Éoliennes terrestres

Une éolienne terrestre, ou « onshore », est par définition installée sur la terre ferme et se distingue d'une éolienne « offshore » installée en mer. 

Principe de production et usages

Les éoliennes terrestres permettent, comme les modèles en mer, de convertir dans un premier temps l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. L’énergie mécanique accumulée peut ensuite être directement utilisée afin de pomper de l’eau ou moudre du grain, comme le font les moulins. 

Dans la grande majorité des cas aujourd'hui, l’énergie mécanique est toutefois transformée dans un second temps en énergie électrique. Le procédé de conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique est proche de celui d’une dynamo, convertissant le mouvement d’une roue en électricité alimentant les feux d’un vélo. Lorsqu’une éolienne produit de l’électricité, on peut la qualifier d’ « aérogénérateur ».

Un moteur permet d’orienter l’ensemble rotor-nacelle de l’éolienne afin de le placer face au vent. Le vent fait tourner les pales (entre 5 et 25 tours par minute) qui actionnent le rotor, puis le générateur qui leur est solidaire. 

Un « multiplicateur » ou boîte de vitesse est installé entre le rotor et le générateur, permettant à ce dernier d'atteindre une vitesse de rotation comprise entre 1 000 et 2 000 tours par minute⁽¹⁾.

Différents concepts d'éoliennes terrestres

Les éoliennes à axe horizontal sont aujourd’hui la forme la plus courante d’éolienne terrestre. La machine se compose généralement de 3 pales orientables portées par un rotor, lui-même fixé sur une nacelle qui abrite un générateur électrique. 

Le tout est installé au sommet d’un mât haut de plusieurs dizaines de mètres. Une éolienne de 2 MW mesure en moyenne de 80 à 125 mètres de haut en moyenne et peut peser jusqu’à 300 tonnes⁽²⁾.

Les éoliennes à axe vertical, dont le rotor est perpendiculaire au sol, offrent une alternative compacte et efficace aux éoliennes traditionnelles à axe horizontal. Elles restent toutefois marginales et restreintes à des contextes d’utilisation particuliers. 

On peut par exemple mentionner les éoliennes à axe vertical de type « Darrieus » ou bien encore de type « Savonius » plus adaptées que les éoliennes tripales aux environnements urbains (intégration architecturale) et aux conditions extrêmes (vents supérieurs à 100 km/h). Leur rendement est toutefois inférieur.

Modes d’exploitation

L'énergie éolienne est très majoritairement utilisée dans un cadre « industriel » au travers d’un parc éolien : un ensemble d’aérogénérateurs est regroupé sur un même site qui est relié au réseau électrique. À ce titre, certains observateurs critiques l'emploi du terme « ferme éolienne » pour qualifier ces installations.

Une utilisation domestique de l'énergie éolienne existe également dans des cas isolés : on parle de « petit éolien » pour qualifier des éoliennes terrestres de petite envergure pouvant répondre aux besoins de particuliers ou petits producteurs agricoles. Les éoliennes utilisées dans ce cas fonctionnent selon les mêmes principes de conversion de l’énergie cinétique du vent. Leur puissance varie généralement entre 0,1 et 36 kW et la hauteur de leur mât est inférieure à 35 m⁽³⁾. Ces éoliennes peuvent alimenter des bâtiments isolés non reliés au réseau électrique ou bien être raccordées au réseau afin de revendre la production.

Offrant le meilleur compromis entre rendement et vitesse de démarrage, le design d’éoliennes tripales à axe horizontal domine aujourd’hui massivement le marché de l’éolien terrestre. La transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis en énergie électrique s'opère en quatre étapes.

1. Transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique

Les pales fonctionnent selon le même principe que les ailes d’un d’avion : la différence de pression entre les deux faces de la pale crée une force aérodynamique, mettant en mouvement le rotor.

La puissance du vent, et par conséquent l’énergie mécanique emmagasinée par l’éolienne, augmentent avec l’altitude. La perturbation des courants d’air y est en effet moindre.

Vitesse moyenne du vent en fonction de l'altitude (©Connaissance des Énergies)

2. Accélération du mouvement de rotation (ou non) grâce au multiplicateur

Les pales d’un grand aérogénérateur tournent à une vitesse comprise entre 5 et 25 tours par minute (plus l'éolienne est grande, plus la vitesse de rotation est lente)⁽⁴⁾. Or, la plupart des générateurs d’éoliennes doivent tourner à grande vitesse (de 1 000 à 2 000 tours par minute) pour pouvoir produire de l’électricité. Cette augmentation de vitesse est réalisée à l'aide du multiplicateur, aussi appelé boîte de vitesse, qui est un train d'engrenages.

Le multiplicateur est une pièce lourde et coûteuse. C’est pourquoi certains grands aérogénérateurs utilisent des générateurs à basse vitesse « à attaque directe » dans lesquels le rotor entraîne directement une génératrice spécialement conçue, sans étape intermédiaire d’accélération.

3. Production d’électricité par le générateur

Le générateur, situé dans la nacelle de l’éolienne, est entraîné par un arbre mécanique. 

L’énergie mécanique transmise est convertie en énergie électrique par le générateur, à une tension de 600 à 1 000 volts.

4. Traitement de l’électricité par le convertisseur et le transformateur et injection

L’électricité produite par un aérogénérateur est ensuite traitée au moyen d’un convertisseur électronique. Celui-ci ajuste la fréquence du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 Hz en Europe). 

La tension est également augmentée par un transformateur à 20 000 ou 30 000 volts. L’électricité est alors acheminée à travers un câble pour être injectée sur le réseau électrique.

Une technologie éprouvée et bas carbone

Les éoliennes terrestres sont utilisées depuis plusieurs décennies. Les retours d’expérience sont conséquents et les variables financières connues. Les éoliennes terrestres sont moins coûteuses à installer et plus faciles à entretenir que les éoliennes offshore, qui doivent répondre à des défis techniques plus importants liés aux conditions du milieu marin. 

Le rendement potentiel est toutefois moins important sur terre qu’au large, tant en qualité, du fait de la vitesse et de la constance réduites du vent, qu’en quantité, l’espace marin étant plus vaste.

L’éolien terrestre et en mer est très faiblement émetteur de gaz à effet de serre (12,7 g CO₂/kWh pour le terrestre et 14,8 g CO₂/kW en mer en analyse ce cycle de vie selon l'Ademe⁽⁵⁾).

De nouvelles voies d’optimisation de la ressource

Le vent étant variable, la production éolienne est intermittente. Or il n’existe pas aujourd’hui de solution économiquement satisfaisante de stockage à grande échelle de l’électricité produite.

Le développement de solutions de flexibilité (côté production comme côté demande) au sein des « smart grids » ou « réseaux intelligents » doit permettre de faciliter la poursuite de l'intégration de l’éolien dans les futurs réseaux électriques. Ces systèmes permettront de répondre aux enjeux de demain : mieux gérer les flux et lisser l’offre et la demande d’électricité, intégrer les nouvelles sources d’énergies renouvelables et limiter le recours aux centrales thermiques à combustible fossile (encore utilisées pour faire face aux pointes de demande).

Acceptabilité, nuisances visuelles et sonores

Les parcs éoliens occupent des surfaces visuelles importantes. Certains associations anti-éoliennes se plaignent de la pollution esthétique ainsi que du bruit généré par les éoliennes, quand d'autres soulignent leur impact environnemental et leur intermittence trop importante.

De fait, l'éolien terrestre rencontre des problèmes particuliers d'acceptabilité :  dans un avis de 2022 sur le sujet, le Conseil économique, social et environnemental (CESE) indiquait y accorder une « attention particulière aux parcs éoliens terrestres, qui cumulent le plus de motifs de blocage ».

Les opposants au développement de l'énergie éolienne terrestre appellent souvent à la mise en place de moratoires : c'était le cas du Rassemblement national en France lors de la campagne présidentielle en 2022. Plus récemment, l'un des premiers décrets signés par le Président américain Donald Trump vise à entraver le développement de l'éolien aux États-Unis.

Le parc éolien terrestre français dispose d'une puissance installée d'environ 22 GW à fin 2023, soit davantage que l'objectif bas fixé par la PPE (21 800 MW) mais moins que l'objectif haut (26 000 MW). Il a plus que doublé au cours de la dernière décennie (10 312 MW à fin 2015).

Le gisement éolien français

La France dispose du deuxième potentiel éolien européen, après le Royaume-Uni. 

Afin d’encourager le développement des installations éoliennes, des ZDE (Zones de Développement Eolien) avaient été créées lors du Grenelle Environnement. Celles-ci visaient à définir les secteurs à privilégier pour implanter des parcs éoliens, en bénéficiant d’une obligation d’achat par EDF de l’électricité produite. Ce cadre des ZDE a été supprimé en 2013 et remplacé par les schémas régionaux éoliens.

Production éolienne terrestre en France

En 2024, l'éolien terrestre a produit 42,6 TWh en France métropolitaine, contre environ 4 TWh pour l'éolien offshore, selon les dernières données de RTE⁽⁶⁾.

Production d'électricité éolienne terrestre en France (en GWh) - source RTE

Un ralentissement de l'éolien terrestre ?

Les investissements dans le secteur éolien terrestre devraient à moyen/long terme être amenés à stagner. Les zones exploitables à terre sont en effet limitées et l’installation d’éoliennes terrestres peut poser des problèmes d’utilisation de l’espace et de nuisance. L'attrait de l'éolien offshore se développe en parallèle, avec de nombreux projets en cours.

En 2024, la production éolienne terrestre a baissé en France (de 49 TWh en 2023 à 42,6 TWh en 2024) tandis que celle du parc éolienne offshore en développement a plus que doublé (de 1,9 TWh en 2023 à 4 TWh en 2024).

Les pays leaders de l'éolien terrestre dans le monde

À fin 2023, la puissance du parc éolien mondial terrestre a atteint 945,5 GW (+ 105,8 GW en 2023, selon les dernières données du GWEC⁽⁷⁾. 

Les 10 pays disposant des plus grandes capacités éoliennes terrestres sont :

• la Chine (43% des capacités éoliennes terrestres cumulées dans le monde à fin 2023) ;
• les États-Unis (16%) ;
• l’Allemagne (7%) ;
• l'Inde (5%) ;
• l'Espagne (3%) ;
• le Brésil (3%) ;
• la France (2%) ;
• le Canada (2%) ;
• la France (2%) ;
• le Royaume-Uni (2%).

La Chine a à elle seule installé environ les deux tiers des nouvelles capacités éoliennes terrestres dans le monde en 2023. Suivent les États-Unis (6%) et le Brésil (5%).

Rappelons que, parmi les plus grands parcs éoliens terrestres installés dans le monde, figurent de nombreuses installations situées aux États-Unis (cibles du Président Donald Trump). Par exemple, la ferme éolienne de Roscoe, au Texas, s’étend sur près de 400 km² et a coûté 1 milliard de dollars. Le parc est composé de 627 éoliennes de tailles diverses (de 105 à 126 mètres de hauteur) construites par trois fabricants : Mitsubishi, Siemens et General Electric. D'une puissance de 781,5 MW (soit légèrement moins qu'un réacteur nucléaire de moyenne envergure - 900 MW), ce parc peut satisfaire les besoins en électricité d'environ 230 000 foyers américains, selon son opérateur E.ON.

Des parcs éoliens interconnectés d'une puissance cumulée de plusieurs milliers de mégawatts sont par ailleurs en projet (ex : Gansu en Chine, Markbygden en Suède).

Les entreprises du secteur

Avec 170 GW de capacités éoliennes terrestres développées, Vestas (Danemark) se présente comme le leader de cette industrie. Suivent entre autres de nombreuses entreprises chinoises (comme Goldwind) mais aussi Enercon (Allemagne), Siemens Gamesa (Allemagne/Espagne) ou encore GE Renewable Energy (États-Unis).

Investissement et production

Selon l’Ademe, les coûts d'études, de construction, de raccordement et de démantèlement d’une éolienne atteignent environ 1,2 million d'euros par mégawatt. Les coûts d’exploitation, d’entretien et de maintenance représentent près de 3% par an de l’investissement total⁽⁹⁾.

La puissance d’une éolienne terrestre a été multipliée par à peu près 10 entre 1997 et 2007. Dans les années 1980, une éolienne permettait d’alimenter une dizaine de personnes en électricité. Au début de la décennie 2010, une seule éolienne de 2 MW peut fournir de l’électricité à 2 000 personnes en moyenne, chauffage compris. 

L’amélioration de la conception des éoliennes, notamment de la forme des pâles ainsi que l’accroissement de leur taille permettent d’augmenter le facteur de charge de l'éolien terrestre, et donc sa production électrique.

Une éolienne d’une puissance de 2 MW produit légèrement plus de 4 000 MWh par an, soit l'équivalent de 5h30 par jour à pleine puissance. A titre indicatif, cette quantité d’électricité permet de répondre aux besoins électriques domestiques (chauffage inclus) d’environ 2 000 personnes en France⁽¹⁰⁾.

Les propriétaires fonciers touchent en moyenne en France de 2 000 à 3 000 euros par an et par éolienne implantée sur leur terrain.

Le prix de revient de l’électricité produite par une éolienne terrestre est d’environ 5 à 8 centimes d’euro par kWh, à comparer à un coût de 4 à 5 centimes d’euro par kWh pour les énergies fossiles⁽¹³⁾.

Rendement théorique et concret d’une éolienne terrestre

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 est donnée par la loi de Betz :

P = 0,37.S.v³ où S est la surface balayée et v est la vitesse du vent.

En pratique, une éolienne démarre avec des vitesses de vent autour de 10 à 15 km/h, atteint sa puissance nominale pour des vents de 50 km/h et doit être arrêtée pour des raisons de sécurité quand le vent atteint 90 km/h. Afin de les arrêter, on les oriente dans la position offrant la prise au vent la plus faible possible. Le dispositif d'orientation est activé par un contrôleur électronique qui vérifie la position d’une girouette située sur l'éolienne.

1888 : Charles Brush, un scientifique américain de Cleveland en Ohio, construit la première turbine éolienne capable de produire de l’électricité. Haute de 17 mètres et composée de 144 pales en cèdre, elle a une puissance de 12 kilowatts ⁽¹¹⁾.  

1891 : l’inventeur danois Poul La Cour découvre que des turbines à rotation rapide composées d’un nombre moins grand de pales génèrent davantage d’électricité que des turbines plus lentes composées de nombreuses pales. Cette découverte lui permet de mettre au point les premières éoliennes conçues à partir des principes modernes d’aérodynamique. Elles acquièrent une capacité de 25 kilowatts grâce à des rotors à quatre pales et affichent une plus grande efficacité.

Années 1960 : des inventeurs comme Ulrich Hutter en Allemagne mettent au point des plans élaborés de turbines à axe horizontal. Ces turbines sont dotées de pales en fibre de verre et possèdent un angle d’attaque ajustable afin d’en augmenter l’efficacité.

2007 : en France, le Grenelle Environnement ambitionne de porter la puissance installée du parc éolien terrestre français à près de 19 GW en 2020 (contre près de 6,6 GW à fin 2011). A cet horizon, la puissance installée dans le monde (offshore compris) pourrait atteindre entre 352 et plus de 1 000 GW, selon les différentes projections établies⁽¹²⁾ (contre 237 GW à fin 2011).