Énergie éolienne

L'énergie éolienne consiste à exploiter l'énergie cinétique du vent.

C'est une énergie renouvelable, inépuisable mais intermittente, et qui n'émet pas directement de gaz à effet de serre en phase d’exploitation.

La racine étymologique du terme « éolien » provient du nom du personnage mythologique Éole, connu en Grèce antique comme le maître des vents.

La puissance des éoliennes actuellement déployées varie de quelques kW jusqu'à plus de 10 MW (12 MW pour l'Haliade-X). Le parc éolien mondial a une puissance installée de 1081 GW en 2023, contre 651 GW en 2019. Il compte pour environ 6% de la production mondiale d'électricité.

Les modes d’exploitation de l’énergie éolienne

• Les éoliennes terrestres dites « onshore » sont installées à terre.
• Les éoliennes dites « offshore » sont installées en mer.

On distingue par ailleurs deux typologies d’installations :

• industrielles : les grands parcs éoliens (ou « fermes éoliennes ») raccordés au réseau électrique ;
• domestiques : des petites éoliennes installées chez les particuliers.

Usages de l'énergie du vent

L'énergie des masses d’air en mouvement autour du globe peut être transformée et utilisée à plusieurs fins :

• la transformation en énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (voilier ou char à voile), pour pomper de l’eau (éoliennes de pompage pour irriguer ou 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 pour créer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne au sein d'un système « autonome » avec un générateur d’appoint (par exemple un groupe électrogène), un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie. Une éolienne produisant de l'électricité est parfois qualifiée d’aérogénérateur.

La chaîne de valeur de la construction d'une éolienne est un processus complexe et intégré, couvrant plusieurs étapes clés depuis la conception jusqu'à la mise en service et au-delà.

De la conception à l'exploitation

Elle commence par la recherche et le développement, où des ingénieurs et des scientifiques travaillent sur la conception des éoliennes, en optimisant leur efficacité et leur résistance aux conditions environnementales. Cette phase inclut également le développement de nouvelles technologies pour les pales, les générateurs et les systèmes de contrôle, visant à maximiser la production d'énergie et à minimiser les coûts.

Une fois les conceptions finalisées, la phase de fabrication commence. Les composants principaux des éoliennes, tels que les pales, les nacelles, les tours et les générateurs, sont produits dans des usines spécialisées. Les pales, souvent fabriquées en matériaux composites pour leur légèreté et leur résistance, sont conçues pour capter le vent de manière optimale. La nacelle, qui abrite les composants mécaniques et électriques, est fabriquée avec une précision élevée pour assurer le bon fonctionnement de l'éolienne. Les tours, généralement en acier, sont construites pour supporter les charges dynamiques et statiques de l'éolienne.

La chaîne de valeur se poursuit avec la logistique et le transport. Les composants des éoliennes, souvent volumineux et lourds, doivent être transportés depuis les sites de fabrication jusqu'aux sites d'installation. Ce processus nécessite une planification logistique minutieuse, incluant l'utilisation de transports spécialisés, comme des camions à plateau pour les pales ou des navires pour les installations offshore. La coordination entre les fabricants, les transporteurs et les installateurs est essentielle pour éviter des retards et des coûts supplémentaires.

L'installation des éoliennes constitue la prochaine étape cruciale. Sur le site, les fondations doivent d'abord être préparées, ce qui peut impliquer des travaux de génie civil complexes, surtout pour les éoliennes offshore où des fondations sous-marines sont nécessaires. Les tours sont ensuite érigées, suivies de la fixation des nacelles et des pales. L'assemblage et l'érection des éoliennes requièrent une main-d'œuvre qualifiée et des équipements spécialisés, comme des grues de grande capacité. La sécurité et la gestion des risques sont des aspects critiques durant cette phase.

Après l'installation, la mise en service commence, incluant des tests et des calibrations pour s'assurer que les éoliennes fonctionnent correctement et produisent de l'électricité de manière optimale. Les systèmes de contrôle et les réseaux de communication sont également configurés pour permettre la surveillance et la gestion à distance des éoliennes. Une fois que toutes les vérifications sont effectuées et que les éoliennes sont connectées au réseau électrique, elles commencent à produire de l'électricité.

Enfin, la phase d'exploitation et de maintenance assure la pérennité de la production d'énergie. Les éoliennes nécessitent des inspections régulières et une maintenance préventive pour éviter les pannes et prolonger leur durée de vie. Les données collectées via les systèmes de surveillance aident à optimiser la performance des éoliennes et à planifier les interventions de maintenance. À la fin de leur cycle de vie, les éoliennes peuvent être démantelées, recyclées ou mises à niveau.

Les entreprises du secteur éolien

Selon BloombergNEF⁽²⁾, les 5 principaux fabricants d'éoliennes en 2019 étaient :

• Vestas (Danemark) avec 16,2% de parts de marché mondial
• Siemens Gamesa (Espagne) avec 14,5% ;
• Goldwind (Chine) avec 13,6% ;
• GE Energy (États-Unis) avec 12,1% ;
• Envision (Chine) avec 9,5%.

Considérée comme une énergie « propre », l’énergie éolienne connaît un essor important. Parmi les énergies renouvelables, l'éolien terrestre est considéré comme une technologie mature et la plus économique après l’hydroélectricité.

Au-delà de la donne économique et environnementale, l’énergie éolienne suscite un intérêt particulier car elle peut contribuer à la diversification des mix électriques et à l’indépendance énergétique des pays.

Cette source d’énergie se trouve ainsi souvent au cœur des stratégies de développement de nouvelles capacités électriques malgré les limites qu’elle peut présenter : son caractère aléatoire, son rendement et son intrusion dans les paysages naturels pouvant être mal acceptée par les riverains.

Les atouts

• L’énergie éolienne est renouvelable et « décarbonée » en phase d'exploitation.
• Le terrain où les éoliennes sont installées reste toujours exploitable pour les activités industrielle et agricole. L’installation peut être démantelée relativement facilement.
• Leur développement offshore présente un potentiel non négligeable dans tous les pays disposant d'un littoral.
• Implantées localement, les éoliennes peuvent permettre de répondre à des besoins électriques de masse tout comme à des besoins domestiques limités, selon leur taille.

Les problèmes qui se posent

• L’énergie éolienne dépend de la puissance et de la régularité du vent : c’est une source d’énergie intermittente.
• Les zones de développement sont limitées.
• Les éoliennes peuvent susciter des conflits d’usage d’ordre environnemental (poissons, oiseaux).
• Des riverains se plaignent des nuisances visuelles et sonores.
• Il peut exister des conflits d’utilisation de l’espace terrestre ou marin avec les autres usagers (exemple : pêcheurs, plaisanciers).

Le procédé de transformation de l’énergie cinétique en énergie mécanique ou électrique

L’énergie électrique ou mécanique produite par une éolienne dépend de trois paramètres : la forme et la longueur des pales, la vitesse du vent et enfin la température qui influe sur la densité de l’air.

L'énergie récupérable par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par son rotor et au cube de la vitesse du vent.

L'énergie récupérable correspond à l’énergie cinétique qu’il est possible d’extraire. Elle est proportionnelle à la surface balayée par le rotor et au cube de la vitesse du vent.

La puissance maximum récupérable (P) est donnée par la loi de Betz : P = 0,37. S. V³; où 0,37 est la constance de l’air à pression atmosphérique standard (1 013 hPa), S la surface balayée et V la vitesse du vent.

Facteurs impactant la production

En pratique, une éolienne produit quatre fois plus d’énergie si la pale est deux fois plus grande et huit fois plus d’énergie si la vitesse du vent double.

La densité de l’air entre également en jeu : une éolienne produit 3% de plus d’électricité si, pour une même vitesse de vent, l’air est plus froid de 10°C.

La puissance éolienne dépend principalement de l’intensité du vent et de ses variations. Le vent est plus fort et plus constant en mer. Les éoliennes qui y sont installées sont également plus puissantes.

L’énergie éolienne est donc une énergie intermittente et aléatoire.

L’ensemble pale/rotor est orienté face au vent par un système de gouvernail. La plupart des éoliennes démarrent lorsque la vitesse du vent atteint environ 3 m/s et s’arrêtent lorsque cette vitesse atteint 25 m/s. Généralement, les éoliennes sont paramétrées afin d’exploiter au mieux les vents de puissance intermédiaire.

Ce sont la Chine et les États-Unis qui disposent des plus grands parcs éoliens dans le monde, avec respectivement 229,6 GW et 105,4 GW installés à fin 2019⁽¹⁾. Suit ensuit l'Allemagne, leader européen de l'éolien (et mondial jusqu'en 2009) avec 53,9 GW installés.

Si on rapporte les capacités éoliennes à la superficie et la population des principaux pays développant cette filière, le Danemark figure en revanche à la première place.

En France

En 2023, l’éolien a compté pour 10,3% de la production électrique en France métropolitaine selon RTE, consolidant ainsi sa place de principale filière renouvelable après l’hydroélectricité. Le potentiel est énorme grâce notamment au littoral atlantique, faisant de l'Hexagone le deuxième gisement d'énergie éolienne en Europe.

En 2019, la puissance du parc éolien raccordé en France métropolitaine a augmenté de 1 361 MW pour atteindre près de 16,5 GW en fin d’année (+ 9% par rapport à fin 2018). Le facteur de charge moyen du parc éolien français a augmenté, grâce notamment à l’installation d’unités de production plus performantes, atteignant 24,7% en 2019 (contre 22,8% en 2018).

Les raccordements des premiers parcs off-shores en 2022, 2023 et 2024 sur le littoral atlantique (à Saint-Nazaire, Saint-Brieuc et Fécamp, d'une puissance de 496 MW chacun) ont fait bondir la puissance installée en France.

En 2019, le parc éolien de la France métropolitaine a produit 34,1 TWh selon RTE, soit 21,2% de plus qu'en 2018. (©Connaissance des Énergies, d'après RTE)

La filière éolienne revendique sa position de premier « employeur ENR en France » : l’ensemble de la chaîne de valeur éolienne employait 18 200 personnes « s’appuyant sur environ 1 000 sociétés » à fin 2018 selon l'association France Énergie Éolienne.

Graphique : Selectra - Source : Chiffres clés de l'énergie - Édition 2023 - Ministère de la Transition Énergétique

Pour rappel, Emmanuel Macron a fixé, lors d'un discours à Belfort en février 2022, un objectif pour l'éolien en mer « de l'ordre de 40 gigawatts en service en 2050, soit une cinquantaine de parcs ».

En Europe

Dans l'Union européenne à 28, l'énergie éolienne aurait généré 417 TWh en 2019 (dont 350 TWh à partir d'installations terrestres) selon Wind Europe. Cela correspondrait à environ « 15% de la consommation européenne d'électricité » selon l'association européenne de l’énergie éolienne⁽⁴⁾. Selon le BP Statistical Review of World Energy⁽⁵⁾, l'énergie éolienne aurait compté pour 11,6% de la production européenne d'électricité en 2019 (en incluant entre autres la Suisse, la Norvège et la Turquie).

À fin 2019, la puissance installée du parc éolien de l'Union européenne (en incluant encore le Royaume-Uni) atteignait 192 GW, dont 22 GW offshore. Selon Wind Europe, le facteur de charge moyen des installations éoliennes dans l'UE était de 26% en 2019 (24% pour les installations terrestres et 38% pour celles offshore).

L’Europe a longtemps dominé le marché mondial de l’énergie éolienne, mais la puissance installée de son parc éolien est désormais inférieure de 20% à celle du parc éolien chinois (donnée à fin 2019). Toutefois, les raccordements de parcs éoliens en mer en Europe ont fait un bond de 40 % en 2023.

Au niveau mondial

L'évolution des capacités éoliennes dans le monde montre une croissance remarquable au cours des deux dernières décennies : elles sont passées de 16,94 GW en 2000 à 898,82 GW en 2022. Cette augmentation soutenue reflète une adoption mondiale croissante des énergies renouvelables, soutenue par des politiques favorables, des avancées technologiques et une prise de conscience accrue des impacts environnementaux des énergies fossiles. Les investissements dans l'énergie éolienne ont permis une expansion rapide des capacités installées, particulièrement notable après 2010.

La production électrique d'origine éolienne a suivi une tendance similaire. En 1978, la production éolienne mondiale était négligeable, mais elle a connu une croissance exponentielle pour atteindre 2 304,44 TWh en 2023. Cette progression reflète non seulement l'augmentation des capacités installées mais aussi les améliorations technologiques qui ont permis une meilleure efficacité et fiabilité des éoliennes. Les années 2000 et 2010 ont été particulièrement dynamiques, avec une augmentation rapide de la production, illustrant l'impact des investissements et des politiques favorables.

En termes de part de l'éolien dans le mix électrique mondial, la progression est également significative. De 0 % en 1985, cette part a augmenté pour atteindre 7,817 % en 2023. Cette croissance montre que l'énergie éolienne joue un rôle de plus en plus important dans le mix énergétique mondial, contribuant à la diversification des sources d'énergie et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les données montrent une adoption croissante de l'énergie éolienne, soutenue par des objectifs internationaux de développement durable et de lutte contre le changement climatique.

En 2022, l'Asie se distingue avec une capacité installée de 438,22 TWh, représentant près de la moitié de la capacité mondiale totale de 898,82 TWh. L'Europe suit avec 242,84 TWh, tandis que l'Amérique du Nord enregistre 165,51 TWh. Ces chiffres montrent une forte concentration de capacités éoliennes dans ces trois régions, illustrant des politiques énergétiques favorables et des investissements importants dans l'énergie éolienne. Les autres continents, bien que participant à cette transition énergétique, montrent des capacités installées nettement inférieures, comme l'Afrique avec 7,68 TWh et l'Océanie avec 11,10 TWh.

La production d'électricité éolienne reflète également ces disparités régionales. L'Asie produit 905,64 TWh, soit plus de 40 % de la production mondiale de 2 098,52 TWh. L'Europe et l'Amérique du Nord produisent respectivement 524,21 TWh et 497,75 TWh, montrant leur rôle crucial dans la production éolienne mondiale. La part de l'éolien dans le mix électrique mondial est de 7,27 %, avec l'Europe en tête à 11,0 %, suivie de l'Océanie à 10,4 % et de l'Amérique du Nord à 9,16 %. Ces chiffres montrent que, bien que les capacités et la production varient, l'énergie éolienne est devenue une composante essentielle du mix énergétique dans plusieurs régions, contribuant de manière significative à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et à la transition vers des sources d'énergie plus durables.

À fin 2019, la Chine, les États-Unis, l’Allemagne, l’Inde et l’Espagne comptaient à eux cinq pour 73% de l'ensemble des capacités éoliennes installées dans le monde. (©Connaissance des Énergies, d’après GWEC)

Les facteurs de charge moyens des parcs éoliens au niveau mondial sont estimés par le GWEC à 23% pour les installations terrestres et à 40% pour celles implantées en mer.

Le début de l’utilisation de l’énergie éolienne remonte à approximativement 3 000 ans avant J.-C., dans le cadre de l’utilisation des premiers bateaux à voile. Après, les premiers moulins à vent sont inventés par les Perses vers 200 avant J.-C. Cette technique n’est ensuite importée en Europe qu’au XII^e siècle.

Deux siècles après, les célèbres moulins hollandais voient le jour. Ces moulins sont utilisés pour faire tourner des scieries ou fabriquer de l’huile. Mais c’est en Angleterre qu’ont été perfectionnées les formes des ailes. L’Angleterre compte au XIX^e siècle environ 10 000 moulins. Depuis les années 1990, le développement technologique des éoliennes a permis la construction des aérogénérateurs.

Tous les pays ne bénéficient pas du même potentiel éolien. Les solutions de stockage de l’électricité, les innovations technologiques et les réseaux intelligents sont appelés à jouer un rôle important dans le développement de la filière éolienne.

L'éolien offshore apparaît aujourd’hui comme la principale voie de développement de la filière. En effet, certains pays tels que le Danemark sont déjà saturés d’éoliennes onshore. D’autres ne peuvent imposer de nouvelles implantations à leurs citoyens du fait de l’image négative que l’opinion publique peut parfois se faire des éoliennes dans leur environnement proche.

Construire ces aérogénérateurs au large, où les vents sont plus forts et plus constants, répond à la fois aux impératifs sociétaux et aux impératifs énergétiques. S'ils sont bien plus chers à installer, ils sont en mesure de produire beaucoup plus. Par exemple, le parc de Fécamp raccordé en 2024 peut couvrir la consommation de 770 000 personnes⁽⁶⁾.