dimanche 10 août 2014

Éoliennes: Combien faudrait-il installer en France pour produire la totalité du courant consommé?

www.manicore.com
première version : juin 2000 - dernière modification : juillet 2014
contacter l'auteur : jean-marc@manicore.com

Commentaire: Quand l'expert se fait pédagogue et convaincant. Mais, il y a toujours les "mauvais élèves"qui n'écoutent rien, malheureusement pour nous riverains (es) ou futurs (es) riverains (es) de "parcs" éoliens. Ce sont celles et ceux qui ont le Pouvoir de "décider" de nos vies: les gouvernants et une majorité d'élus (es).  Que faire? Utilisons nous aussi notre Pouvoir: en 2017, dehors, les "colonisateurs" éoliens. Votons!

ZÉRO ÉOLIENNE et BASTA!
php


Le propre des calculs de coin de table, c'est qu'ils aident à fixer des ordres de grandeur, même quand il n'ont pas vocation à s'appliquer à la réalité. Le calcul qui suit est évidemment réalisé dans cet esprit, puisque personne ou presque n'envisage de recourir uniquement à l'éolien pour alimenter un réseau électrique.
Mais comme ce mode de production électrique est souvent présenté comme idéal, à tel point qu'il n'y a quasiment pas une publication sur le "développement durable" qui ne comporte une éolienne en page de couverture, il m'a paru intéressant de faire quelques additions et multiplications liées au potentiel de cette source de production électrique (laquelle électricité représente 40% de la consommation d'énergie primaire dans le monde, donc il reste quelques bricoles à côté !). Et l'exercice auquel je me suis livré ici est de voir ce que cela signifie de "pousser cette production à son maximum".

L'énergie électrique fournie par une éolienne est fortement variable au cours du temps. En effet, une éolienne ne délivre sa puissance maximale (dite encore puissance nominale) que dans une fourchette de vitesses de vent assez restreinte : trop lent, le vent n'entraîne pas les pales assez vite, trop rapide, il les entraînerait trop vite et il faut réduire la vitesse de rotation (en faisant pivoter les pales) pour éviter des perturbations aérodynamiques en bout de pale.

Pour une éolienne de 175 kW de puissance nominale le tableau ci-dessous donne la puissance effective en fonction de la vitesse du vent. Une puissance nominale 10 fois plus importante ne change pas grand chose au à la manière dont la puissance fournie varie avec le vent (ou encore le % de la puissance installée en fonction du vent).

Vitesse du vent (m/s)

8
10
12
14
16
18
20
22
pour info : en km/h
28,8
36
43,2
50,4
57,6
64,8
72
79,2
pour info : en nœuds
15,6
19,4
23,4
27,2
31,1
35
38,9
42,8
pour info : en force Beaufort
4
5
6
7
7
8
8
9
Puissance délivrée (kW)
30

60

115

175

180

172

168

165
En % de la puissance installée
17%

34%

66%

100%

103%

98%

96%

94%


Voici, pour une autre éolienne (Jeumont 750 kW) la courbe de puissance délivrée en fonction de la vitesse du vent:




Les éoliennes modernes ont certes des puissances unitaires qui peuvent aller jusqu'à plusieurs MW sur terre ou en mer, mais cela ne change pas la manière dont la puissance est délivrée en fonction de la vitesse du vent. Or, cela semblera peut-être une évidence, le vent n'est constant ni en force ni en direction (ce deuxième point n'est pas sans importance car dans les champs d'éoliennes ces dernières ne sont pas placées aux sommets d'un maillage carré mais d'un maillage rectangulaire, le grand côté de la maille devant être dans le lit du vent dominant). On donne l'exemple ci-dessous de deux roses des vents pour des sites littoraux, donc particulièrement favorables a priori.

Explications pour interpréter les roses des vents ci-dessous.
La rose est représentée sur un fonds de cercles gradués qui représentent la probabilité d'avoir du vent d'une force et d'une orientation donnée. Chaque cercle représente 2% de probabilité.
Par exemple, à Batz, la probabilité d'avoir du vent venant du Nord (cap 360) est de 2% environ, celle d'avoir du vent venant d'ouest + ou - 10° est de 30% (14% pour le 260 et 16% pour le 280).
Par ailleurs, l'épaisseur et la couleur du trait représentent la force Beaufort : 1 à 4 : bleu ; 5 à 7 : vert ; 8 à 9 : rouge ; 10 et plus : noir. A Batz, par exemple, la probabilité d'avoir un vent de force 4 ou inférieure venant du 240 est donc de 6% ; celle d'avoir un vent venant du 240 de force 5 à 7 est d'un peu plus de 2%.
On voit immédiatement sur ces roses que le vent "tourne" et que sa force n'est pas régulière. En particulier, les occurrences de vent inférieures à 8 m/s (force 4, trait bleu) sont loin d'être négligeables, et l'on voit que la force 7, à partir de laquelle notre éolienne ci-dessus donne sa pleine puissance, souffle bien moins de 50% du temps.

Distribution des vents à l'Ile de Batz (Bretagne Nord).
Distribution des vents au Cap Camarrat (Littoral méditerranéen).



En conséquence de vents qui sont rarement à la vitesse optimum, la puissance instantanée délivrée est rarement au maximum, et surtout varie assez fortement en fonction des conditions de vent, comme le montre le graphique ci-dessous.


Puissance moyenne sur 10 minutes délivrée par une "ferme" éolienne de 10 MW de puissance nominale (située en Grande-Bretagne), au cours du mois de janvier 1997

L'observation montre alors que pour passer de la puissance nominale installée d'une éolienne (en W) à l'énergie fournie sur une année (en Wh) ors qu'un fonctionnement à pleine puissance toute l'année conduirait à une multiplication par 8.760, soit le produit de 365 (jours) x 24 (heures)). En d'autres termes, une éolienne produit autant d'électricité, pendant toute l'année, que si elle tournait à puissance maximum pendant 2000 heures environ. En pratique ce coefficient 2000 est dépassé pour les pays ayant un littoral bien venté, mais n'est pas atteint partout.

L'éolien est-il une solution significative pour concourir à notre approvisionnement énergétique ?
En partant de ce constat, quelle surface de zones favorables faudrait-il couvrir d'éoliennes pour produire en moyenne la consommation française d'électricité ? Il s'agit bien sur d'un exercice académique, mais qui sera illustratif pour cadrer le potentiel vraisemblable de cette forme de production d'électricité.

La consommation française d'électricité est de l'ordre de 500 TWh actuellement (1 TW.h = 1.000.000.000.000 W.h).

Production d'électricité en France, en TWh. En enlevant l'exportation et les pertes d'acheminement,, la consommation vaut de 450 à 500 TWh. Source BP Statistical Review, 2014

Pour fournir 500 TWh (soit 500.000 GW.h) avec des éoliennes fournissant 20 GWh par km2, il faudrait "planter" une surface favorable de 490.000 ÷ 20 ≈ 25 000 km2, soit environ 5% du territoire métropolitain, ce qui représente à peu près la superficie actuellement occupée par les villes, les routes et les parkings, même si en fait les surfaces ne sont pas mobilisées en totalité et restent largement disponibles pour un autre usage (cultures notamment). Il est bien évident que si le nombre d'heures "équivalent pleine puissance" n'est égal à 2000 que sur 1% du territoire, alors les calculs ci-dessous sous-estiment le nombre de machines à installer et la surface mobilisée, car une partie des éoliennes serait alors installée dans des endroits où l'énergie annuelle produite serait bien inférieure à ce qu'elle est aujourd'hui, pour une éolienne de même puissance nominale bien sûr.

Avec des éoliennes de 2 MW de puissance nominale (qui font de l'ordre de 100 m de haut), fournissant donc environ 4 GWh par an en zone favorable, il en faudrait environ 125 000 pour produire les 500 TWh mentionnées plus haut.


Mais comme le vent est intermittent, alors que la demande n'est pas dépendante du vent (personne n'entend avoir un frigidaire qui ne fonctionne pas les jours sans vent !), une électricité uniquement éolienne devrait pouvoir être stockée au moment où il y a du vent, puis restituée au moment où le consommateur entend être servi. Sous forme chimique, les possibilités de stockage sont l'utilisation d'un accumulateur (une "batterie") ou la conversion en hydrogène, sous forme mécanique cela peut consister à remonter de l'eau dans un réservoir d'altitude (ce que fait déjà EDF).

Si toute l'énergie électrique du pays était éolienne, le stockage de l'électricité dans des batteries représenterait probablement des consommations de matériaux (et des problèmes d'environnement pour leur fabrication et leur fin de vie....) hors de proportion avec les moyens disponibles : dimensionner des accumulateurs pour stocker l'équivalent d'une semaine de production d'électricité (à raison de 1,5 TWh par jour en gros) demanderait la fabrication de 7 tonne(s) de batteries plomb-acide par français (une telle batterie stocke environ 30 Wh par kg de poids).

Une solution probablement plus réaliste consiste à produire de l'hydrogène par électrolyse puis à la stocker afin de l'utiliser dans des piles à combustible lors des jours sans vent. Le rendement de l'électrolyse est de 80% au mieux, celui du stockage de l'hydrogène 80% au mieux également (il faut bien utiliser de l'énergie pour le comprimer !), et enfin les meilleurs piles ont des rendements de 80% en cogénération (ce qui revient à promouvoir le chauffage électrique alors que ce mode est présenté comme une hérésie aujourd'hui !) mais de 45% en production électrique seule.

Dans ce dernier cas, le rendement global de la chaîne est de 28%. Si nous supposons que la moitié de l'électricité éolienne est consommée lorsqu'elle est produite, mais que pour l'autre moitié il faut stocker, avec un rendement de 25%, alors il faut environ 300 000 éoliennes de 2 MW pour produire 500 TWh (soit 62.000 qui produisent sans stockage, et 240.000 qui produisent avec stockage, donc une fourniture utile divisée par 4, la même chose que 65 000 sans stockage, et on retrouve bien la production brute de 125 000 éoliennes au total).

Il est aussi envisageable d'utiliser des stations de pompage, sorte de "barrages réversibles", où l'eau, après avoir été turbinée, est récupérée et stockée dans une retenue aval, puis est ensuite remontée dans la retenue amont quand il y a du vent. Il y a en France environ 5 GW (un GW = un million de kW) de puissance installée en STEP, ayant stocké puis restitué environ 10 TWh d'électricité en 2012. Pour stocker puis restituer 250 TWh par an, nous voyons qu'un calcul au premier ordre suggère qu'il faut multiplier par 20 à 30 la capacité des STEP (ce calcul ne tient pas compte du fait que les STEP ne sont peut-être pas utilisées à plein actuellement, mais en tout état de cause il faudrait en rajouter pas mal !).

Un autre calcul de recoupement peut être fait : les barrages avec lac représentent un peu moins de 20 GW de capacité installée en France (et produisent actuellement de l'ordre de 40 TWh par an). Cela signifie qu'une capacité hydraulique pouvant alimenter la France entière un jour sans vent (s' il n'y a plus ni nucléaire ni charbon ni gaz, évidemment, et si la puissance appelée reste du même ordre, soit 70 à 90 GW lors de la pointe quotidienne du soir en hiver) revient à multiplier la puissance des installations par 4 à 5 (pour que la puissance installée soit égale à la puissance maximale délivrée sur le réseau).

Toutes choses égales par ailleurs, cela reviendrait à multiplier le volume - donc la superficie - des lacs par 5 à 6, et, si ces barrages sont transformés en STEP , il faut y ajouter l'équivalent pour récupérer l'eau en aval. Il faut aussi renforcer un poil le réseau pour aller des éoliennes littorales aux Alpes... Bref n'avoir comme seul système électrique que des éoliennes et des STEP est assurément possible, mais pas facilement pour la quantité d'électricité consommée aujourd'hui !

Et l'éolien est-il un mode de production "local" ?
Un des arguments souvent mis en avant par les promoteurs de l'éolien est de dire qu'il s'agit d'un mode de production "décentralisé". Cet argument est hélas doublement inexact :

une éolienne produit du courant en moyenne tension (20 kV), qui est ensuite monté en haute tension pour être injecté dans le réseau de transport (qui va de 90 kV à 400 kV). De ce fait il n'y a pas de correspondance entre le lieu de production et le lieu de consommation, l'éolien alimentant, comme tous les autres modes de production électrique (sauf le photovoltaïque intégré au bâti), un réseau "global", et heureusement pour les Danois, sinon leur système électrique, incapable de faire consommer localement l'électricité éolienne produite quand le vent souffle fort, serait par terre à chaque dépression !


dans la mesure où une puissance installée significative en éolien suppose l'existence d'un réseau et d'autres moyens de production "ailleurs" qui permettront de gérer la forte variabilité de l'éolien, ce caractère local devient inexistant : quand l'éolienne est bien locale mais que l'ensemble ne peut fonctionner que grâce à un réseau national voire international, on ne voit pas bien où est le coté "autonomie" qui est sous-jacent à l'adjectif "local",


les barrages aussi sont locaux, au sens où ils sont ici et pas ailleurs, mais les gestionnaires de barrages ne seraient pas plus légitimes à revendiquer une "contribution locale" à l'approvisionnement en énergie renouvelable. Les barrages des Alpes ou Norvégiens servent à réguler le réseau européen, et pour tous les moyens de production qui injectent sur le réseau de transport il n'y a pas de correspondance entre le lieu de production et le lieu d'utilisation.

En guise de conclusion...
Après des années d'efforts visibles et de discours qui le sont encore plus, l'éolien a produit 12 TWh en France en 2011, soit environ 2,4% de notre production électrique totale, ou encore 1% de notre consommation d'énergie totale. Les chiffres montrent par ailleurs que les pays qui ont investi massivement dans l'éolien, comme le Danemark, n'ont pas beaucoup changé la structure de leur approvisionnement énergétique, ni leurs émissions de gaz à effet de serre.

Faut-il passer des années à se focaliser sur 1%, quand, dans le même temps, un programme un peu sérieux d'économies d'énergie - comme par exemple l'isolation des logements existants, qui ne demanderait pas plus d'argent public - pourrait facilement faire baisser la consommation d'énergie de 10%, c'est à dire 10 fois plus ? Faut-il valoriser à ce point dans les discours publics une production qui n'amène ni économies de CO2 significatives, ni amélioration de la balance commerciale (au contraire, on importe les éoliennes !), ni sécurisation du réseau électrique (au contraire), et qui risque de pousser à la construction de centrales à gaz en économie "libéralisée" ? Faut-il le faire alors que nous allons avoir des récessions de plus en plus fréquentes ?

L'engouement auquel nous assistons actuellement pour l'éolien n'est donc pas fondé par des ordres de grandeur en rapport avec le problème (économiser l'énergie de manière massive est bien plus urgent que de planter des éoliennes en faisant croire que ça sera un déterminant significatif de la solution). Il s'agit, comme souvent hélas, de la conséquence logique d'un débat médiatique qui a beaucoup de mal avec les ordres de grandeur.

Si la première priorité pour l'avenir est de diminuer les émissions de gaz à effet de serre, il y a bien plus efficace à faire que de mettre des éoliennes partout. La Suisse, qui n'a quasiment pas d'éoliennes, a des émissions directes par habitant deux fois moindres que celles du Danemark (qui fait partie des premiers pollueurs par habitant en Europe question gaz à effet de serre), et une fois et demi moindre que les nôtres, et pourtant il y fait froid l'hiver (30% de la consommation d'énergie en France est liée au "confort sanitaire", chauffage pour l'essentiel et eau chaude). L'Allemagne, qui vient juste après le Danemark (pour la production éolienne) a aussi des émissions de gaz à effet de serre par habitant bien au-dessus de la moyenne européenne.

Plus généralement, si notre première priorité est de minimiser notre impact sur l'environnement, penser qu'il suffit de mettre des éoliennes partout pour y parvenir est hélas un rêve. Il nous faudra pour cela renoncer à la poursuite de la croissance en volume. Dans quelle mesure les éoliennes ne sont-elles pas "aimées" parce que bien des gens y voient une alternative aux économies d'énergie, pensant que quelques éoliennes suffiront à nous éviter de changer quoi que ce soit à notre consommation d'énergie actuelle ?

Si la première priorité est de nous mettre dans un monde avec "juste des renouvelables", il est incontournable de diminuer au préalable notre consommation d'énergie d'un facteur trois à quatre : aucune solution à base de renouvelables n'est dans les bons ordres de grandeur pour nous permettre un approvisionnement à notre niveau actuel, et il s'en faut de beaucoup.

Et enfin, toutes les renouvelables ne sont pas égales ! Mettre sur un pied d'égalité la biomasse, les carburants d'origine agricole, l'éolien, le solaire, la géothermie et l'énergie hydroélectrique est ignorer que chaque forme a ses avantages et ses inconvénients, et que toutes sont très loin d'avoir le même potentiel. Au niveau actuel de consommation d'énergie que nous avons, miser beaucoup d'argent et de discours sur l'éolien servira juste à nous précipiter un peu plus vite vers les ennuis, parce, hélas pour nous, le monde est fini et donc le temps pour mettre en œuvre les "vraies" solutions aussi !












Aucun commentaire:

Enregistrer un commentaire