Qu'est-ce que l'énergie éolienne ?
L'énergie éolienne est un type d'énergie renouvelable qui exploite la puissance cinétique du vent pour produire de l'électricité. En tant que l'une des principales sources d'énergie durable et propre, l'énergie éolienne est essentielle pour atteindre la neutralité carbone.
L’homme utilise l’énergie éolienne à des fins mécaniques depuis l’Antiquité, notamment avec de simples moulins à vent pour pomper l’eau. Aujourd'hui, la production d'énergie éolienne repose sur des éoliennes qui captent l'énergie du vent. Les éoliennes fonctionnent à la fois à petite (maison individuelle) et à grande échelle (parc éolien) et peuvent être construites sur terre ou en mer, comme dans des lacs ou des océans.
Parallèlement à l’énergie solaire, on estime que l’énergie éolienne dispose du plus grand potentiel pour l’augmentation de la capacité renouvelable dans le monde : en 2023, les cinq premiers marchés pour les nouvelles installations d’énergie éolienne étaient la Chine, les États-Unis, l’Union européenne, l’Inde et le Brésil.1 L’innovation est en marche pour faire évoluer les capacités éoliennes offshore, réduire les coûts de production et optimiser l’efficacité de la production d’électricité par éolienne afin de stimuler la croissance de l’industrie.
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Certaines des premières utilisations mécaniques de l’énergie éolienne remontent à 200 ans avant J.-C., lorsque les habitants du Moyen-Orient utilisaient des moulins à vent pour moudre le grain et, en Chine, pour pomper l’eau. Plus tard, dès le 12e siècle, les moulins à vent ont été utilisés à des fins industrielles, comme l’assèchement des lacs et des étangs en Europe.
Au XIXe siècle, l'énergie éolienne est devenue une source de production d'électricité. C'est à James Blyth, un ingénieur électricien du Royaume-Uni, que l'on doit la construction de la première éolienne en 1887. Il fut suivi de près par les pionniers de l’énergie éolienne, l’Américain Charles Brush et le Danois Poul la Cour, qui utilisaient l’énergie éolienne pour alimenter des bâtiments individuels.2
Ce n'est toutefois qu'à la fin du XXe siècle que la production commerciale d'énergie éolienne s'est imposée comme une option énergétique viable. Les premiers parcs éoliens à grande fonctionnalité (projets contenant un groupe d'éoliennes) ont été installés dans les années 1980 en Amérique. Le secteur a connu une croissance rapide depuis 2000 : la capacité mondiale installée de production d’énergie a été multipliée par 98 au cours des deux dernières décennies.3 Aujourd’hui, l’ensemble des éoliennes dans le monde représente plus de 2 100 térawattheures (TWh) d’électricité par an.4
Les éoliennes modernes ont des pales en forme d'hélice (ou pales de rotor) qui font tourner un rotor sous l'effet de la force du vent. Le rotor fait tourner un générateur, qui se trouve à l'intérieur d'un conteneur en forme de boîte au cœur de l'éolienne, appelé nacelle. La rotation du rotor crée de l’électricité propre qui peut être injectée dans le réseau électrique ou alimenter des maisons individuelles. Ce processus peut également être décrit comme la conversion de l'énergie cinétique en énergie de rotation, qui est ensuite convertie en énergie électrique.
Les éoliennes les plus courantes sont des éoliennes à axe horizontal (HAWT) et ressemblent à un ventilateur à trois pales. Mais il existe aussi des éoliennes à axe vertical (VAWT) dont les pales tournent comme celles d'un mixeur de cuisine.
La quantité d'électricité produite par le vent dépend de la taille de l'éolienne et de la longueur des pales. Les éoliennes peuvent atteindre des hauteurs supérieures à 700 pieds, avec des diamètres de rotor de plus de 530 pieds. Ces turbines gigantesques peuvent produire jusqu’à 9,5 mégawatts de puissance. Cependant, la plupart des éoliennes mesurent environ 260 mètres de haut et des pales de 13 mètres de long. Elles produisent jusqu’à 1,8 mégawatts d’électricité.5
Il existe trois grandes applications de l’énergie éolienne : l’énergie terrestre, l’énergie distribuée et l’énergie offshore.
Énergie éolienne terrestre
La plupart des éoliennes sont installées sur terre, ce qui fait de l’énergie éolienne terrestre l’application la plus fréquente. Un exemple fréquent d’énergie éolienne terrestre est la ferme éolienne à grande échelle, généralement exploitée par une société de services publics qui en commercialise ensuite l’énergie. Selon le ministère de l’Énergie des États-Unis (DOE), l’énergie éolienne terrestre à l’échelle des services publics est considérée comme l’une des sources d’électricité les moins chères.
Énergie éolienne distribuée
L'énergie éolienne distribuée produit de l'électricité à plus petite échelle. Elle est en général dotée d’une ou de plusieurs petites éoliennes qui assurent la production locale d’énergie éolienne pour des habitations individuelles, des sites manufacturiers, des zones agricoles ou des communautés en milieu rural. Outre la production sur site, l’énergie éolienne distribuée peut également se connecter aux microréseaux et aux systèmes énergétiques hybrides. Les installations d’énergie éolienne distribuée sont généralement inférieures à 20 mégawatt.
Éolienne offshore
La production d'énergie éolienne en mer peut être beaucoup plus importante que l'énergie éolienne terrestre, tant en termes d'échelle que de nombre de turbines. Certaines pales d'éoliennes offshore peuvent être aussi longues qu'un terrain de football, et les tours elles-mêmes sont une fois et demie plus hautes que le Washington Monument.6
Le plus grand actuellement se trouve dans la mer d’Irlande et plus grand que l’île de Manhattan, dans l’État de New York. Les éoliennes offshore peuvent être ancrées au fond du plan d’eau en tant qu’éoliennes « à fond fixe » ou sur des plates-formes flottantes. L'électricité produite passe par des câbles souterrains et sous-marins pour revenir à la terre ferme.
L'énergie éolienne est l'une des sources d'énergie qui se développent le plus rapidement et elle présente de nombreux avantages.
Contrairement aux combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz naturel) et aux centrales électriques conventionnelles, les éoliennes ne produisent aucune émission de gaz à effet de serre et les projets d’énergie éolienne peuvent être développés avec peu d’impact sur l’environnement. En fait, les agriculteurs peuvent louer leurs terres à des projets d’énergie éolienne tout en continuant leurs opérations agricoles ou d’élevage. Et, tant que le vent soufflera, les turbines continueront de tourner, ce qui en fait une source d’énergie renouvelable puissante.
Les promoteurs et les particuliers peuvent installer des éoliennes partout où les courants de vent sont viables, c'est-à-dire dans de nombreux endroits de la planète. Il s'agit de la terre, de l'offshore et même des communautés les plus éloignées, comme les îles qui n'ont pas forcément accès au réseau électrique ou aux lignes à haute tension.
L'énergie éolienne terrestre à grande échelle est l'une des sources d'énergie les moins chères disponibles aujourd'hui. De plus, les projets éoliens entraînent de faibles dépenses d'exploitation et ne coûtent pas de carburant. L'énergie éolienne distribuée peut également aider les propriétaires et les collectivités à réduire leurs factures d'énergie et à bénéficier de crédits d'impôt et d'incitations fiscales.
L’énergie éolienne compte peu de désavantages, et ceux qu’elle possède sont fréquemment surmontables.
Étant donné que l’énergie éolienne ne génère pas d’émissions, les enjeux environnementaux majeurs concernent les conséquences des fermes et des éoliennes sur les populations locales (du type nuisances sonores) et sur la vie sauvage (comme l’impact des parcs offshore sur les habitats marins).
Les éoliennes et les projets éoliens sont souvent associés à des coûts initiaux élevés. Néanmoins, il est fréquent que les éoliennes s’autofinancent avec le temps. De plus, des mécanismes tels que les certificats d’énergie renouvelable (REC) et les contrats d’achat d’électricité (PPA) peuvent contribuer à fournir une certitude financière aux développeurs de projets d’énergie renouvelable.
La production d’énergie éolienne est dépendante de la météo : il faut du vent pour que les turbines puissent tourner. En l'absence de prévisions météorologiques adéquates et de capacités de stockage de l'énergie, l'énergie éolienne peut être imprévisible et intermittente.
La chaîne logistique de l’énergie éolienne n’est pas encore parvenue à rattraper la croissance accélérée de cette industrie. On constate une forte volatilité des prix des matières premières, des réglementations et de l’approvisionnement. Ce manque de cohérence peut rendre difficile une stratégie à long terme en matière de chaîne d'approvisionnement.
Voici plusieurs technologies éoliennes en progression dans le secteur :
Prévisions sur les énergies renouvelables
Les conditions météorologiques et le climat influencent la production de ressources énergétiques renouvelables comme l’énergie éolienne et solaire. Face aux préoccupations croissantes en matière de durabilité et de changement climatique, il est essentiel de disposer de nouvelles technologies permettant de prévoir avec précision la vitesse du vent pour la production d'électricité des centrales éoliennes. Aujourd’hui, les solutions de forecasting des énergies renouvelables utilisent des analyses avancées, l’ Internet des objets (IdO) et les données météorologiques pour générer des prévisions de production d’énergie de haute précision pour les parcs éoliens.
Expansion offshore
Les grandes turbines flottantes qui peuvent être placées dans des eaux plus profondes ont le potentiel de plus que doubler la capacité de production d'énergie éolienne. Le gouvernement américain a annoncé une initiative visant à accroître la production d'énergie éolienne en mer en Amérique en déployant 30 gigawatts de parcs éoliens flottants en mer d'ici 2030.7 On dénombre à l’heure actuelle quatre types de plateformes flottantes servant à exploiter ces ressources éoliennes en mer : à lignes d’ancrage, semi-submersible, à ponton et à flotteur-bouée.
Avancées dans la fabrication
Le profil aérodynamique des pales de turbine est essentiel pour une production d'énergie efficace. Certaines entreprises appliquent plusieurs technologies —vision par ordinateur, machine learning, edge computing et IdO — pour garantir la précision de la fabrication. En outre, la recherche sur les matériaux avancés tels que les thermoplastiques ouvre la voie à des pales d'éoliennes recyclables.8
Efficacité de la maintenance
L'intégration, l'analytique et la visualisation des données peuvent permettre aux opérateurs de parcs éoliens d'avoir une compréhension détaillée et précise des actifs, y compris des solutions prédictives pour améliorer les opérations de maintenance. Cette visibilité permet d'améliorer la sensibilisation à la situation en ce qui concerne la production d'énergie, la disponibilité des turbines, les taux de conversion de l'énergie éolienne et la santé des turbines, afin d'optimiser la production.