWEA (ibid.) montre que la masse de la nacelle se normalise quasiment comme le carré du diamètre. On dit des plus grandes éoliennes qu elles dévient de manière significative de la ligne de tendance et, si on prend uniquement le cas des grandes éoliennes modernes de plus de 80 mètres, on constate que l exposant est quasi cubique. Les fabricants n ont pas fini d introduire de nouveaux concepts dans le schéma, la structure et les composants de la chaîne dynamique pour réduire la masse et le coût, tout en évitant la mise à l échelle cubique (ou pire lorsque les charges de gravité commencent à dominer), les augmentations de la masse du système et les coûts liés à la mise à l échelle supérieure, un concept qui fait actuellement l objet d une étude approfondie dans le cadre du projet UpWind. Ce projet comprend une exploration de la faisabilité technique et économique des éoliennes de 10 et 20 MW. 11

12 La figure ci-dessus montre la chaîne dynamique d une éolienne et le déroulement du processus des vitesses de vent intermittentes à la fréquence constante du courant alternatif (CA). La chaîne dynamique est un élément clef dans la conversion du vent en électricité et doit être efficace, fiable et d une bonne facilité d entretien. Traditionnellement, les systèmes à chaîne dynamique comprennent quatre composants principaux que sont un essieu, une boîte de vitesse, une génératrice et un convertisseur de puissance. Les nouvelles technologies en matière de génératrice, tels que les génératrices à aimants permanents ont rendu possible l utilisation d assemblages à entraînement direct. Ces assemblages ont moins de pièces mobiles, ce qui réduit le taux de panne général des éoliennes. La figure montre l assemblage général ; mais, il peut varier en fonction du type de génératrice et d autres facteurs. Les concepts de chaîne dynamique suivants sont courants dans les éoliennes : Génératrices asynchrones à deux vitesses ou à vitesse fixe Génératrices à induction à double alimentation Génératrices synchrones à aimant permanent Les systèmes à aimants permanents font leur apparition dans la production de l énergie éolienne en raison de leur structure mécanique simplifiée, en comparaison de la solution traditionnelle. Ceci est dû au fait qu aucune boîte de vitesse n est nécessaire. 12

13 En se référant à la vitesse de rotation, les concepts de d éolienne peuvent être classés en vitesse fixe, vitesse limitée et vitesse variable. Pour ce qui est des éoliennes à vitesse variable qui sont basées sur la valeur nominale du convertisseur de puissance liée à la capacité de la génératrice, elles peuvent être davantage classées en systèmes de génératrices éoliennes ayant un convertisseur électronique de puissance à échelle partielle et à échelle grandeur nature (cf. Li/Chen, 2008, p. 124). Le convertisseur de puissance a pour fonction de transformer le courant alternatif (CA) variable en courant direct (CD) et du CD à constant, une fréquence CA compatible au réseau. Selon Hansen (2012, pp. 76f.), dans les anciens systèmes à vitesse fixe, les fluctuations de vitesse sont converties en fluctuations mécaniques et donc en fluctuations de l énergie électrique. En cas de réseau de capacité insuffisante, ces systèmes peuvent engendrer des fluctuations de la tension au point de raccordement. À cause de ces fluctuations de la tension, l éolienne à vitesse fixe extrait des quantités variables de puissance réactive du réseau utilitaire, ce qui augmente à la fois les fluctuations de la tension et les affaiblissements de la ligne. Ainsi, les principaux inconvénients de ce concept sont qu il ne supporte aucun contrôle de vitesse, qu il nécessite un réseau solide et que sa construction mécanique doit être en mesure de tolérer des fortes contraintes mécaniques. C est pour cette raison que les éoliennes modernes sur des marchés d énergie éolienne saturés comme celui de l Allemagne sont nécessaires de nos jours pour stabiliser le réseau. Hansen, Anca D. (2012): Generators and Power Electronics for Wind Turbines in: Ackermann, Thomas (editor): Wind Power in Power Systems», Second Edition, John Wiley & Sons, Ltd.,

14 Selon EWEA (2009, pp. 201f.), la taille moyenne de turbine annuelle a augmentée de manière significative au cours des dernières années, d environ 200 kw en 1990 à 2 MW en 2007 au Royaume-Uni, en Allemagne, en Espagne et aux États-Unis. Il existe une différence majeure entre certains pays : en Inde, la taille moyenne installée en 2007 était d environ 1 MW, c est-à-dire de très loin inférieure aux niveaux du Royaume-Uni et de l Allemagne. Depuis lors, le segment de MW, les éoliennes ayant des capacités de 2,5 MW et plus, deviennent de plus en plus importantes et sont devenues la norme sur le marché. Une comparaison de l ancienne technologie à la nouvelle, révèle que certaines tendances majeures ont dominées le développement des éoliennes raccordées au réseau au cours des dernières années : Les éoliennes sont devenues plus importantes et plus grandes (tant au niveau de la hauteur de moyeu que du diamètre du rotor). Ainsi, la taille moyenne des éoliennes commercialisées a augmentée de manière significative. En général, les coûts d investissement par kw ont baissés, mais les coûts d acquisition d une éolienne ont augmenté en raison de l augmentation de la taille totale de l éolienne. L efficacité de production de l éolienne mesurée comme facteur de capacité a augmenté de manière régulière. Les anciennes éoliennes avaient des facteurs de capacité comparativement faibles sur la plupart de sites moyens, mais ils étaient élevés sur des sites ayants des vents forts. Les éoliennes modernes permettent d avoir des facteurs de capacité élevés, même sur des sites ayant des vents moyens ou faibles. 14

15 Les éoliennes sont devenues de plus en plus compatibles au réseau : alors que les anciennes éoliennes ne fournissaient pas du tout ou fournissaient juste un peu de soutien de la tension limitée et consommaient la puissance réactive du réseau, les éoliennes modernes peuvent à la fois fournir un soutien total de la tension et générer la puissance réactive pour le réseau, ce qui permet d augmenter la stabilité générale du réseau. Le tableau ci-dessus montre une comparaison détaillée des principales différences entre les anciennes et les nouvelles éoliennes. Gasch/Twele (2009, pp. 50f.) expliquent que les éoliennes sont des convertisseurs d énergie ; cela signifie qu indépendamment de l application, du type d éolienne et du principe de construction, toutes éoliennes convertissent l énergie cinétique des masses d air en mouvement en énergie mécanique de rotation de sorte que deux principes aérodynamiques différents puissent être utilisés, à savoir l effet de portance et l effet d entraînement. Étant donné que l utilisation mécanique directe de l effet d entraînement a un très faible degré d efficacité, les applications techniques qui exploitent cet effet (toujours en utilisant un axe vertical) se rencontrent rarement de nos jours. Les dispositifs de mesure tels que les anémomètres font exception. Parmi les applications techniques qui utilisent l effet de portance, le principal critère de différentiation est la direction axiale du rotor. L avantage des éoliennes à axe vertical (cf. la description des éoliennes 15

16 Savonius et Darrieus ci-dessus) est qu elles ne nécessitent pas d être positionnées dans la direction du vent ; néanmoins elles ne se commercialisent pour la production industrielle d énergie en raison d autres inconvénients (tels que la faible efficacité et des faibles vitesses de vent à de petites hauteurs au-dessus du sol). De nos jours, les éoliennes à axe horizontal sont essentiellement utilisées pour la production commerciale de l électricité, qui est la plus importante application des éoliennes. Le graphique ci-dessus résume les principaux principes de construction des convertisseurs d énergie éolienne et leurs applications pratiques dans l utilisation technique quotidienne. Comme on le voit, les principes de construction d une éolienne sont influencés par l application pratique respective, si bien que, selon Gasch/Twele (ibid.), les combinaisons d utilisation suivantes peuvent être observées : Application directe de l énergie éolienne au moyen de l effet d entraînement : stimulation des actions de broyage, sciage, martèlement et de pression. Toutefois, l importance est faible de nos jours. Conversion en énergie hydraulique : utilisation pour pomper l eau Conversion en énergie thermique : utilisation pour le chauffage et le refroidissement Conversion en énergie électrique : utilisation pour la production de l électricité et a) injection dans les réseaux publics ou b) utilisation hors réseau dans des systèmes locaux clos ex. : avec une installation de stockage dans des batteries et une génératrice diésel de réserve et/ou une centrale électrique photovoltaïque. Le rapport lambda (λ) de la vitesse en bout de pale est influencé par le nombre de pales de l éolienne (z) : plus l éolienne a de pales, plus lente est la vitesse de rotation. Par conséquent, les éoliennes ayant une seule pale de rotor, sont les rotors les plus rapides. 16

17 2. Planification du projet 2.1 Développement du projet Lors de la planification d une centrale écologique, c.-à-d. d un parc éolien totalement nouveau, nous préconisons la concentration, dès les débuts, sur les aspects essentiels qui conditionnent la réussite d un projet, afin d évaluer son potentiel de réussite sans engager trop de dépenses et sans trop s investir. Sur la base de cette évaluation initiale, ces aspects seront alors concrétisés et analysés de manière approfondie dès que la décision de poursuivre le processus de développement est prise. Nous savons par expérience que pendant le long processus de planification d un parc éolien, de nombreuses modifications sont apportées à l idée initiale de projet ; il est donc capital que les personnes en charge du processus de planification agissent de manière prompte et flexible afin de s adapter aux changements dans ce cadre dynamique, et mènent le projet à sa réussite. Au début, le suivi de projets se fait généralement sur la base de critères économiques et de prise de décisions techniques (ressources éolienne sur site, disponibilité des droits fonciers et raccordement au réseau, comparaisons des turbines, accès au financement et rentabilité financière susceptible d être générée du projet) qui sont alors confrontés aux contraintes environnementales et de planification du cadre juridique respectif du pays dans lequel se situe le projet. Dans les pays occidentaux qui 17

18 connaissent déjà une forte pénétration de l éolienne, le processus de prise de décisions par les sponsors de projets est de plus en plus influencé par des contraintes de construction ainsi que par des lois sur la protection de la faune et de l environnement, les opinions politiques au sein des communautés, et les droits de véto des différents intervenants tels que les autorités de l aéronautique ou l armée qui s inquiètent pour leurs sections radar. À l heure actuelle, les décisions de mise en œuvre de projets prises sur la base de critères techniques et économiques sont rarement possibles sur les marchés plus matures de l éolienne. Les décisions fondées sur des critères politiques et juridiques sont généralement sous-optimales du point de vue de l investisseur, ce qui aboutit à des projets moins attractifs sur le plan économique. Le processus d identification du projet vise à distinguer un emplacement de parc éolien approprié ou bon, de celui qui ne l est pas. Un emplacement de parc éolien approprié peut être défini comme celui pour lequel on a assez de preuves qu on peut obtenir le permis de réaliser un projet et qui répond à au moins un des critères de base de viabilité économique qu exigent les investisseurs. À lui seul, un processus de planification et d obtention de permis régulier et facile ne suffit pas pour ajouter de la valeur si le «package des droits de projet prêt à démarrer» (enfin) obtenu ne permet pas l érection et l installation d un parc éolien au taux de rendement exigé par le(s) propriétaire(s). D ailleurs, en raison des coûts de développement du projet qu il nécessite, un tel processus détruit, au contraire, de la valeur. Le diagramme de processus sur la diapositive ci-dessus montre les différentes étapes et les aspects essentiels qui doivent être pris en compte dans la phase d identification du projet sur la base de critères techniques, 18

19 économiques et de prise de décision de planification. Après l évaluation initiale du potentiel éolien du site, les parcelles ayant les rendements les plus prometteurs et dont l accès est facile sont sélectionnées. On doit s assurer que ces parcelles soit libres de restrictions d utilisation en faveur d autres projets ou que leur utilisation actuelle (ex. : agricole) peut devenir éolienne. Les critères environnementaux à l exemple de zones à protection spéciale comme les sites du réseau NATURA 2000 en Europe ou les distances minimales des habitations et des villages, doivent également être pris en compte, car soit il est interdit de construire dans ces zones, soit les locaux s y opposent à toute construction. En outre, un point de raccordement réseau proche ayant une capacité libre doit être disponible car de longues lignes de câbles et la construction de nouvelles sous-stations sont onéreuses et peuvent augmenter significativement le budget d investissement du projet. Lorsque nous identifions un site prioritaire «sans tension» et de bonne taille pour le projet de parc éolien, nous passons à la planification détaillée du projet, aux campagnes de mesure du vent et aux études d évaluation de l impact environnemental. Dans la plupart de cas, la délivrance des permis de construire des parcs éoliens se fonde sur la définition de zones tampons minimales autours des villages ou des bâtiments, des infrastructures publiques telles que les routes ou les rails, ou des sites environnementaux protégés que le promoteur du projet doit respecter. Comme il n existe généralement pas une définition uniforme de la taille de telles zones tampons, leur importance varie d un pays à l autre, d un État fédéral à l autre (ex. : en Allemagne), voire d une communauté à l autre. En outre, les critères de distance ne sont parfois que des «recommandations de 19

20 planification» non contraignantes, parfois des dispositions juridiquement contraignantes de la loi sur la construction. C est pourquoi il est conseillé de procéder à une recherche intensive et à une évaluation initiale des critères d évaluation appropriés au début du processus de planification. Une estimation initiale minutieuse de la distance de planification est de mètres ou 10 fois la hauteur totale de l éolienne, par rapport aux villages ou aux habitations (Cf. DIE, 2012). Les définitions des critères de distance ont également été utilisées par le passé comme instruments politiques soit pour entraver, soit pour favoriser le développement de l énergie éolienne, comme nous le montre le cas allemand. Alors qu il y a quelques années les critères de distance restrictive et les vastes zones tampons qui en découlaient empêchaient les promoteurs d étendre les parcs éoliens existants, le basculement plus clair des décideurs en faveur de l installation de nouvelles infrastructures de production de l énergie renouvelable et le souci d atteindre les objectifs de réduction des émissions du CO 2 ont entraîné l assouplissement des définitions des zones tampons dans certains États de la fédération comme la Bavière et le Baden Württemberg. Les aspects essentiels qui régissent la définition de zones tampons par rapport aux villages sont 1) les bruits des turbines 2) les effets stroboscopiques : 1. Une étude détaillée du bruit sur la base du scénario du pire des cas du point de vue des habitants locaux et des autres intervenants, demeure une condition essentielle à remplir avant la demande de construction. L étude doit prouver que les valeurs de bruit absolues maximales définies par la loi ne seront en aucun cas pas dépassées sur chaque site d éolienne ; dans le langage des émissions sonores, il s agit de ne pas dépasser le «point d émission». 2. Un autre aspect largement débattu est l émission de l ombre qui peut être causée par la rotation périodique de pales lorsqu elles sont influencées les variations des niveaux de lumière. L impact du soi-disant «effet disco» (changement fréquent de «ombragé» à «non ombragé») qui en résulte doit être évalué dans une étude distincte des effets stroboscopiques. 20

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22 La construction et l exploitation d un parc éolien impliquent l intervention de l homme dans la nature et sur l environnement étant donné que diverses activités exécutées lors des différentes phases du cycle de vie d un parc éolien (construction, exploitation, déclassement (et renouvellement)) peuvent avoir quelques impacts environnementaux et sociaux négatifs. Par conséquent, le planificateur a l obligation d effectuer une évaluation d impact intensive avant l acceptation publique du projet (représentée par la délivrance d un permis de construire). Contrairement aux projets d exploitations des énergies fossiles, les parcs éoliens sont perçus comme la forme la moins agressive de production de l énergie électrique. Ceci rend également l évaluation d impact environnemental des projets d énergie éolienne généralement moins difficile que les évaluations comparables pour les centrales électriques conventionnelles. L investigation initiale liée au site portant sur l environnement et d autres critères de distance se base sur le «principe d exclusion» dans lequel l ensemble de différents critères suivant est appliqué à une zone de développement d un projet / région administrative choisie sur la base d un processus de cartographie au moyen de cartes numériques ou interactives et du logiciel Géo Information Software (GIS) : Les zones de protection spéciale (SPA) doivent être marquées sur la carte des surfaces, afin de les exclure du processus de planification. Les exemples pour SPA comprennent les zones couvertes par la Directives Habitats Faune Flore (FFH), les parcs nationaux, et les zones de protection des eaux. La Commission européenne met à disposition un site internet ayant des liens vers des cartes interactives détaillées de 22

23 tous les sites de NATURA 2000 dans les pays membres du réseau 3. De tels services aident les planificateurs à se faire très rapidement et gratuitement une première idée des SPA en tant que facteurs limitants. Itinéraire de migration d oiseaux. Des informations locales sur les zones nidification d oiseaux protégés sont nécessaires lors du processus de planification. Avant de commander des études excessivement onéreuses sur les oiseaux et d autres animaux affectés, le planificateur doit échanger amplement avec les autorités et d autres intervenants locaux pour savoir quel travail a déjà été effectué et ce qui est précisément demandé lors du processus d obtention du permis. Le critère distance pour la protection des animaux dépend en général des espèces concernées et le permis peut être délivré par différents organismes et autorités. En Allemagne, les distances requises entre les parcs et les zones de nidification de divers oiseaux sont de 500 mètres pour les grues, à mètres pour les aigles et mètres pour les cigognes. Distance par rapport à d autres zones de protection de la nature. En générale en Allemagne, nous nous attendons à une distance minimale de 200 à 500 mètres des autres zones protégées, tandis que la distance des réserves biologiques protégées varie entre 50 et 200 mètres et la distance des zones forestières et des plans d eau (rivières et lacs, etc.) devrait être d au moins 200 mètres. D autres critères (non environnementaux) de distance qui doivent être respectés dans le processus de planification (selon DIE, 2012) sont la distance des routes (environ 1,0 1,5 fois la hauteur totale de l éolienne) lignes de transport d électricité (au moins 1,5 fois le diamètre du rotor) oléoducs et gazoducs souterrains, chemins de fer, héritage culturel (au cas par cas, souvent selon les ordres publics) aéroports et tous types de sections radar (1,5 10 km au cas par cas, souvent selon les ordres publics) Une recherche intensive des critères de distance spécifiques à la région et au pays est inévitable au début de toute activité de planification, afin d éviter des mauvaises surprises plus tard dans le processus d obtention de permis. Comme dans tout travail de promotion d un projet, rencontrer personnellement les autorités locales et chercher à connaître les critères à respecter s est avéré être une stratégie gagnante. Elle crée la confiance mutuelle et aide à développer des relations personnelles

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25 Pour Moiloa (2009, p. 34), les systèmes d information et la planification sont «jumeaux» depuis les années 80. Les systèmes d information, surtout le Logiciel d information géographique (GIS), ont évolué en matière de planification, parallèlement aux changements de perspectives de planification depuis les approches scientifiques (années 50 à 70) aux perspectives orientées vers le processus politique (années 80), pour se focaliser sur les approches fondées sur la communication et la participation du public (années 90). À cette évolution en matière de planification coïncide une augmentation en parallèle de l accessibilité et de la convivialité de la technologie GIS qui est passée d une technologie «réservée uniquement aux experts» à une technologie ouverte à tous. Le «principe d exclusion» mentionné ci-dessus, peut donc être suivi au moyen du GIS : les fonctions analytiques fondamentales d un système spatial d aide à la décision basé sur le GIS comprennent l analyse d interrogation, de la proximité ou de zone tampon, de superposition, du quartier, du réseau, et la modélisation. Diverses combinaisons de ces fonctions sont fréquemment utilisées lorsdu processus d analyse des données géographiques. Selon Longley et al (2003, cf. Moiloa, 2009, p.37), l opération de définition de zones tampon est l une des plus importantes transformations pour l utilisateur du GIS. Pour un ensemble d objets donné, une opération de définition de zone tampon crée un nouvel objet en identifiant toutes les zones à une distance spécifique de l objet initial (ibid.). «Le fait de créer un tampon tamporisation- est définie comme la formation de zones contenant des emplacements au sein d une plage d un ensemble de caractéristiques données. Les zones tampons sont souvent circulaires ou rectangulaires autour des points ou des couloirs de largeur constante près des lignes et des zones» (ibid., p. 38). «Pour ce 25

26 qui est de la planification énergétique, la superposition déterministe et les fonctions de tampon sont utilisées la plupart du temps dans les études d emplacements de sites» (ibid., p.39). Pour les études d emplacement de sites faites avec GIS, les couches cartographiques correspondant à différentes contraintes prédéfinies qui intègrent des critères qualitatifs et donnent un seuil de prise d une décision finale sont créées ; puis vient l allocation des masses à chaque couche et de notes à tout attribut dans les couches grâce aux méthodes de reclassification et de génération de la zone tampon. Dans un exemple de Moiloa (2009, p. 47), le modèle des contraintes du GIS pour une région de développement de l énergie éolienne au nord-est de l Angleterre comprend huit catégories (patrimoine culturel, paysage, Ministère de la Défense, conservation de la nature, radar, distance de sécurité/basculement, vitesse du vent et beauté du paysage/bruit). Toutes ces catégories sont subdivisées en critères (ex. : la catégorie «Distance de sécurité/basculement» est divisée en critères «Autoroutes», «Routes A», «Routes B», «chemins de fer» et «Pylônes électriques») classés en zone de contraintes absolues sur la base de paramètres spécifiés avec des limites définies c.-à-d. «distance de < 700 m = interdit d accès», ou en zones de consultation qui nécessitent de plus amples discussions et recherches. L utilisation de la fonction de superposition dans le GIS pour combiner les couches produira la carte de contraintes. Cette dernière indiquera les zones les plus et les moins adaptées à la création d un parc éolien (ibid., p. 40). Si les décideurs sont insatisfaits du résultat de la carte de contraintes, ils peuvent modifier tous les paramètres subjectifs (ou valeurs tampons), jusqu à ce que le résultat soit conforme à leur point de vue (ibid.). Les deux cartes des diapositives ci-dessus sont des cartes de contraintes pour un échantillon de région de développement de l énergie éolienne à l est de l Allemagne dans l État fédéral du Brandebourg. La première carte contient toutes couches de contrainte utilisées par le développeur pour déterminer les zones de faible conflit pour l énergie éolienne de son point de vue, et sur la base des hypothèses de son choix. Ces zones sont marquées en bleu et peuvent servir de directions d impact pour ses futurs travaux de développement. Dans la seconde carte, toutes les couches ont été retirées pour ne montrer que des zones de faible conflit (toujours en bleu). En outre, les zones actuelles de développement de l énergie éolienne qui ont été présentées par les autorités locales comme zones prioritaires pour l énergie éolienne ont été incluses (toutes sont marquées en vert). Avec ces deux cartes comme base de décision, un promoteur d un parc de production d énergie éolienne commencera à acquérir des droits fonciers à son nom sur les zones bleues et vertes, et les zones bleues/vertes qui se chevauchent sont les sites pour lesquels l obtention de permis est assez probable. Quant aux zones purement bleues, le promoteur devra sensibiliser d avantage les communautés et consulter les autorités publiques, afin de faire rendre (politiquement) prioritaires ces zones (en vert). Cette dernière option peut durer des années, voire ne même pas avoir lieu. 26

27 2.2 Considerations and steps of project planning and implemetation Un aspect important à inclure dans tout schéma de micro-implantation de parc éolien est ce qu on appelle «effet de parc» car il provoque des pertes dues au sillage. L effet de parc décrit la relation entre la «production libre» que les turbines pourraient générer de manière autonome sans restrictions relatives à la «production du parc» qu elles peuvent générer dans le cadre d un parc éolien : lorsque plus d une turbine est installée à un endroit donné, un parc éolien est créé et les turbines s influencent mutuellement selon leur position exacte sur le parc à travers les effets stroboscopiques. Selon EWEA (The Facts Ch.1 p.52), «les éoliennes extraient l énergie du vent et en aval (cf. images ci-dessus), il y a un sillage issu de l éolienne, où [la] vitesse du vent est réduite. Alors que le flux va en aval, le sillage se propage et se reforme vers les conditions de courant libre. L effet de sillage est l influence regroupée sur la production d énergie du parc éolien qui résulte des changements de la vitesse du vent dus à l impact qu ont les turbines les unes sur les autres.» Les effets de sillage peuvent être divisés en effets internes et externes. Alors que les effets de sillage externes sont les effets que les éoliennes au sein du parc ont les unes sur les autres, les effets de sillage externes surviennent lorsqu on prend aussi en compte les éoliennes des projets voisins. Les effets internes et externes peuvent changer (et en général, ils augmentent) dans le temps, ex. : lorsque les parcs éoliens futurs sont construits près du projet (externe), ou le projet existant est étendu par l implantation ou l autorisation de nouvelles turbines à un stade ultérieur (interne). Ces futurs effets supplémentaires 27

28 doivent être pris en compte, car ils réduisent la production des turbines existantes en provoquant une baisse de la rentabilité générale. Deux critères principaux gouvernent le schéma et le positionnement des éoliennes sur un parc : l intensité de turbulence et l optimisation de l effet de sillage. L intensité de turbulence (T) est une mesure pour la volatilité à court-terme des vitesses du vent et est i.a. déterminée par l orographie du site. Lors de la planification du schéma du projet, nous devons nous assurer que T pour toutes les éoliennes sur le parc se trouve dans une zone certifiée pour un fonctionnement sûr et à faible usure. Si ce n est pas le cas, c est que l utilisation de la turbine se fait en dehors du mode accrédité, ce qui peut entraîner une usure et une dégradation accélérées. Si l intensité de turbulence dépasse le seuil toléré, la certification du type de turbine et les permis d exploitation peuvent perdre leur validité et les turbines affectées doivent être arrêtées. La conformité à l intensité de turbulence adéquate peut être prouvée par des conseillers techniques (ou experts en éolienne) indépendants. En générale, des évaluations indépendantes sont nécessaires si la distance entre les turbines est inférieure de 5 x le diamètre du rotor (3 x le diamètre du rotor uniquement, si la distance est mesurée verticalement par rapport à la direction principale du vent). Le second critère de détermination de la distance entre les turbines sur un parc éolien est l optimisation des pertes dues au vent tributaire de la direction du vent causée par les effets stroboscopiques, ayant conduit aux baisses de la production des turbines individuelles (cf. texte précédent). Une règle générale pour l optimisation du rendement énergétique du parc est souvent le but d atteindre une efficacité du parc 28

29 supérieure à 90% (surtout pour les très grands parcs éoliens), ce qui nécessite une distance minimale de 3 x le diamètre du rotor à la verticale par rapport à la direction principale du vent (si possible, il faut choisir 5 x le diamètre du rotor) et une distance minimale de 7 x le diamètre du rotor dans la direction principale du vent (si possible, il faut choisir 8 x le diamètre du rotor). Ces critères de distance reviennent à une demande en superficie totale de trois à six ha / MW de capacité installée (DIE, 2012). La direction prédominante du vent en Europe de l Est est (sud-) sud-ouest et les schémas des parcs éoliens doivent être choisis, afin de positionner les turbines dans une position optimale vers cette direction. WAsP. WAsP a été mis au point en 1987 au département de l énergie éolienne, laboratoire national de Risø (Énergie éolienne DTU). Pendant plus de 25 ans, il a été utilisé dans la météorologie de l énergie éolienne et dans l industrie de l énergie éolienne et est devenu le logiciel sur PC standard de l industrie pour l évaluation des ressources éoliennes et le choix de sites d éoliennes et de parcs éoliens. WAsP est un programme informatique d extrapolation verticale et horizontale des statistiques du vent et du climat. Il contient plusieurs modèles pour décrire le courant d air sur différents terrains et obstacles près des habitations. (cf. WindFarmer. WindFarmer a été mis au point par une société de conseil en énergie éolienne, DNV GL, pour faciliter la conception de parcs éoliens, maximiser l énergie produite par les parcs éoliens tout en minimisant l impact environnemental. WindFarmer offre des modèles de sillage avancés et validés qui sont adaptés à tous types de parcs éoliens. Il permet l optimisation du schéma des turbines, l ajout de 29

30 différentes contraintes, et l échange de données avec d autres programmes, tels que le logiciel GIS. Il comprend aussi un module MCP (Mesurer-Corréler-Prédire). (Cf. WindPRO. WindPRO est une suite logicielle à base modulaire qui fonctionne sous Windows et qui sert à la conception et la planification d éoliennes individuelles et de parcs éoliens. Du fait de la structure modulaire, l utilisateur peut choisir les modules uniquement en fonction de ses besoins actuels. Les différents modules de WindPRO sont totalement intégrés, ce qui signifie qu un changement de données d entrées du module sera automatiquement enregistré sur tous les autres modules et les calculs du projet seront révisés en conséquence. [ ] WindPRO est devenu le progiciel le plus utilisé au monde pour la conception et la planification de projets d énergie éolienne. (Cf. OpenWind. OpenWind est un logiciel de conception de parcs éoliens pour les ingénieurs et les scientifiques. Il s agit d une source ouverte est téléchargeable gratuitement, utilisé et est conçu pour faciliter la tâche aux scientifiques et ingénieurs qui travaillent dans le domaine du conseil technique en matière d énergie éolienne et pour apporter de la transparence à ceux dont le travail est de veiller à ce que l industrie demeure sur des bases financières solides. Alors que la version ouverte est gratuite, les versions élaborées et payantes sont disponibles pour les utilisateurs avertis (OpenWind Basic & Enterprise). (cf. 30

31 Les projets d éoliennes sont conçus, construits, exploités et déclassés suivant le cycle de vie présenté dans la diapositive ci-dessus. Le délai moyen de mise en œuvre d un projet d éolienne en Allemagne est de 2 2,5 années, dont 18 à 24 mois pour la phase de planification, de développement et d obtention du permis du projet et une période de six mois pour la construction et l exploitation pilote. Du fait de la forte densité des installations d éoliennes dans la plupart d intéressantes régions de vent en Allemagne, les données de référence des turbines en fonctionnement sont disponibles, ce qui limite la nécessité pour les promoteurs de procéder à des campagnes de mesure du vent sur le terrain. Dans d autres pays, ce délai de mise en œuvre peut être beaucoup plus long (jusqu à 36 mois) en raison des processus d obtention de permis plus long et du fait de mesures sur le terrain qui doivent être effectuées. L étape de planification du projet en Allemagne s est également allongé au cours des dernières années, car la phase d acquisition, de préparation et de validation de la construction s est étirée en raison des délais d acquisition plus longs suite à la pénurie constamment croissante de bons emplacements pour éoliennes. La négociation et la passation de tous les marchés nécessaires du projet tels que la location de la terre, la fourniture des turbines, la construction clé en main, et les accords de fonctionnement et d entretien (O&M) peuvent être organisées parallèlement à la phase de développement du projet. L ensemble de la phase de développement du projet est terminée lorsqu un package des droits de projet prêt à démarrer a été généré et que tous les documents ont subi une vérification détaillée préalable. Après cela commence la période de construction et de mise en service qui a lieu lorsque le permis de construire a été délivré et les financements disponibles. Selon la taille du parc éolien, la période de construction et de mise en service dure entre quatre et neuf mois et se termine à la livraison clé en main du projet mis en service. Après son installation et son essai pilote, le projet entre dans le cycle d exploitation qui devrait durer entre 20 et 30 ans (le scénario de référence et généralement de 20 ans). Après cette période, le parc éolien sera soit mis hors service et les turbines démantelées, soit la période d activité sera prolongée si les turbines sont toujours en bon état et si le marché se prête à une exploitation économiquement viable. 31