L'énergie éolienne : Potentiellement les plus grandes opportunités pour une énergie propre
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Mis à jour le: 03 Mar 2021
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Aujourd’hui, l’énergie éolienne ne fournit que 0,8% de l’approvisionnement mondial total en énergie
. Dans ce chapitre, nous allons jeter un coup d’œil sur ce que nous pouvons faire pour augmenter sa part, mais avant cela, explorons le fonctionnement de l’énergie éolienne.
Terrou avec son parapluie
Comment fonctionne l’énergie éolienne ?
L’énergie du vent provient des grandes turbines éoliennes, qui transforment l’énergie cinétique du vent en énergie électrique.
La plupart des turbines ont deux ou trois pales, qui sont conçues pour tourner lorsque le vent les touche selon un angle particulier. Ces pales tournent ensuite un rotor qui fait tourner un générateur pour produire de l’électricité.
Combien coûte l’énergie éolienne ?
L’éolien terrestre (quand les turbines sont construites sur les terres) est l’une des formes d’énergie renouvelable les plus économiques que nous ayons et, dans certains cas, est encore moins cher que l’énergie provenant de combustibles fossiles.
On s’attend à ce que ce prix diminue encore plus à l’avenir. D’ici 2030, le coût moyen global de l’énergie éolienne terrestre detruet chuter à 0,03-0,05$ par kWh - par rapport à 0,06$ par kWh en 2018.
À mesure que nous construisons plus de turbines, le coût de leur construction diminue . Cela est dû à ce qu’on appelle les économies d’échelle : la plupart des coûts de construction d’un produit (comme le design) n’ont besoin d’être payés qu’une seule fois, peu importe la quantité produite. Par conséquent, plus nous fabriquons un produit, moins il devient cher en moyenne .
L’énergie éolienne devient également moins chère, car la quantité d’énergie que chaque turbine génère a augmenté . Cela est dû à des améliorations technologiques.
Améliorer les éoliennes ?
Il y a deux chiffres importants à considérer :
La puissance nominale : Les turbines produisent plus d’énergie quand le vent souffle plus fort, n’est-ce pas ? Oui, c’est true. Mais à un moment, cela s’arrête, et un vent plus fort ne conduira pas à plus d’énergie. On appelle ce point la puissance nominale, et plus elle est élevée, mieux c’est.
Puissance nominale des éoliennes
Le facteur de capacité : C’est la fraction de temps pendant laquelle une turbine fonctionne à sa puissance nominale. Si nous construisons une éolienne dans une région où le vent est faible, elle atteindra rarement sa puissance nominale. Le facteur de capacité des éoliennes terrestres est actuellement de seulement 34%.
Facteur de capacité des éoliennes terrestres
Tant que nous n’augmenterons pas ce chiffre, le vent ne sera pas en mesure de nous fournir un approvisionnement stable en énergie, à moins de dépenser d’énormes sommes d’argent pour trouver un moyen de stocker de l’énergie excédentaire lorsque le vent ne souffle pas.
Dans ce contexte, regardons comment nous pouvons augmenter chacun de ces chiffres.
Plus elle est grande, mieux c’est - Augmenter la puissance nominale
Ces dernières années, les éoliennes sont devenues plus grandes. L’image ci-dessous montre comment le diamètre des turbines aux États-Unis a augmenté au cours des 20 dernières années :
Le diamètre des turbines aux États-Unis au fil du temps
Cette croissance signifie que les éoliennes peuvent maintenant, en moyenne, générer beaucoup plus d’énergie.
Si des éoliennes plus grandes coûtent effectivement plus cher à construire, elles produisent aussi plus d’énergie, donc elles sont moins chères à long terme.
Cependant, les pales sont maintenant si énormes que les transporter depuis l’usine devient beaucoup plus difficile. Cela signifie que nous devons construire les turbines sur place, ce qui peut être plus coûteux. Les grandes éoliennes subissent également la force du vent de manière plus intense, et doivent donc être construites à partir de matériaux plus résistants, qui peuvent être difficiles à produire.
Bien sûr, l’augmentation de la puissance nominale d’une turbine ne signifie pas grand chose si elle fonctionne rarement à cette puissance parce que le vent est trop faible. Que pouvons-nous faire à ce sujet ?
L’énergie éolienne peut-elle être fiable ? Augmentons le facteur de capacité !
En général, le vent en mer est à la fois plus fort et plus constant que sur terre . Par conséquent, la construction d’éoliennes en mer (appelées éoliennes offshore) peut générer plus d’énergie, de manière plus régulière, sans prendre de place sur la terre ferme.
Éolien terrestre vs offshore
Le vent est également plus fort et plus constant à plus haute altitude, donc la construction d’éoliennes plus hautes a un impact similaire. Cependant, comme avec les éoliennes plus grandes, cela nécessite des matériaux solides, qui sont actuellement plus chers.
Alors, comment pouvons-nous capter l’énergie des vents forts autrement ?
L’éolien aéroporté - En vol vers des facteurs de capacité plus élevés ?
L’énergie éolienne aéroportée est un ensemble de technologies qui captent les vents très forts à haute altitude dans l’atmosphère.
Éolien traditionnel vs énergie potentielle d’un cerf-volant
L’une de ces technologies a recours à des cerfs-volants pour capter l’énergie du vent à 70-450 m de hauteur. Voici comment ça marche :
- Les cerfs-volants sont fixés sur de longs câbles qui sont enroulés dans une bobine attachée au sol.
- Les cerfs-volants sont guidés pour s’envoler, tirant le câble et déroulant la bobine pour produire de l’électricité.
- Une fois que la bobine est complètement déroulée, le cerf-volant est ajusté pour le rembobinage sur le câble, consommant moins d’énergie qu’il n’a produit en volant.
Puissance du cerf-volant
Il faut faire davantage de recherche avant que cela devienne commercialement viable, mais cette technologie pourrait augmenter les facteurs de capacité de l’énergie éolienne d’environ 35% à 60%.
Qu’en est-il des coûts environnementaux ?
Les inquiétudes concernant les éoliennes
Prenons-les une par une.
L’impact visuel : Cela pourrait être réduit en plaçant des parcs d’éoliennes dans des endroits éloignés et au large des côtes. Dans la mesure du possible, les opérateurs pourraient impliquer les communautés locales dans la planification et même la propriété de nouvelles exploitations .
Le bruit : L’altération de la forme des pales peut légèrement réduire le bruit de frottement qu’elles produisent. Le bruit mécanique des turbines elles-mêmes peut également être réduit en utilisant des engrenages plus silencieux ou en construisant des caissons acoustiques couvrant les turbines.
Les ondes radio : Les parcs d’éoliennes peuvent perturber les ondes radio . Cela peut affecter les systèmes de navigation radar des bateaux et des avions à proximité. Nous devons trouver des moyens d’entraîner nos systèmes radars actuels pour reconnaître les signaux émis par les éoliennes, et/ou construire de nouvelles éoliennes dotées de matériaux absorbant les ondes radar.
Les oiseaux peuvent être tués suite à une collision avec les pales tournantes, mais on peut réduire cet impact en évitant de construire des éoliennes dans les zones où les populations d’oiseaux sont concentrées. Les oiseaux peuvent également être protégés en mettant temporairement les éoliennes à l’arrêt si des espèces rares sont à proximité. Pour les parcs éoliens offshore, la hauteur des turbines peut être ajustée pour éviter le plus possible de croiser la trajectoire des oiseaux marins en vol.
Utilisation des terres
Les grandes éoliennes peuvent générer beaucoup d’énergie, mais elles prennent aussi beaucoup d’espace . Une centrale nucléaire de 3,4 km² produirait autant d’énergie que des éoliennes occupant une surface de 344 km² . Cela dit, si nous utilisons l’espace entre les éoliennes, pour l’agriculture par exemple, nous réduisons les terres « perdues » pour l’énergie éolienne de plus de 90% ! .
La surface exigée pour les parcs éoliens
Des parcs éoliens flottant sur l’océan
Un moyen évident de réduire l’utilisation des terres par les éoliennes est de les construire en pleine mer ou offshore.
Nous avons vu que les parcs éoliens offshore peuvent avoir des puissances nominales et des facteurs de capacité plus élevés, mais ils coûtent aussi plus cher à installer et à entretenir . Ceci étant dit, des économies d’échelle et une demande accrue pourraient entraîner à l’avenir le développement d’un plus grand nombre de parcs éoliens offshore.
Les éoliennes offshore actuelles ne peuvent être construites que près de la côte sur des plateaux continentaux peu profonds. Mais ceux-ci ne représentent que 10% de l’océan, ce qui limite la quantité d’espace disponible pour construire des parcs éoliens. De plus, les vents sur les plateaux continentaux sont plus lents et moins constants qu’en pleine mer.
Pour résoudre ce problème, les ingénieurs travaillent sur des éoliennes flottantes. Celles-ci sont simplement ancrées dans les fonds marins à l’aide de grands câbles et peuvent être installées à pratiquement n’importe quelle profondeur.
Une éolienne flottante
Plusieurs essais de cette technologie sont en cours dans le monde entier. Par exemple, un parc éolien flottant fonctionne actuellement avec une puissance nominale de 30 MW au large des côtes écossaises depuis 2017, et a opéré à des facteurs de capacité allant jusqu’à 65%, survivant à des vagues de 8,2 m de haut ! N’est-ce pas génial ?
Conclusion
Les grandes turbines éoliennes peuvent produire de grandes quantités d’énergie propre et, surtout, bon marché. C’est génial, mais cela n’aide pas si l’alimentation en électricité n’est pas stable.
Dans ce chapitre, nous avons vu que l’augmentation du facteur de capacité des éoliennes est notre meilleure chance d’augmenter la stabilité de l’énergie éolienne.
Cela nous aide jusqu’à un certain point, mais malheureusement, contrôler la météo reste impossible. Donc, pour exploiter la force du vent à grande échelle, nous avons besoin de grandes quantités de stockage d’énergie pour compenser lorsque le vent ne souffle pas assez fort.
Il existe une source d’énergie renouvelable bon marché et fiable : l’hydroélectricité. C’est l’objet du chapitre suivant !
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