L avenir de l énergie éolienne en Belgique

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1 Athénée Robert Catteau L avenir de l énergie éolienne en Belgique Par : Ludovic MARTINS Travail de fin d études sous la direction de Madame Bernardina RAKITZIS Année scolaire

2 Remerciements Je tiens à exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui m ont aidé et soutenu tout au long de ce travail. Je remercie Monsieur André POSSOT, Préfet des Etudes, qui a organisé des conférences pour nous aider à mieux comprendre le sens de ce travail. Je remercie Madame ROUSSEAU pour tous les séminaires qui nous ont permis d avoir une meilleure approche du travail. Je tiens également à remercier Madame RAKITZIS d avoir accepté d être mon professeur guide et d avoir fourni sa précieuse aide à la réalisation de ce travail de fin d études. J exprime également ma gratitude à mes parents et à mon frère, qui ont m ont énormément soutenu durant toute la durée de ce travail.

3 I. Introduction A. Les énergies renouvelables De nos jours, l approvisionnement énergétique repose à plus de 80% sur les énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz) et sur l uranium. Les énergies fossiles, qui ont pris des millions d années pour se former, ont malheureusement un stock limité : elles sont épuisables. Les réserves risquent d être largement épuisées à la fin de ce siècle, excepté le charbon. Il resterait une cinquantaine d années au pétrole, une soixantaine au gaz et une centaine à l uranium. Le charbon pourrait répondre à la demande mondiale encore pendant 200 ans 1. Par opposition à ces ressources épuisables, les énergies renouvelables constituent un véritable espoir pour l homme. Il existe 5 types d énergie renouvelable : l énergie hydraulique, l énergie solaire, la géothermie, la biomasse et l énergie éolienne. Celles-ci n ont en fait que deux sources qui sont le soleil (à l origine du vent, du cycle de l eau, des marées, de la croissance des végétaux) et la terre (qui dégage de la chaleur). Bien évidemment, l utilisation de ces ressources n est pas nouvelle. Durant la préhistoire déjà l homme brûlait du bois. Dans l Antiquité le vent était utilisé pour faire tourner les moulins ou faire avancer les navires. Cela dit, les énergies renouvelables sont devenues aujourd hui essentielles et leur essor semble inévitable durant le XXIème siècle, non seulement à cause du risque d épuisement des combustibles fossiles mais aussi pour d autres raisons 2 : la lutte contre la pollution atmosphérique favorisera le développement d énergies peu ou pas polluantes comme le vent, le soleil ou la géothermie. Les énergies fossiles provoquent le réchauffement progressif de la terre, à cause du gaz carbonique que leur combustion rejette. Les énergies renouvelables nous éviteraient ce réchauffement et ses conséquences climatiques désastreuses. Même la biomasse pourrait être bénéfique car le dioxyde de carbone que sa combustion rejette est réutilisé par les végétaux lors de leur croissance. En ce qui concerne l énergie nucléaire, les principaux inconvénients sont le stockage des déchets nucléaires, la sécurité des centrales (la situation de crise que vit la centrale nucléaire de Fukushima depuis le tremblement de terre du 11 mars 2011 au Japon illustre parfaitement le problème) et le risque de prolifération des armes nucléaires. 3 Cependant, l importance des énergies renouvelables dans la fourniture d énergie mondiale reste assez faible. Seule la biomasse (11%) et l énergie hydraulique (2%) 1 site consulté le 02/02/11 2 Jacques VERNIER, Les énergies renouvelables, Paris, PUF, 2009, p.5 3 Jacques VERNIER, ibidem, p.7 3

4 occupe une place significative. Plusieurs scénarios estiment que l énergie renouvelable pourrait produire, en 2020, 23 % de la production mondiale d énergie (au lieu des 14% actuels). D autres études, plus optimistes, affirment que cette part pourrait atteindre 50% au milieu de ce siècle. B. L énergie éolienne 1. Origine du mot «éolienne» 1 L origine du nom «éolienne» est Eole, qui est un des personnages de la mythologie grecque. Il apparaît dans «l Odyssée d Homère» et est présenté comme le maître des vents, roi de l ile Eolia. Il accorda à Ulysse, désirant rentrer à Ithaque, des vents favorables et lui donna un récipient rempli de vents défavorables. Durant le voyage, les compagnons d Ulysse l ouvrirent, pensant qu il contenait du vin. Les vents s échappèrent et les repoussèrent vers l île. Encore humain dans l Odyssée, il deviendra une divinité mineure, fils de Poséidon. 2. Définition L énergie éolienne est l énergie du vent, plus exactement l énergie produite par le vent. Elle peut être qualifiée d énergie solaire car le vent est en fait une énergie solaire. En effet, les rayons du soleil réchauffe inégalement la surface de la terre et crée ainsi des zones de températures, de pressions et de densités différentes. C est à cause de ces différences que les déplacements d air se forment. L énergie éolienne peut être utilisée de deux manières : La conservation de l énergie : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (navire à voile, char à voile), pour pomper de l eau (moulins, éoliennes de pompage pour irriguer et abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d un moulin. La production d énergie électrique : l éolienne est couplée à un générateur électrique et fabrique du courant alternatif ou continu. Ce générateur est soit relié à un réseau électrique ou fonctionne de manière autonome avec un dispositif de stockage. Je me focaliserai dans ce travail essentiellement sur deuxième point, c est-à-dire les éoliennes produisant de l énergie électrique. La puissance d une éolienne est exprimée en Watt. En moyenne, une éolienne puissante a une puissance de 2Méga Watt (= 2000Kilo W = W) ; cela signifie qu elle produit 2 MW par heure. Cette puissance est dite «nominale» car elle représente l énergie que l éolienne produit si elle tourne à plein régime et dans des conditions optimales de fonctionnement. Dans ces conditions, l éolienne rapporterait en 1 an, MWh (2MW x 24h x 365 j.). En réalité, l éolienne ne tourne pas 24 heures sur 24 et ne fonctionne pas toujours à plein régime, en raison de l absence de vents. En Belgique, le taux d activité des éoliennes est évalué à un peu plus de 20%. La production annuelle d une 1 Anne OLLIER, Encyclopédie Thématique 4, Paris, Encyclopediae Universalis, 2005, p

5 éolienne de 2MW atteint les MWh. A titre de comparaison, la centrale nucléaire de Tihange a produit MWh 1 en Pour information, en Belgique, la consommation électrique annuelle moyenne par habitant s élève à 4 MWh 2. Donc une éolienne standard (2MW) couvrirait la consommation de 876 Belges. 3. La situation en Belgique La première éolienne de Belgique fut installée en 1983 dans le port de Zeebrugge. Elle était d une puissance de 175 kw. En 2008 fut installée la première éolienne offshore belge à environ 30 km au large de la côte de Knokke-Heist. Cette éolienne fut la première des 6 éoliennes du parc de Thorntonbank, entré en production en Il produit aujourd hui 30 MW. Sur les 9 autres projets offshores proposés, 1 parc est en construction, 4 ont obtenu le permis de construire, 1 attend ce permis et 3 autres sont au stade de la conception. 3 En 2010, l éolien a augmenté de 57 % en Belgique où plus d une centaine d éoliennes ont été installées. La capacité éolienne Belge s élève au total à 901 MW, selon les chiffres communiqués par la Fédération de l Energie d Origine Renouvelable et Alternative (EDORA) à l occasion du salon EWEA (Europe s Premier Wind Energy Event) qui s est tenu le 15 mars 2011 au Heysel. Notre pays recense sur son réseau électrique plus de 450 éoliennes regroupées dans 74 parcs. Les éoliennes produisent l équivalent de la consommation électrique annuelle de ménages. 4 Un ménage se compose en moyenne de 2,33 personnes le 02/04/ le 26/03/ le 26/03/ le 02/04/ le 03/04/11 5

6 Parcs éoliens en Belgique 1 Dans ce travail, je me consacrerai uniquement à l énergie éolienne. Je tâcherai de comprendre et d expliquer le fonctionnement d'une éolienne, de faire un état des lieux de son utilisation en Belgique, et de répondre à la question : en Belgique l énergie éolienne peut-elle représenter réellement une alternative aux énergies combustibles? 1 le 29/03/11 6

7 II. L histoire de l éolienne 1,2 L énergie éolienne est l une des plus anciennes énergies de la terre. C est au quatrième millénaire avant Jésus-Christ que les hommes commencèrent à utiliser l énergie du vent. En effet, les Chinois furent les premiers à dompter le vent et à l utiliser pour faire avancer leurs pirogues. Cette technique se répandra ensuite vers le peuple égyptien, connu pour avoir une grande maîtrise des voiles. Cependant, il faudra attendre le VIème siècle après JC pour voir apparaître chez les Egyptiens les premiers moulins à vent. Ceux-ci produisaient de l énergie mécanique qui servait à moudre le grain ou à pomper l eau pour l irrigation des cultures. Ces «éoliennes» primitives se composaient d une simple tour supportant des pales faites à partir de roseaux. Les moulins à vent ne feront leur apparition en Europe, plus précisément en Angleterre, qu au XIIème siècle. Ces machines seront introduites au XIIIème siècle aux Pays- Bas pour drainer les champs et en France pour l irrigation. De nombreuses améliorations seront apportées aux moulins pour les rendre plus efficaces. En 1888, la première turbine éolienne capable de produire de l électricité fait son apparition. Elle est l œuvre de Charles Brush, un scientifique américain de Cleveland dans l Ohio. Haute de 14 mètres, elle était composée de 144 pales, fabriquées en bois de cèdre, et elle fonctionnait avec un système d accumulateurs (batteries) qui stockaient l énergie produite. Elle pouvait produire 12 kw. En 1891, le danois Paul La Cour découvre que des éoliennes à rotation rapide composées de moins de pales produiraient davantage d électricité que des turbines à rotation lente. Grâce à cette découverte, il fut le premier à concevoir des éoliennes conçues à partir des principes modernes de l aérodynamique. Ses éoliennes produisaient 25 kw et étaient utilisées pour faire de l électrolyse et produire de l hydrogène pour la lumière à gaz de son école. Durant le XXème siècle, de nombreux essais seront réalisés. En 1957, l ingénieur Johannes Juul crée une éolienne qu il nommera Gedser et qui sert encore aujourd hui de modèle, à certains niveaux, aux éoliennes modernes. Elle fut la première à produire du courant alternatif et sa puissance avoisinait les 200 kw. Malgré ces importants progrès, l énergie éolienne ne suscitera pas beaucoup d intérêt pendant une grande partie du XXème siècle en raison de la découverte de gisements de pétrole partout dans le monde. Il faudra attendre la première crise pétrolière de 1973 pour réveiller l intérêt pour l énergie éolienne. Les gouvernements d Allemagne, de Suède, du Canada, du Royaume-Uni et des Etats-Unis décidèrent alors de financer des recherches sur l énergie renouvelable. Elles seront à l origine de la création de nouveaux designs d éoliennes qui réduiront le coût de fabrication de l énergie éolienne. Des parcs éoliens commencent à se développer dans les années 70 en Europe et aux Etats-Unis. La capacité de production des éoliennes augmente, notamment grâce à l amélioration des 1 le 09/02/ le 09/02/11 7

8 matériaux de construction. En Californie, seront installées, entre 1981 et 1990, éoliennes qui pouvaient produire jusqu à 350 kw. En 1991, les Danois démontrent qu il est possible d installer des éoliennes dans l eau. Durant la fin du XXème siècle, les parcs éoliens fleurissent dans de nombreux pays qui se préoccupent de la pollution de l air et des changements climatiques. 8

9 III. Du vent à l énergie électrique A. Structure de l éolienne L éolienne est composée de 4 parties principales : la nacelle, le rotor, le mat et les fondations. 1. Les fondations Les fondations sont généralement construites à partir de blocs de béton enterrés à une profondeur de 5 à 6 mètres. Elles assurent la stabilité du mat et de toute l éolienne. 2. Le mat Le mat, ou la tour, fixée dans les fondations, supporte la nacelle et le rotor. Il est évidemment indispensable que la hauteur de l axe de l hélice soit supérieure au rayon de celle-ci. Le plus souvent, la hauteur du mat égale le diamètre de l hélice. D autre part, le vent souffle plus fort en hauteur (voir au III.B.1). C est pourquoi, placer le rotor à une hauteur considérable (40160 mètres) permet de bénéficier d un rendement plus avantageux. Les tours peuvent être 1 En treillis métallique : robustes mais couteux et longs à monter. En béton : d un coût plus réduit mais longs à monter et moins pratique (pas réutilisable si on veut déplacer l éolienne ou la supprimer). Tubulaires : formés généralement de 3 parties (ce qui facilite le transport) assemblées par boulonnage. Les pylônes tubulaires et en treillis métallique peuvent être aussi haubanés (consolidés par des câbles) lorsque le relief le permet. 3. Le rotor Le rotor transforme une partie de l énergie du vent en énergie mécanique. Il est composé de pales portées par un nez appelé le moyeu. Quatre types de matériau peuvent être utilisés pour la réalisation des pales de l hélice 2 : 1) Le bois : léger, facile à travailler mais se déforme et est sensible à l érosion. Les masses des pales, identiques au départ, peuvent donc évoluer différemment. Les variations de poids et les déformations qui en résultent sont la cause de vibrations destructrices pour l éolienne. 2) Le métal : il résiste mal à la fatigue. Son emploi est limité. 3) Les pales composites : résultant d un mélange de différents matériaux (bois+polyester, bois+métal, ). Ce compromis est souvent utilisé pour les éoliennes de petite et de moyenne puissance. 1 Guy CUNTY, Eoliennes et aérogénérateurs, Aix-en-Provence, Edisud, 2001, pp Guy CUNTY, ibidem, pp

10 4) Les matières synthétiques composites, résines, fibres : ce sont les matières le plus fréquemment utilisées pour les éoliennes d aujourd hui. Elles sont très avantageuses : faible poids, insensibilité à la corrosion, bonne résistance à la fatigue, coût élevé mais amorti par une durée de vie importante. Actuellement, les pales sont au nombre de 2 (bipale) ou de 3 (tripale). Cependant, la majorité des éoliennes (90%) sont tripales car leur rendement maximal est plus élevé (2 à 3% supérieur au bipale). De plus, l éolienne bipale est plus sensible aux vibrations (donc moins résistante) et présente un manque de stabilité. 4. La nacelle Schéma d une nacelle 1 Dans la nacelle, sont installés tous les éléments mécaniques qui permettent de transformer l énergie mécanique des pales en énergie électrique : Le dispositif de rotation : lors des changements de direction du vent, ce dispositif oriente la nacelle dans l axe du vent (face au vent). Il est principalement composé d un moteur d orientation capable de faire pivoter toute la partie supérieure de l éolienne. Ce système est toutefois équipé de freins qui évitent des variations d orientation trop rapide lors de changements brutaux de direction du vent. Il est généralement lié à une ou plusieurs girouettes et à un anémomètre qui mesure la direction moyenne et la vitesse du vent. Le système de verrouillage du rotor : pour éviter la destruction de certains composants de la nacelle, un système de verrouillage est mis en place. Celui-ci empêche le rotor de tourner lorsque les vents soufflent trop fort (>90 km/h). L arbre lent : c est une pièce cylindrique qui lie le moyeu au multiplicateur, s'il y en a un. Il transmet le mouvement rotatif des pales au multiplicateur. Sa vitesse de rotation est généralement de 20 à 60 tours/min. 1 le 29/03/11 10

11 Le multiplicateur (uniquement dans le cas d une éolienne à générateur asynchrone voir explication du générateur ci-dessous) : l arbre lent tourne donc en général à une vitesse de 20 à 60 tours/min alors qu un générateur asynchrone électrique doit être entrainé à tours/min. Il est donc indispensable de placer un multiplicateur entre l arbre lent et le générateur. Celui-ci augmente la vitesse de rotation de l arbre lent à une vitesse beaucoup plus importante. L arbre rapide : pièce cylindrique qui entraine le rotor du générateur. NB : dans le cas d une éolienne à générateur synchrone, on ne parle pas d arbre rapide ou lent mais simplement d arbre principal qui transmet directement la vitesse de rotation des pales au générateur. Le générateur assure la transformation de l énergie cinétique du vent disponible sur le rotor en énergie électrique. Il existe 2 types de générateurs : Le générateur synchrone à courant alternatif tourne à une vitesse variable en fonction de la vitesse de rotation de l hélice, ce qui lui permet de tirer au maximum parti de l énergie fournie par le vent. Cependant, ce générateur produit du courant à voltage et à fréquence variables. Il faudra donc transformer ce mauvais courant en courant continu et puis en bon courant alternatif de voltage et fréquence constants pour enfin l utiliser pour l éclairage ou les appareils électroménagers. Le générateur asynchrone à courant alternatif : celui-ci est utilisé uniquement lorsque l éolienne est reliée à un réseau de distribution électrique. Il produit directement du courant à fréquence constante. Ce type de générateur ne permet pas de tirer parti de l énergie du vent à toutes ses vitesses. Pour les asynchrones, il est nécessaire de placer entre l arbre de l hélice et l arbre de la génératrice un multiplicateur qui entraine le générateur à des vitesses plus importantes. B. Production d énergie mécanique 1. Le vent La terre reçoit l énergie solaire de manière inégale. Les zones de la terre absorberont le rayonnement solaire différemment selon leur position sur la terre. C est une des conséquences de la sphéricité de la terre. C est cette différence de température qui va créer des déplacements d air. Sous l effet de la chaleur, l air s échauffe, se dilate, sa densité diminue et il s élève dans l atmosphère. Dans les zones froides, l air refroidi est plus dense et reste au sol. Les masses d air de ces zones froides vont se déplacer pour se mettre, dans les zones chaudes, à 11

12 la place de l air chaud qui s est élevé. Ce mouvement est appelé le vent : c est le déplacement des masses d air des zones de haute pression vers les zones de basse pression. Ces déplacements sont considérablement influencés par les forces de Coriolis, causées par la rotation de la terre. Elles s exercent perpendiculairement à la direction du mouvement d un corps. Les vents sont alors déviés vers la droite dans l hémisphère Nord et vers la gauche dans l hémisphère Sud. En plus des vents planétaires créés par les différences de réchauffement, il existe des vents locaux qui sont le résultat de la géographie particulière à une région, comme en bord de mer (différence de température entre la mer et la terre) ou dans des sites montagneux (différence entre les sommets et les vallées). 2. Production de l énergie mécanique Avant d être transformée en électricité, l énergie cinétique du vent doit être transformée en énergie mécanique. Ainsi, la force du vent va entrainer la rotation des pales dont la forme aérodynamique et l orientation (légèrement oblique) sont étudiées pour qu elles tournent le plus possible. L hélice fixée au rotor va entrainer la rotation de celui-ci, qui sera transmis à l arbre principal (ou l arbre lent dans le cas d un générateur asynchrone). L énergie cinétique du vent est de cette manière transformée en énergie mécanique. La puissance cinétique du vent s exprime selon la formule générale 1 : où représente la densité de l air (1.25 kg/ ) la vitesse du vent le rayon de l hélice. On peut constater que la puissance cinétique du vent est proportionnelle au cube de sa vitesse et au carré de la longueur des pales. Pour une vitesse deux fois plus importante, la puissance sera huit fois plus forte. C est pourquoi non seulement le lieu où se trouve l éolienne est important mais aussi la longueur de ses pales. Cependant, cette équation ne correspond pas exactement à la puissance captée par l éolienne. Elle serait valable si l éolienne arrêtait totalement le vent (il n y aurait plus de vent derrière l hélice), ce qui n est jamais le cas. En effet, celle-ci ne recueille qu un pourcentage de la puissance théorique. C est l ingénieur allemand Albert Betz qui prouva cette théorie en Il démontra que le meilleur capteur éolien ne pourrait emprunter au maximum que 59% ( formule devient alors 2 : ) de la puissance cinétique du vent, c est la loi ou limite de Betz. La 1 Michel Wautelet, Sciences, technologies et société, Bruxelles, De Boeck, 2005, p.37 2 Jean-Christian LHOMME, Les énergies renouvelables, Paris, Delachaux et Niestlé, 2001, p

13 C. Production d énergie électrique Une fois l'énergie mécanique créée, elle doit être transformée en électricité. C est le générateur qui remplira cette tache. Comme je l ai déjà mentionné, il existe 2 types de générateurs. 1. Le générateur synchrone Il tourne à vitesse variable en fonction de la vitesse du vent. Le mauvais courant produit (voltage et fréquence variables) est transporté par des petits câbles électriques pour être transformé en courant continu grâce à un redresseur. Ce courant continu est ensuite changé par un onduleur en bon courant à voltage et fréquence constants. Le courant est ainsi prêt à l utilisation directe pour les appareils ou à sa mise en circulation sur le réseau électrique. Ces générateurs étaient auparavant utilisés dans de petites éoliennes principalement par des propriétaires pour des applications domestiques comme le chauffage, pompage de l eau ou réfrigération. Mais ils s étendent de plus en plus aux éoliennes de grande puissance car les machines de transformation sont de moins en moins coûteuses. 2. Les générateurs asynchrones Ceux-ci sont plus souvent utilisés car ils nécessitent moins d appareils de transformation de courant. Ils sont essentiellement réservés aux éoliennes raccordées au réseau qui produisent d emblée du courant à fréquence constante. Cette fréquence est la même que celle du réseau électrique auquel l éolienne est reliée. C est d ailleurs le réseau qui fournit le courant au stator du générateur pour que celui-ci puisse produire le champ magnétique qui transforme l énergie mécanique en courant. Le courant électrique est ensuite acheminé jusqu à un transformateur, en bas de l éolienne. Ce courant de faible voltage est alors changé en courant à haute tension. La haute tension permet de diminuer les pertes et facilite le transport jusqu à la ville ou la zone à desservir. 13

14 IV. Conditions d implantation L installation d un parc éolien ou d une éolienne ne peut évidemment se faire n importe où et n importe comment. De nombreux critères sont à prendre en compte. A. Conditions topographiques L implantation d éoliennes nécessite un choix judicieux du site. De nombreuses études météorologiques sont menées pour s assurer que le site couvre une zone où le vent est assez fort et donc qu il est bien rentable. Une étude du sol est également réalisée car certains sols ne permettent pas l installation de fondations d une éolienne. En effet, certains sols ne pourront pas résister aux forces auxquelles le mat d une éolienne est soumis. Il est préférable que la distance par rapport au raccordement électrique ne soit pas trop importante car les câbles d un réseau électrique sont assez onéreux. Mais les éléments qui confèrent au site ses principales qualités, ce sont l exposition au vent et sa puissance. C est pourquoi tout d abord, il est important que les éoliennes soient placées dans des zones dépourvues d obstacles : le plus loin des arbres, bâtiments ou autres constructions afin de bénéficier d une exposition au vent maximale. Il est ainsi préférable d éviter de construire sur un site à proximité des villes ou des forêts. Il est plus avantageux d installer les éoliennes près de la mer où près d une piste d aviation, des surfaces planes dont la rugosité est presque nulle et qui par conséquent ne freinent presque pas le vent. Cette rugosité du sol est aussi la raison pour laquelle l hélice d une l éolienne est placée sur un mat à une hauteur importantes (40 à 160 m 1 ). Ainsi, le vent n est plus freiné par les obstacles du sol et les turbulences (à cause des changements de vitesse et de direction des vents dus à ces obstacles) sont moins importantes. 1 Jacques VERNIER, Les énergies renouvelables, op. cit.,p.34 14

15 Le relief peut jouer également un rôle important dans l amélioration du rendement de l éolienne. Il existe essentiellement deux effets accélérateurs du vent liés au relief 1 : l effet tunnel et l effet colline. Effet tunnel 2 Entre de grands bâtiments ou dans un col étroit, un effet tunnel peut être observé. Le vent se trouve comprimé sur le coté de la montagne exposé au vent. Il s engouffre dans le tunnel formé par les 2 obstacles, ce qui accélère considérablement sa vitesse. Par exemple, si le vent a une vitesse de 6m/s (22 km/h) sur un terrain dégagé, il pourra atteindre 9m/s (32.4 km/h) dans le tunnel. Cependant, il est possible d obtenir un effet tunnel exploitable uniquement si les pentes des collines sont douces. Si ces collines sont très rugueuses et accidentées, cela provoque de nombreuses turbulences car le vent change de vitesse et de direction sans cesse et très rapidement. Trop de turbulences entraineraient l usure prématurée de l éolienne et la perte de l avantage obtenu par l accélération de la vitesse. Effet colline 3 Les collines ou une chaine de hauteurs peut aussi être un avantage pour le vent. L accélération rencontrée sur la colline est causée par la différence de pression entre l avant et l arrière de la colline. Le vent se trouve comprimé sur le côté exposé au vent, et une fois passé le sommet, s étend vers la zone de basse pression du côté de la colline sous le vent. Néanmoins, tout comme pour l effet tunnel, une colline accidentée ou à pente raide 1 le 07/03/ le 07/03/ le 07/03/11 15

16 provoquera de fortes turbulences, ce qui annulera l avantage de l accélération et entrainera la dégradation de la machine. Une autre solution pour éviter les obstacles de la terre est la construction d éoliennes en mer : les éoliennes offshores. L implantation en mer peut s avérer très utile dans la mesure où l espace disponible sur la terre est assez limité compte tenu des villes, des forêts, etc. Les surfaces des mers et des lacs sont bien évidemment plus lisses et leur rugosité est de ce fait très faible à des vitesses de vent constantes. Par contre, avec des vents accélérés, une partie de l énergie du vent sert à la production de vagues, ce qui augmente la rugosité (même si ca reste assez négligeable). Le vent, durant son trajet au-dessus de la mer, est confronté à peu d obstacles. Comme la rugosité est presque nulle en mer, la variation de vitesse du vent selon la hauteur est moins importante que sur terre. Il s avère plus économique de placer le moyeu de l éolienne moins haut (0,75 fois le diamètre de l hélice). De plus, comme les turbulences sont plus faibles, la durée de vie des machines est supérieure à celle des éoliennes terriennes. 16

17 B. Contraintes sur l environnement et la population Les éoliennes sont parfois critiquées à cause de leur impact sur l environnement ou sur les riverains. Un des principaux reproches émis par la population porte sur le bruit, même si celuici a été fortement atténué depuis les premières éoliennes. Le bruit engendré par l éolienne est d origine mécanique et aérodynamique. Le bruit d origine mécanique provient du fonctionnement des équipements, principalement le multiplicateur. Il a été rendu, au fil des années, plus silencieux par de nombreuses techniques, notamment le capitonnage de la nacelle. Le bruit aérodynamique provient lui du freinage du vent sur les pales. Ceci dit, grâce à de nombreuses améliorations (géométrie, aérodynamisme améliorés), cette seconde source de nuisance sonore a été fortement réduite. Graphique de comparaison des nuisances sonores 1 Comme le montre le graphique, à une distance de 300 mètres, le niveau sonore d une éolienne atteint 40 décibels, soit l équivalent d une ambiance de bureau ordinaire, et peut atteindre 55 db à une vitesse plus importante (12m/s). Le bruit peut évoluer en fonction du relief et de la végétation qui se trouvent sur son chemin, mais également en fonction de la vitesse du vent. Le bruit d une éolienne, lorsque la vitesse du vent est élevée, est inférieur au bruit résiduel (ensemble des bruits habituels liés au fonctionnement normal des équipements). Inversement, lorsque la vitesse du vent est faible, le bruit de l éolienne est supérieur au bruit résiduel. 1 Serge Halimi, Atlas 2010 du Monde Diplomatique, Paris, Armand Colin, 2009, p

18 Même si la nuisance sonore ne semble pas être un problème énorme, il ne faut pas pour autant la négliger lors des implantations car il reste le plus gros souci des aérogénérateurs. Pour les riverains, il s agit tout de même de vivre constamment avec ce bruit, c est pourquoi il est important de bien évaluer la distance entre la première habitation et la machine. Les éoliennes sont aussi souvent critiquées du point de vue esthétique pour leur impact sur les paysages. Des enquêtes d opinion ont montré que leur acceptation dépend du type de paysage initial, de la disposition des éoliennes (la disposition en ligne semble préférable), de la taille des machines (les gens se sentent parfois oppressés par la hauteur excessive des mats), du type de tour, du nombre de pales (préférence des tripales) et l ombre causée par l éolienne. 1 Le bruit et l impact visuel sont évidemment des critères subjectifs ; un riverain pourra trouver l éolienne belle et majestueuse alors que son voisin la jugera très dérangeante et n en supportera même pas la vue. Il est donc nécessaire de suivre une procédure qui permet à chacun d'exprimer son avis sur le sujet. Je détaillerai ce point un peu plus bas dans les conditions administratives. L impact sur la faune fait également l objet d une controverse. Les éoliennes sont souvent accusées d être un danger pour les oiseaux. En effet, il arrive que des oiseaux soient tués parce qu ils sont happés par les pales d une éolienne. Cependant, la part de responsabilité des aérogénérateurs dans la mort des oiseaux est moindre que celle qu on a tendance à lui attribuer. De nombreuses études ont montré que les éoliennes étaient moins dangereuses pour l avifaune que les autoroutes ou les lignes électriques. «Selon l association canadienne de l énergie éolienne, sur accidents mortels d oiseaux en un an, moins de un serait causé par les éoliennes, contre 850 par les véhicules automobiles» 2. Le seul site où les machines tuent un nombre conséquent d oiseaux est l Altamat Pass en Californie. Là-bas, les pales d éoliennes tuent entre 100 et 300 aigles par an dont 20 à 50 aigles royaux (espèce protégée) qui souffrent d un déclin de population en Californie. 3 Néanmoins, l impact sur l avifaune d une région dépend du type d oiseaux qui survolent le site. Certains prennent plus de temps à s habituer à la présence de l éolienne (comme les oiseaux migrateurs qui eux ne font que passer). Il est important de réfléchir judicieusement à cela afin que la cohabitation entre oiseaux et éolienne se déroule sans incidence. En Belgique, l impact sur l avifaune doit être analysé lors de l étude d incidences. 1 Jacques VERNIER, Les énergies renouvelables, op. cit., p site consulté le 03/03/11 3 Paul GIPE, Le grand livre de l éolien, op. cit., p

19 C. Conditions administratives 1 L installation et l exploitation d un parc éolien nécessite l obtention d un permis d urbanisme et d un permis environnement. Ces deux permis, étant requis en même temps, sont réunis en un seul permis : le permis unique. Lorsqu il s agit d un parc éolien d une puissance totale supérieure à 3 MW, la procédure requiert trois conditions: 1) Une réunion de consultation publique qui permet au demandeur de présenter son projet, au public de s informer et d émettre ses observations et suggestions. Un avis doit être publié par le demandeur 15 jours avant la réunion pour avertir la population (presse, copie affichée par la commune aux endroits habituels). 2) La réalisation d une étude d incidence sur l environnement. Elle doit être réalisée préalablement au dépôt de la demande de permis et doit être jointe à la demande. 3) La tenue d une enquête publique, après introduction du permis, qui dure en général un mois durant lequel les citoyens concernés par le projet peuvent venir consulter le dossier, se renseigner, et noter leurs observations et réclamations. Les projets éoliens de moindre puissance (< 3MW) ne requièrent pas la tenue d une réunion de consultation publique ni la réalisation d une étude d impact sur l environnement. Pour obtenir ce permis, il faut que l installation et le projet soient conformes à la réglementation. A l'heure actuelle, il n existe pas de cartographie de zones autorisées mais une liste de critères d exclusion. Voici les recommandations principales du cadre de référence pour l implantation de parcs éoliens en Belgique : a) Les niveaux sonores pour les éoliennes fonctionnant 24h/24 : 40 db leur sera appliqué comme niveau maximum. Une distance de 350 m devrait suffire pour garantir le respect de ce niveau sonore. b) Au niveau de la sécurité, le matériel doit être testé en laboratoire avant l installation. Les éoliennes doivent être certifiées et inspectées une fois par an. Il est cependant recommandé de ne pas se balader près des éoliennes en cas de tempête ou de rafales. L accumulation de glace peut aussi présenter un risque de projection qui peut être résolu par le placement d éléments chauffants dans les pales ou par l arrêt automatique de l éolienne en présence de glace. c) Les impacts sur la faune et la flore (analysés dans le cadre de l étude d incidence) sont en général limités. Cependant, des circonstances locales (comme le passage de nombreux oiseaux migrateurs) peuvent justifier l étude en détail de cet aspect. d) Une certaine distance doit être respectée par rapport aux autoroutes, aux lignes électriques à haute tension et au réseau ferroviaire pour éviter de graves accidents en cas de problèmes. La distance recommandée correspond en général à la hauteur de l éolienne. 1 le 04/03/11 19

20 e) Afin de ne pas perturber la télécommunication, une distance de 600m par rapport aux antennes émettrices doit être respectée. f) Pour minimiser l impact sur le paysage, il est recommandé de mettre en œuvre certaines mesures : o Assurer l harmonie entre les éoliennes et les éléments du paysage. o Il est préférable que les éoliennes d un parc soient de modèle similaire et de proportions égales. o La couleur est le gris clair car c est la teinte qui se remarque le moins lorsque l éolienne est vue avec le ciel en arrière plan. o Il convient de limiter le parc aux seules éoliennes : enfouir les lignes électriques d évacuation, éviter les structures auxiliaires (bâtiments annexes, transformateurs, pylônes de mesure). 1 Depuis l adoption de ce cadre de référence en 2002 (qui prévoyait 200MW), de nombreuses évolutions sont apparues tant au niveau des éoliennes qu au niveau législatif. Au début de l année 2010, les ministres écolos du gouvernement, Jean Marc Nollet (Ministre de la Recherche) et Philippe Henry (Ministre de l Environnement, de l Aménagement du territoire et de la Mobilité) avaient donc décidé de soumettre au gouvernement une proposition d actualisation de ce cadre de référence de l éolien et espèrent sa finalisation fin mars Ce dernier insiste principalement sur certains points : La fin du système du «cas par cas» en identifiant par cartographie les zones les plus favorables au développement de l éolien. Réactualiser les recommandations chiffrées du cadre (distance de gardes) car les éoliennes ont fortement évolué (plus puissante) depuis Mener des études plus poussées sur l impact des éoliennes sur la faune sensible et sur le paysage. Préserver les zones (déjà fortement limitées) et lisières forestières de tout développement éolien. Développer une culture locale de responsabilité énergétique autour de l éolien, par des actions de communication, d éducation, ou d implication financière aux projets des habitants. Les conflits entre riverains et meneurs de projets sont souvent dues au manque de connaissance des enjeux (par les 2 parties). 1 site consulté le 28 mars

21 V. Potentiel éolien en Belgique Aujourd hui, la Belgique possède une capacité de production éolienne de 911 MW, après que l éolien a augmenté de 57% en Et elle ne compte pas s arrêter en si bonne voie. En 2011, les états membres de l Union Européenne se sont fixés un objectif global : atteindre, d ici 2020, 20% de production énergétique d origine renouvelable. Ceci dit, la Belgique, en raison de mesures politiques inadéquates (du point de vue des énergies alternatives), ne pense pouvoir atteindre que 13% d énergies renouvelables en Cependant, la Wallonie a réitéré début mars son objectif de 20% d énergie renouvelable. Au niveau de l énergie éolienne, les fédérations francophones (EDORA) et flamande (ODE) du secteur des énergies renouvelables, affirment que l énergie du vent pourrait couvrir 15% de l électricité belge en 2020 et même 50% en A. On-shore En 2011, le sol flamand compte 150 éoliennes, ce qui correspond à une capacité de production de 264 MW. La Flandre a seulement construit 10 éoliennes en 2010 (20MW) mais la VWEA (Vlaamse Wind Energie Associatie) estime pouvoir atteindre 1500 MW d ici De nombreux projets sont prévus pour que d ici 2012 soient installées 35 nouvelles machines (augmentation de 80 MW de la capacité de production) 2. La Wallonie a élevé sa capacité de production à 442 MW avec environ 204 éoliennes réparties sur plus de 30 parcs. 46 autres aérogénérateurs sont en voie de réalisation 3. La région souhaite en effet augmenter son développement d origine renouvelable (20% de la production énergétique en 2020) et pousser sa capacité de production éolienne jusqu à 2000 MW (450 en 2011). Dans la province du Luxembourg, a été initiée la création du GAPPER (Groupe d Acteurs Provinciaux de Planification des Energies Renouvelables) dont l attention se porte principalement sur le secteur éolien. Ce groupe compte bien remplir l objectif que s est fixé le gouvernement wallon (c-à-d. une augmentation de 1500MW, ce qui correspondrait à environ 750 mats). En effet, le potentiel de cette province est encore peu exploité (18 éoliennes en fonctionnement, 11% de la puissance totale installée en Wallonie), alors que celle-ci est la plus vaste et la moins densément peuplée de Belgique. Elle représente ainsi un potentiel de développement éolien important. 66 sites ont été identifiés et représentent un potentiel de 324 éoliennes, soit une puissance d environ 650 MW, ce qui correspond à 45 % de l objectif Wallon pour site consulté le 28/03/ le 28/03/ le 28/03/11 21

22 B. Off-shore En 2011, la capacité offshore de la Belgique s élève à 195 MW (production annuelle estimée à 644 GW). L EDORA et l ODE espèrent arriver à MW en L offshore semble être la perspective la plus avantageuse pour la Belgique du point de vue environnemental, géographique mais aussi économique (le rendement d une éolienne au littoral est 15% supérieure à celui d une éolienne dans les Ardennes). Schéma du littoral belge 1 Les éoliennes ne peuvent être construites à moins de 22km de la côte afin de ne pas nuire au tourisme. La zone éolienne potentielle est coloriée en vert sur le dessin. Certaines dispositions sont imposées dans cette zone afin de ne pas troubler le commerce maritime. On constate que les zones allouées, en rouge, ne sont pas étendues et qu il reste encore pas mal d espace dans la zone potentielle pour augmenter la capacité offshore (au moins 4 fois plus) : le potentiel à court terme ( ) est donc au moins de 3 GW 2, ce qui correspond à l objectif de 2020 (2.8 GW). 1 le 29/03/ le 29/04/11 22

23 Carte des vents en Belgique 1 Sur ces 2 schémas, la Belgique est sous l influence de vents du NE (à gauche) et du SO (vents dominants 2 en Belgique ; à droite). La vitesse du vent au littoral est de 2 à 3 fois supérieure à celle du vent qui souffle dans les Ardennes. Il ne faut pas oublier que la puissance du vent est proportionnelle au cube de sa vitesse : la puissance au littoral est donc de 8 à 27 fois plus importante que dans les Ardennes. 1 le 30/03/ le 30/03/11 23

24 VI Conclusion L énergie est de nos jours utilisée par les hommes dans de nombreux domaines et la demande ne cesse d être en hausse. Jusqu à aujourd hui les énergies fossiles avaient suffi mais l homme sera bientôt confronté à l épuisement des réserves de pétrole, du gaz et du charbon ou même de l uranium. De plus, ces énergies menace la survie de la terre en détruisant son atmosphère car elles sont extrêmement polluantes. L énergie éolienne, exploitée depuis déjà le VIème siècle, semble être une des meilleures alternatives pour subvenir au besoin des générations futures et pour préserver la biosphère. Cela dit, si l éolienne a bénéficié d énormes progrès scientifiques depuis sa création, c est dorénavant son impact sur le paysage, sur les riverains ou même sur l environnement qui est devenu l obstacle majeur à son développement. La Belgique semble s investir dans de nombreux projets pour augmenter sa capacité de production énergétique d origine renouvelable. Elle projette de produire 15% de son électricité en On a vu que le potentiel éolien de la Belgique était capable de remplir cet objectif. La Flandre a un potentiel off-shore assez important (on pourrait atteindre et a déjà lancé un peu moins de 50 nouveaux projets on-shore. La Wallonie elle aussi possède un grand potentiel comme on n a pu le voir avec la seule province de Luxembourg. Les sites potentiels ont été correctement identifiés par GAPPER en tenant compte des impacts sur la biodiversité, le paysage et la population. 1 Malheureusement, ce n est pas le cas de tous les meneurs de projets. Prenons comme exemple le projet Elsa. Pour rattraper son retard en matière d énergies renouvelables en Wallonie picarde, l IDETA (l Intercommunale de Développement Economique du Hainaut Occidental) décida de lancer en 2007 un projet de grande envergure dénommé Elsa pour «Eolien à Silly et à Ath» : l implantation de neuf éoliennes. Suite aux nombreuses plaintes des riverains, le permis octroyé par le ministre Henry (Ministre de l Environnement, de l Aménagement du territoire et de la Mobilité) a été annulé 2 fois par le Conseil d Etat en raison d une étude d incidence incomplète. Aujourd hui en 2011, aucune construction n a encore été entreprise. Pour permettre un développement plus ordonné des parcs éoliens, la Région Wallonne et ses ministres compétents ont décidé de proposer un nouveau cadre de référence éolien qui consiste notamment en la mise en cartographie du vent en Wallonie. Ceci permettra ainsi de déterminer les zones les plus favorables à l installation d une éolienne. Ensuite, l implantation d un nouveau parc fera l objet d une offre public (ce qui n est pas le cas actuellement) soumise à un cahier de charge bien précis. La publication de ce cadre de référence, destiné à changer la politique confuse et obsolète du développement éolien, est attendue depuis bientôt un an. Enfin, si la Belgique souhaite augmenter la part de l énergie éolienne à 15%, elle pourrait également penser à pousser ses habitants à diminuer leur consommation 1 site consulté le 31/03/11 24

25 personnelle. Un belge consomme par an 4000 kwh alors que l URE (l Utilisation de l Energie Rationnelle) est estimée à 2200 kwh 1. Les Belges consomment beaucoup plus que ce dont ils ont besoin. La diminution de consommation d énergie pourrait constituer une solution pour baisser la production d énergie d origine fossile

26 Bibliographie Livres Jean-Christian LHOMME, Les énergies renouvelables, Paris, Delachaux et Niestlé, 2001 Guy CUNTY, Eoliennes et aérogénérateurs, Aix-en-Provence, Edisud, 2001 Jean BONAL et Pierre ROSSETTI, Energies alternatives, Sophia-Antopolis, Omniscience, 2007 Jacques VERNIER, Les énergies renouvelables, Paris, PUF, 2009 Paul GIPE, Le grand livre de l éolien, Paris, Observ ER, 2004, trad. Accent Mondial L Atlas 2010 du Monde Diplomatique, Paris, Armand Colin, 2009 Michel WAUTELET, Sciences, technologies et société, Bruxelles, De Boeck, 2005 Yves Gautier, La science au présent 2011, France, Encyclopaedia Universalis, 2011 Sites Internet

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28 Tables des matières I. INTRODUCTION... 3 A. LES ÉNERGIES RENOUVELABLES... 3 B. L ÉNERGIE ÉOLIENNE Origine du mot «éolienne» Définition La situation en Belgique... 5 II. L HISTOIRE DE L ÉOLIENNE... 7 III. DU VENT À L ÉNERGIE ÉLECTRIQUE... 9 A. STRUCTURE DE L ÉOLIENNE Les fondations Le mat Le rotor La nacelle B. PRODUCTION D ÉNERGIE MÉCANIQUE Le vent Production de l énergie mécanique C. PRODUCTION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE Le générateur synchrone Les générateurs asynchrones IV. CONDITIONS D IMPLANTATION A. CONDITIONS TOPOGRAPHIQUES B. CONTRAINTES SUR L ENVIRONNEMENT ET LA POPULATION C. CONDITIONS ADMINISTRATIVES V. POTENTIEL ÉOLIEN EN BELGIQUE A. ON-SHORE B. OFF-SHORE VI CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE LIVRES SITES INTERNET