Énergie éolienne

L'énergie éolienne désigne l'énergie cinétique du vent et son exploitation par l'Homme. C'est une source d'énergie renouvelable, inépuisable mais intermittente. La production associée varie ainsi au cours du temps, elle n'émet pas directement de gaz à effet de serre en phase d’exploitation.

Origine étymologique

Le terme « éolien » provient du nom du grec « Αἴολος », dieu des vents dans la mythologie grecque (Éole en français). Ce terme grec signifie également « variable, rapide ».

L'adjectif « éolien » renvoie à tout ce qui rapporte au vent, par exemple la harpe éolienne, créée au XVII^e siècle (dont les cordes sont mues par le vent). La forme substantivée du terme « éolien » est apparue au XX^e siècle pour désigner une machine transformant en force motrice l’énergie du vent⁽¹⁾.

Une éolienne produisant de l'électricité est parfois qualifiée d’ « aérogénérateur ».

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 produire de l'électricité. L'installation est reliée 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. 

Modes d’exploitation pour produire de l'électricité

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

On distingue par ailleurs les grands parcs éoliens (ou « fermes éoliennes »), installations industrielles raccordées au réseau électrique, des éoliennes « domestiques », petites éoliennes installées chez les particuliers.

La puissance des éoliennes actuellement déployées varie de quelques kW à plus de 10 MW (12 MW pour l'Haliade-X, près de 14 MW pour certaines éoliennes offshore de Siemens Gamesa et aux environs de 20 MW pour des prototypes chinois). 

Le parc éolien mondial a une puissance installée a passé la barre des 1 000 GW (1 017 GW à fin 2023, dont 442 GW rien qu'en Chine). 

En 2023, l'éolien a produit 2 325,3 TWh d'électricité dans le monde, soit environ 7,8% de la production mondiale d'électricité cette année-là.

Composants d'une éolienne

Une éolienne est principalement constituée de 4 sous-ensembles :

• le rotor, partie rotative de l’éolienne placée en hauteur afin de capter des vents forts et réguliers qui est composée de différentes pales (en général 3) reliées par un moyeu ;
• la nacelle, structure soutenue par le mât abritant les différents éléments mécaniques ;
• la tour, composée du mât, du système de commande électrique et du transformateur ;
• les fondations.

On qualifie de turbine l’ensemble constitué du rotor et du train d’engrenages. Par extension, ce terme est souvent employé pour désigner l’éolienne dans sa globalité, comme en anglais (wind turbine).

Schéma de la composition d'une éolienne (©Connaissance des Énergies)

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’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 (soit un peu plus de 10 km/h) et s’arrêtent lorsque cette vitesse atteint 25 m/s (90 km/h). Généralement, les éoliennes sont paramétrées afin d’exploiter au mieux les vents de puissance intermédiaire.

L'éolien 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 2^e filière renouvelable productrice d'électricité après l’hydroélectricité. Avec une production annuelle record de 50,7 TWh, l'éolien est devenue par la même occasion la 3^e filière productrice d'électricité toutes sources confondues, devant le gaz naturel.

Source : Bilan électrique RTE 2023 - Graphique : Selectra

La France dispose d'un potentiel énorme grâce notamment à son littoral atlantique, faisant de l'Hexagone le deuxième gisement d'énergie éolienne en Europe, après le Royaume-Uni.

Évolution de la puissance éolienne installée en France

Historique de la production éolienne en France

En Europe

Dans l'Union européenne à 27, l'énergie éolienne a généré 466 TWh en 2023 (412 TWh à partir d'installations terrestres et 53 TWh à partir d'éoliennes offshore), soit l'équivalent de 19% de la demande d'électricité dans l'UE cette année-là selon l'association représentant la filière Wind Europe⁽³⁾. 

En y ajoutant le Royaume-Uni (qui dispose notamment du 2e parc éolien offshore au monde après la Chine), cette production européenne grimpe à 545 TWh en 2023.

À fin 2023, les 5 pays de l'UE disposant des principaux parcs éoliens sont :

• l'Allemagne (69,7 GW dont 8,5 GW offshore, 31% du mix électrique national en 2023 selon Wind Europe) ;
• l'Espagne (30,6 GW dont seulement 7 MW offshore, 27%) ;
• la France (22,8 GW dont 842 MW offshore, 11%) ;
• la Suède (16,4 GW dont 192 MW offshore, 26%) ;
• l'Italie (12,3 GW dont 30 MW offshore, 8%).

Le Royaume-Uni dispose pour sa part de 29,6 GW éoliens installés à fin 2023 (dont 14,9 GW terrestres et 14,8 GW offshore).

Les pays ayant installé les plus importantes capacités éoliennes en Europe en 2023 sont l'Allemagne (3 567 MW terrestres et 329 MW offshore), les Pays-Bas (527 MW terrestres et 1 906 MW offshore) et la Suède (1 973 MW terrestres et pas de nouvelles capacités offshore).

Selon l'Energy Statistical Review 2024, l'énergie éolienne aurait produit 614,1 TWh en 2023 en Europe au sens large (en incluant entre autres le Royaume-Uni, la Suisse, la Norvège et la Turquie) soit environ 16,1% de la production européenne d'électricité cette année-là.

Selon Wind Europe, le facteur de charge moyen des installations éoliennes dans l'UE était de 25% en 2023 (24% pour les installations terrestres et 34% pour celles offshore).

Précisons que l’Europe a longtemps dominé le marché mondial de l’énergie éolienne, mais la puissance installée de son parc éolien (268,7 GW pour l'Europe au sens large) est désormais inférieure de près de 40% à celle du parc éolien chinois (donnée à fin 2023).

Dans le monde

Évolution de la puissance éolienne installée au niveau mondial

Les capacités éoliennes ont connu une croissance remarquable au niveau mondial au cours des deux dernières décennies : elles sont passées de 16,9 GW en 2000 à près de 1 017 GW à fin 2023.

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)

Pays disposant des plus grands parcs éoliens dans le monde

La Chine dispose de très loin des plus grandes capacités éoliennes installées au monde, avec environ 442 GW à fin 2023 (dont 405 GW terrestres et 37 GW offshore), soit près de 43,4% de la puissance éolienne installée dans le monde ⁽⁴⁾. 

Suivent ensuite :

• les États-Unis (148 GW de capacités éoliennes installées à fin 2023) ;
• l'Allemagne, leader européen - et mondial - de l'éolien jusqu'en 2009 (près de 69,5 GW à fin 2023) ;
• l'Inde (44,7 GW) ;
• l'Espagne (31 GW) ;
• le Royaume-Uni qui dispose notamment du 2^e parc éolien offshore au monde après la Chine (30,2 GW) ;
• le Brésil (29,1 GW) ;
• la France (22,2 GW).

Si on rapporte les capacités éoliennes à la superficie et la population des principaux pays développant cette filière, le Danemark figure à la première place (près de 7,5 GW éoliens à fin 2023).

Production éolienne mondiale

La production mondiale s'est élevée à 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.

En 2023, l'éolien a produit 1 045,2 TWh dans la zone Asie-Pacifique, soit près de 45% du total mondial (contre 614,1 TWh pour l'Europe, comme évoqué plus haut, et 490,1 TWh pour l'Amérique du Nord et le Mexique confondus). 

La part de l'éolien dans la production mondiale d'électricité avoisine 7,8% en 2023 selon l'AIE.

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.

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 aux phases d'exploitation-maintenance et de démantèlement.

De la conception à l'exploitation

Cette chaîne de valeur commence par la recherche et le développement (R&D) : 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 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. 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 l'étape suivante. 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 nécessite 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.

Une fois mises en service, 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 installations peuvent faire l'objet d'un « repowering ».

Les entreprises du secteur éolien

Selon BloombergNEF⁽⁴⁾, les 5 principaux fabricants d'éoliennes en 2023 étaient :

• Goldwind (Chine) avec 16,4% de parts de marché mondial ;
• Envision (Chine) avec 15,4%.
• Vestas (Danemark) avec 13,4%.

Suivent Windey (10,4%), Mingyang (9%), GE (8,1%), Sany (7,9%), Siemens Gamesa (7,7%) et Nordex (6,7%).

Parmi les énergies renouvelables, l'éolien terrestre est considéré comme une technologie mature et l'une des plus économiques 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 peuvent se poser

• 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 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 selon les porteurs du projet⁽⁵⁾.

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 ».