A quoi sert une Éolienne?

Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Le plus souvent cette énergie est elle-même transformée en énergie électrique. Les éoliennes produisant de l'électricité sont appelées aérogénérateurs, tandis que les éoliennes qui pompent directement de l'eau sont parfois dénommées éoliennes de pompage, dont un type particulier est l'éolienne Bollée. Ernest Sylvain Bollée a utilisé ce mot « éolienne » pour la première fois (1885) comme nom commun et non plus comme un adjectif (énergie éolienne). Le mot se retrouve dans le Larousse quelques années plus tard en 1907.
Les termes de parc éolien ou de ferme éolienne sont utilisés pour décrire les unités de production groupées (installées à terre ou en mer).
Les États dans le monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont la Chine, l'Allemagne, l'Espagne, les États-Unis et le Danemark.
En France, les centrales éoliennes de production d'électricité sont en pleine expansion sur une grande partie du territoire. L'Aude et la Bretagne sont des zones géographiques pionnières en la matière.

 

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur.
Une éolienne se compose des éléments suivants :
Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).
Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.
Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne, fixé à la nacelle. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il est branché directement ou indirectement (via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilisera l'énergie recueillie (pompe, générateur électrique...).
Des éléments annexes, comme un poste de livraison pour injecter l'énergie électrique produite au réseau électrique, complètent l'installation.
Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamiques, mécaniques et électrotechniques. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de 250 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 kW et 250 kW) et du petit éolien (inférieur à 36 kW).
Axe horizontal
Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.
Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout de pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW.
Puissance théoriquement récupérable
La puissance du vent contenue dans un cylindre de section est :
avec :
: masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar)
: vitesse du vent en m/s
Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage à travers la turbine (dans le cas contraire, cela reviendrait à « arrêter le vent »).
Formule de Betz
Article détaillé : Limite de Betz.
L'énergie récupérable est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de l'éolienne, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est égale aux 16/27 de la puissance incidente.
La puissance maximale théorique d'une éolienne est ainsi fixée à :

soit

formule dans laquelle :
P est exprimé en watts (W)
S est la surface balayée par les pales exprimée en mètres carrés (m2) (disque ou anneau dans le cas d'une éolienne à axe horizontal)
V est la vitesse du vent en mètres par seconde (m/s)
Cette puissance maximale est ensuite affectée du coefficient de performance propre au type et au modèle d'éolienne et au site d'installation. Ce coefficient est en général compris entre 0,20 et 0,70.
Production d'énergie électrique

Éoliennes et lignes à haute tension près de Rye, en Angleterre.
Article détaillé : Énergie éolienne.

Parc éolien d'Estinnes, Belgique, et ses onze éoliennes E-126 7,5 MW, vues le 20 juillet 2010, un mois avant l'achèvement, remarquez les pales en deux pièces

Parc éolien d'Estinnes, Belgique, les 11 éoliennes E-126 7,5 MW achevées, vues le 10 octobre 2010
Une des caractéristiques importantes des éoliennes est leur puissance électrique nominale. Ainsi faire référence à une éolienne de 2 MWc (mégawatt) signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 ∗ (106 watt). La vitesse de vent minimale pour atteindre cette puissance maximale est de l'ordre de 15 m/s, soit environ 55 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie ; au-dessus, la production n'est pas plus importante et quand la vitesse du vent atteint le seuil de sécurité (souvent aux alentours de 25 à 35 m/s - 90 à 126 km/h) l'éolienne est bridée voire mise à l'arrêt1. La production réelle d'énergie électrique est donc fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent du site.
Le facteur de charge d'une éolienne est le rapport entre l'énergie électrique effectivement produite sur une période donnée et l'énergie que l'éolienne aurait produit si elle avait fonctionné à sa puissance nominale durant la même période. Cet indicateur est souvent calculé sur une année et exprimé en pourcent (%), c'est d'ailleurs le cas dans la suite de cette section. En moyenne sur l'ensemble de l'Europe, ce facteur de charge a varié entre 17,7 % et 21,0 % entre 2003 et 20082, alors qu'en France il a été de 22 % pour les années 2010 et 20093,4.
En 2009, l'éolien représentait 1,3 % de la production mondiale d'électricité. En France, la production électrique via l'éolien représentait 1,5 % de la production totale d'électricité en 20094 et 1,7 % en 20103. Au Danemark, avec un parc de 3 482 MW en 2009 et une production de 24 194 TJ, la production éolienne représentait 18,5 % de la production d'électricité (soit 2,99 % de la consommation totale d'énergie)5.
Autres caractéristiques techniques

Moyeu d'une éolienne sans pales (Enercon E-70) sur l'île de El Hierro (Canaries).
Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. L'inertie de la turbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur de ses pales alors que la surface résistante au vent est proportionnelle au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.
Les coûts de construction et de maintenance d'une éolienne augmentent peu en fonction de sa taille. En limitant tous les coûts, on reste seulement contraint par la résistance des matériaux et par les dimensions de ses fondations. Pour la réalisation des pales, l'un des meilleurs matériaux disponibles actuellement est l'époxy. Le carbone composite permet de construire des éoliennes de 60 mètres de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.
Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui enregistrent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.

Éoliennes au Texas (États-Unis)

Pales de remplacement mesurant environ 15 m de long
Quand elle tourne face au vent, l'éolienne agit comme un gyroscope, et la précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière à la turbine. Chaque pale est soumise à une force de précession maximale lorsqu'elle est verticale et minimale lorsqu'elle est horizontale. Ces changements cycliques de pression sur les pales peuvent vite fatiguer et casser la base des pales ou fausser l'axe de la turbine.

Éolienne de pompage, pour puiser de l'eau.
Quand une éolienne puissante possède plus d'une pale, celles-ci sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve réduit.
Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes, fonctionnent à un nombre de Reynolds plus élevé, et sont par conséquent plus efficaces. Le prix d'une éolienne augmentant avec le nombre de pales, leur nombre optimal semble donc être de trois onshore peut être deux offshore (plus de bruit autorisé).
Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes commercialisées ont deux pales, car il est plus facile et plus économique d'usiner celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales, bien plus silencieuses, doivent généralement être montées sur place.
La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce courbée de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.
Comme le mât produit des turbulences derrière lui, le rotor est généralement placé devant celui-ci. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale, afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât, malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.
Les anciens moulins à vent sont équipés de voilures en guise de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée. De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée par rapport à la puissance qu'elles reçoivent. Elles font tourner le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle du vent dont la poussée implique qu'elles soient montées sur un mât particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui des pales profilées rigides.
Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent.
Des essais furent effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques et bénéficier de l'effet Magnus.
Axe horizontal et pales horizontales
Un essai d'un nouveau type d'éolienne est en cours (2006) sur un bâtiment d'habitation en France à Équihen, dans le Pas-de-Calais : deux groupes de lames fixées sur un axe qui entraîne le générateur.
Axe vertical
Plusieurs solutions d'éoliennes à axe vertical 6ont été expérimentées :

Rotor de Savonius

Éolienne de type Darrieus à rotor parabolique, Parc Éole, Québec.
Le type Darrieus repose sur l'effet de portance subi par un profil soumis à l'action d'un vent relatif ; effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe - jusqu'au rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Québec (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It.

Éolienne combinant les technologies Darrieus et Savonnius, Noveol

Éolienne à ailes rotatives Čuljak7 de 12 m, à Osijek, Croatie.
Le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d'intégrer l'éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l'esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. Il existe une variante, appelée Savonius hélicoïdal (ou twisted Savonius en anglais), qui permet d'augmenter le rendement en proposant de façon continue une surface d'accroche au vent. Au lieu d'avoir des demi-cylindres verticaux, ceux-ci sont tordus de façon hélicoïdale autour de l'axe de rotation. Du fait de leur faible encombrement au sol, de leur bon rendement et du besoin d'un très faible vent, ils sont utilisés en ville sur les toits des maisons, sur des bateaux, comme le Hornblower Hybrid, ou encore dans la tour à énergie positive Pearl River Tower. Elles sont également adaptées à une position horizontale, l'axe de rotation restant face au vent et non dans le profil du vent, comme les éoliennes dites à axe horizontal.
Certain constructeurs ont également conçu des éoliennes intégrant à la fois la technologie Darrieus et la technologie Savonius en cherchant à combiner les avantages de ces deux technologies.
Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet dont l'anémomètre constitue une bonne illustration. Citons aussi les modèles à écran où on masque le côté « contre-productif » de l'engin. Ce modèle utilise un système d'orientation de l'écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Ajoutons finalement que l'accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l'éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de grande taille dans un parc à éoliennes.
Le type à voilure tournante (ou panémone) est caractérisé par l'optimisation dynamique du calage des pales en temps réel, celles-ci se comportent de la même manière que la voile d'un voilier qui ferait un cercle dans l'eau avec un vent déterminé. Les pales reproduisent ainsi fidèlement toutes les allures d'un voilier suivant leur cap tangentiel (angle) par rapport à la direction du vent. Il en résulte que la poussée tangentielle sur les bras du rotor supportant les pales est toujours optimisée. Cette forme de captation de l'énergie éolienne paraît très ancienne (Iran, Crète,...). Ce procédé, qui a reçu la médaille d'argent au salon international des inventions de Genève en 2006, en est encore au stade expérimental8. Voir d'autres expérimentations9.
D'autres modèles sont construits aujourd'hui par diverses entreprises pour s'affranchir des limites introduites par la taille des pales, par leur vitesse de rotation et par le bruit. Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut une production de 8 000 kWh/an est annoncée (2007).
Ce dispositif est installé seulement sur de petites éoliennes ; il modifie les efforts de l'air sur les pales. Il agit de façon à sortir le rotor du lit du vent de façon à diminuer ses effets sur les pales. La force du vent comprime un ressort qui maintient, en temps normal, la tête de l'éolienne verticale.
Régulation aérodynamique sur les pales
Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur le moyeu et permet ainsi de modifier l'énergie récupérée par l'éolienne. Entre autres, il permet d'arrêter l'éolienne afin de la protéger des vents violents (en plaçant les pales en drapeau et en réduisant donc la prise au vent) ou à maximiser le couple transmis au rotor pour la faire démarrer.
Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l'effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor.
Les volets (aérofrein ou flaps) s'ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique.
Les spoilers, encastrés dans le bord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous les spoilers au même moment modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale.
Arrêt par frein à disque automatique
Il ne s'agit plus d'un système de ralentissement, mais d'arrêt complet de l'éolienne.
Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l'intermédiaire d'un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l'éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique est détecté.
Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques.
Critères de choix de sites éoliens

Les critères de choix d'une implantation éolienne dépendent de la taille, puissance et du nombre d'unités. Ils nécessitent la présence d'un vent régulier (cf. atlas éolien) et diverses conditions telles que : proximité d'un réseau électrique pour y raccorder les aérogénérateurs, absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques, sites classés...), terrain approprié, etc.
Le vent
L'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent10, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et de la fréquence des vents présents. Un site avec des vents de 30 km/h de moyenne sera huit fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Éolienne Bollée de relevage d'eau sur son château d'eau, lieu-dit « Le Clône », Région de Pons - Ingénieur : E. Lebert, 1902 - Charente-Maritime, France.
Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives (supérieures à 90 km/h) qui conduiraient à la destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » (pales en drapeau) pour en limiter l'usure. La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizés par exemple).
Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire, car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.).
De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station météorologique proche.
En France, un projet est considéré économiquement rentable si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25 km/h. Cette rentabilité dépend de nombreux autres facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet offshore) ainsi que les coûts de rachat de l'électricité.
Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :
L'accélération par effet géométrique : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux montagnes ou deux grands bâtiments, il est accéléré. De même, lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré au niveau du sommet. Ces lieux sont donc très appropriés pour l'installation d'éoliennes. Ils sont cependant souvent de surface restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est irrégulière.
La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.
De manière générale, il est toujours nécessaire d'effectuer une mesure de vent précise durant plusieurs mois, afin de s'assurer du potentiel éolien du site11. Une étude précise permet ensuite d'extrapoler les données et de déterminer plus ou moins précisément les caractéristiques annuelles du vent (fréquence, vitesse...) et son évolution au cours des années.
Autres critères

Parc éolien à Calenzana, Haute-Corse, France.

Fondation en béton, avant la construction d'une éolienne
D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.
La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne. Il existe aussi des éoliennes haubanées.
L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doit permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.
La connexion au réseau électrique. Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets offshores, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes beaucoup plus faibles.
Les éoliennes, selon leur taille, vitesse de rotation et emplacement, peuvent avoir un effet négatif sur les oiseaux ou chauve-souris (collision, dégradation de l'habitat, etc.) notamment si elles sont éclairées de nuit (cf. pollution lumineuse) ou disposées sur un corridor de migration aviaire. Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet12 : les réserves naturelles, les routes migratoires importantes (cols), etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux. Des études sont également en cours pour mieux apprécier et réduire l'effet des éoliennes sur les chauve-souris13.
Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude des effets sonores sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA le jour et 3 dBA la nuit en France14). La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 mètres. À environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.
Sur la terre ferme
Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une hauteur de plus de 10 mètres jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts et moins perturbés par la « rugosité » du sol. Dans les zones où le relief est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines de mètres. Des mesures in situ et des modèles mathématiques permettent d'optimiser le positionnement d'éoliennes.
Pour les zones isolées et exposées aux cyclones
Pour ces zones, des éoliennes spéciales ont été conçues : elles sont haubanées pour pouvoir être couchées au sol en 45 minutes et sont de plus allégées. Elles peuvent aussi résister aux tremblements de terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations aussi profondes que les autres et se transportent en pièces détachées. Par exemple, sept éoliennes de 275 kW unitaires rendent Terre-de-Bas excédentaire en électricité, lui permettant d'en fournir à la Guadeloupe. De 1990 à 2007, 20 MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installés en Guadeloupe. Toutes peuvent être couchées au sol et arrimées, comme ce fut le cas lors des passages des ouragans Ivan et José.
Mi-2007, il y avait environ 500 de ces éoliennes installées dans le monde, pour une puissance totale de 80 MW. La puissance des aérogénérateurs qui les équipent est passée de 30 à 275 kW en dix ans.
Pleine mer

Éoliennes en pleine mer, près de Copenhague.
À la condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer (offshore) entraînent moins de conséquences sur le paysage terrestre. L'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des vagues et du courant, la protection contre la corrosion (particulièrement importante du fait des embruns) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et les opérations de maintenance peuvent nécessiter de gros moyens. En revanche, une éolienne offshore peut fournir jusqu'à 6 MW (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3 MW dans des sites bien ventés).
Dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple au Danemark), il est assez simple de les installer, et elles ont un bon rendement. L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou terrestres) du Danemark produit, début 2006, 23 % de l'électricité nécessaire au pays15. Ce pays est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970. Aujourd'hui de grands parcs offshore sont en construction au large de l'Angleterre16 dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Écosse pour une puissance d'environ 4 000 MW au total.
La France ne possède pas de parcs offshore, mais quelques sociétés ont des projets en cours : parc éolien de la Côte d'Albâtre, parc éolien de la baie de Seine.
Altitude
De nouvelles éoliennes sont capables de s'élever dans le ciel pour aller chercher les vents d'altitude, plus puissants et plus réguliers. Pour l'instant, au stade expérimental, elles sont de trois types :
les ballons éoliens gonflés d'un mélange d'hélium et d'hydrogène emportent leur alternateur à une altitude de 300 mètres et l'actionnent en tournant sur eux-mêmes. D'après leur constructeur, la puissance de chaque unité pourra atteindre 1 MW.
les voiles souples de type « kite » actionnent un alternateur au sol en s'élevant à une altitude de 800 à 1 200 m. Une fois l'altitude atteinte, la voile redescend. Chaque unité pourrait atteindre une puissance de 3 MW.
des structures s'élèvent à une altitude entre 5 000 et 10 000 mètres où le vent fait tourner leurs hélices. La puissance de celles-ci pourrait atteindre les 100 MW mais leur implantation nécessite des accords avec l'aviation pour éviter toute collision17,18.
Villes

Éolienne urbaine de 2 m de diamètre, puissance 1,75 kW à 14 m/s, Saint-Sébastien (Espagne), 2010. Spécialement développée pour obtenir un très faible niveau sonore. Hauteur du mât : 5,5 m, vitesse de démarrage : 2,5 m/s, durée de vie : 20 ans, conforme au code de l'urbanisme espagnol.

Poteau d'éclairage urbain intégrant éolienne et panneaux solaires à Weihai, en Chine
En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites installations telles que des routeurs Wi-Fi peuvent être alimentées par une éolienne portative qui recharge une petite batterie.
En Chine, différentes villes dont Weihai, dans la province du Shandong, ou encore l'autoroute de la province de Hubei reliant Jingzhou au barrage des trois gorges, sont équipées de poteaux sur lesquels sont couplés de petits générateurs éoliens silencieux et des panneaux solaires, pour alimenter l'éclairage des lampadaires ; le surplus d'énergie peut être réinjecté dans le circuit électrique de la ville. L'emplacement du poteau d'éclairage est choisi à bon escient (voir photo). Ces installations utilisent généralement des éoliennes à axe horizontal. Il apparaît aujourd'hui des installations du même type, avec une éolienne à axe vertical de type Savonius hélicoïdal (Twisted Savonius) offrant 40 W d'éolien + 80 W de solaire sur un seul poteau et une forme plus compacte19.
Toujours en Chine, certains hauts gratte-ciel, tels que la Pearl River Tower sont construits avec des éoliennes dans leur structure, profitant ainsi des vents forts provoqués par les différences de température des structures en verre de ces bâtiments, selon qu'ils sont du côté ombré ou ensoleillé ; L'énergie de ces éoliennes type Savonius hélicoïdales, bénéficient de plus de l'effet venturi provoqué par la taille du canal qui les contient lorsque le vent s'y engouffre. L'énergie éolienne est couplée avec l'énergie électrique fournie par les vitres de cette tour qui sont fait de panneaux solaires transparents (voir l'article sur la tour pour plus de détails).
Solutions expérimentales
En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical, hélicoïdales, à effet Venturi ou un mélange de ces différentes techniques qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible et ne font pas de bruit.
Il est aussi possible d'installer des éoliennes sur le toit des tours comme dans un projet pour le quartier de la Défense près de Paris.
Les éoliennes dans le monde

Au début de l'année 2009, on estimait à près de 121 gigawatts la puissance totale installée de l'ensemble des aérogénérateurs à travers le monde. Le pays possédant la plus grande puissance éolienne installée était les États-Unis (25 388 MW début 2009) suivi de l'Allemagne (23 903 MW), l'Espagne (16 740 MW), la Chine (12 200 MW), l'Inde (9 645 MW) et, loin derrière, l'Italie (3 736 MW) et la France (3 387 MW). La Belgique arrivait en 22e position (384 MW)20.
En puissance éolienne installée par habitant, le Danemark arrive en tête (600 watts par habitant), suivi de l'Espagne (425 W), l'Allemagne (292 W), l'Irlande (284 W) et le Portugal (283 W), devançant largement les Pays-Bas (140 W), l'Autriche (124 W), la Nouvelle-Zélande (117 W) et la Suède (114 W). Les États-Unis arrivaient en 12e position (89 W/hab), la France en 18e position (56 W/hab), la Belgique en 20e (38 W/hab) et la Chine à la 33e place (9,5 W/hab) )20.
Le développement de l'énergie éolienne est extrêmement rapide dans certains pays. La puissance installée mondiale a augmenté de 28,5 % entre 2008 et 2009, avec des taux de croissance supérieurs à 100 % dans cinq pays (Tunisie : + 170 % ; Chine : + 107 %)20.
Poids économique des acteurs de l'industrie éolienne
Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité aux réseaux délivre de l'ordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer. Cependant, des modèles plus petits sont également disponibles.
C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes pour faire fonctionner des équipements tels que le conditionnement d'air. Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne de ce type délivrant 3 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté.
Certaines éoliennes produisent uniquement de l'énergie mécanique, sans production d'électricité, notamment pour le pompage de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui des moulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à la fin du xviiie siècle en France servaient à la minoterie.
Fabricants d'éoliennes

Enercon E66. Hauteur : 100 m, puissance : 2 MW (parc d'Assigny)
En 2011, les parts de marché mondiales des principaux fabricants d'éoliennes selon Make Consulting étaient les suivantes21 :
le Danois Vestas avec 12 % ;
le Chinois Sinovel avec 11 % ;
l'Américain GE Wind avec 10 %.
le Chinois Goldwind avec 10 % ;
l'Allemand Enercon avec 7 % ;
l'Espagnol Gamesa avec 7 % ;
Les principaux fabricants d'éoliennes construisent des machines d'une puissance d'environ 1 MW à 6 MW. Il existe de très nombreux autres fabricants d'éoliennes, parfois de très petite dimension pour des applications individuelles ou de niche.
Les principaux fabricants d'éoliennes étaient d'abord surtout originaires du Danemark et d'Allemagne, pays qui ont investi très tôt dans ce secteur. En 2010, certains pays augmentent leurs investissements pour combler leur retard, comme les États-Unis avec GE Wind qui a presque doublé ses parts de marché en cinq ans, ou la France avec Areva, qui détenait jusqu'en 2007, 70 % du capital de REPower. Le marché est marqué actuellement[Quand ?] par l'émergence des acteurs asiatiques comme Suzlon ou Shenyang Power, qui parviennent à gagner des marchés en Occident.
Éoliennes en France
La puissance éolienne installée au 1er octobre 2010 est de 5 322 MW en France dont 5 238 MW en France métropolitaine et 84 MW dans les DOM-COM selon le Syndicat des énergies renouvelables, La production éolienne de janvier à fin septembre 2010 s'élève à 6,5 TWh soit 1,8 % de la consommation française totale sur la même période.
En 2010, la production électrique a augmenté de 4,07 % pour un total de 398,3 TWh. La production éolienne, elle, a réalisé une progression de + 38,4 % par rapport à la production de l'année précédente sur la même période.
Conséquences sur l'emploi
En janvier 2009, selon le Syndicat des énergies renouvelables (SER), le secteur éolien avait créé dans les 5 années précédentes en moyenne 33 nouveaux emplois par jour en Europe22.
Recherche et développement

Autres productions utilisant l'énergie éolienne
2009 : les Néerlandais de Dutch Rainmaker ont réalisé une éolienne dont l'énergie est utilisée pour condenser la vapeur d'eau présente dans l'air ambiant. Le premier prototype a ainsi condensé 500 litres d'eau douce en 24 heures.
2010 : l'institut allemand Fraunhofer23 explique dans un communiqué avoir réussi à mettre au point un processus de production de méthane à partir de la production en excès des éoliennes. L'électricité est utilisée pour faire une électrolyse d'eau, produisant de l'oxygène (rejeté) et de l'hydrogène. Cet hydrogène est recombiné à du CO2 (sans doute par réaction de Sabatier) pour produire du méthane, qui est réintroduit dans le circuit de distribution public de gaz naturel. La première partie de cette réaction était déjà utilisée par Poul La Cour en 1890 (cf. début de cet article).
Stockage de l'énergie éolienne
2010 : une autre méthode utilisée pour exploiter et stocker les productions excédentaires des éoliennes consiste à les coupler à des techniques de pompage-turbinage au sein de centrales hydro-éoliennes.
Une ferme éolienne génère de l'électricité grâce à des aérogénérateurs. Cette électricité est utilisée à 70 % pour pomper de l'eau vers une retenue d'altitude. Les 30 % restants sont envoyés sur le réseau[réf. nécessaire]. Lors des périodes de vent moindre, l'eau de la retenue est turbinée dans une unité hydroélectrique et stockée dans une retenue basse. L'électricité obtenue est envoyée sur le réseau.
Un projet de ce type sera bientôt opérationnel aux Îles Canaries dans l'île de El Hierro. Ce projet de 11,5 MW permettra en 2012 d'éviter annuellement le transport de 6 000 tonnes de fioul par tankers, et l'émission de 18 000 tonnes de CO224,25.
Historique

 

Article de Scientific American sur l'invention de Brush (1890).
L'ancêtre de l'éolienne est le moulin à vent. De nos jours, elle est encore utilisée comme lui couplée à une pompe à eau, généralement pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou permettre l'élevage du bétail.
En 1888, Charles F. Brush construit une grande éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs.
La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est mise au point par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il vend soixante-douze exemplaires en 190826.
Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'études scientifiques et techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche)27. Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.
Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier pour que le Danemark reprenne les installations d'éoliennes.
Critiques et lobbying pro ou anti-éolien

Article détaillé : Énergie éolienne#Débats et critiques.
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Ce paragraphe se concentre sur les grands aérogénérateurs qui sont les seules éoliennes à réellement faire débat.
Avantages
Pour Hubert Reeves, « chaque éolienne est garante d'un peu moins de gaz carbonique dans l'atmosphère ou d'un peu moins de déchets nucléaires à gérer par les générations à venir ».
L'énergie éolienne est une énergie renouvelable, idéale selon Ressources naturelles Canada28 car :
il s'agit d'une forme d'énergie indéfiniment durable et propre pendant son fonctionnement (la production d'une éolienne reste polluante) ;
elle ne nécessite aucun carburant pour fonctionner ;
elle ne crée pas de gaz à effet de serre (la production des éoliennes, même intermittente, permet la baisse de production correspondante des centrales thermiques) hors de sa production et installation ;
chaque mégawatt-heure éolien aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées annuellement par la production d'électricité d'origine thermique ;
lorsque de grands parcs d'éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes ; la surface restante est disponible pour l'exploitation agricole, l'élevage et d'autres utilisations ;
les propriétaires fonciers reçoivent souvent un paiement pour l'utilisation de leur terrain, ce qui augmente leur revenu ainsi que la valeur du terrain (les loyers sont autour de 1 500 à 2 000 € par MW). En Picardie, les retombées fiscales (impôts fonciers, taxe professionnelle) pour les communes rurales étaient en 2005 d'environ 18 800 euros/an pour un investissement éolien initial de 2,8 millions d'euros29 ;
la propriété des aérogénérateurs par des particuliers et la communauté permet de directement contribuer à la conservation de notre environnement ;
selon EDF30, « [...] l'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple. » ;
les éoliennes permettent au travers de la taxe professionnelle de participer au développement local avec une contribution annuelle de l'ordre de 10 000 € par MW (ce chiffre peut varier en fonction des communautés de communes concernées). Certaines communes rurales peuvent ainsi revivre et assurer des travaux pour lesquels elles s'endettaient jusque-là ;
elle ne produit que très peu de déchets toxiques et aucun déchet radioactif car constituée principalement de béton (socle), métal et de matières plastiques ;
une éolienne est en grande partie recyclable (acier, béton). Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), elle est entièrement et rapidement démontable. On peut même si besoin retirer la fondation en béton. Elle n'aura laissé aucun produit contaminant autour d'elle et pourra être facilement remplacée. Cependant les pales composites ne sont pas recyclables aujourd'hui.
Inconvénients
Santé
Lorsque les éoliennes sont placées à des distances trop faibles, elles peuvent affecter la santé des riverains31,32,33, notamment par leurs nuisances sonores. En 2006 l'Académie nationale de médecine (France) propose, à titre conservatoire, une distance minimale de 1 500 mètres pour les machines de plus de 2,5 MW34 (dont il n'existe à l'époque aucun exemplaire en France). Celle-ci est porté à 2 miles (3,2 km) aux États-Unis[réf. nécessaire]. Ces distances minimales ne sont pas toujours respectées en France[réf. nécessaire].
Éléments polluants contenus dans l'alternateur
Les aimants de forte puissance utilisés dans les alternateurs contiennent du néodyme (600kg pour une éolienne offshore de forte puissance). Cet élément fait partie des terres rares dont les procédés d'extraction et surtout de raffinage sont décriés car extrêmement polluants 35. L'extraction et le raffinage des terres rares entraine le rejet de nombreux éléments toxiques: métaux lourds, acide sulfurique ainsi que des éléments radioactifs (uranium et thorium)35. La radioactivité mesurée dans les villages de Mongolie intérieure proches de l'exploitation de terres rares de Baotou est de 32 fois la normale (à Tchernobyl, elle est de 14 fois la normale). Ces éléments sont à l'origine de cancers du pancréas, du poumon et de leucémies. D'après la carte des villages du cancer en Chine, la mortalité par cancer est de 70 % dans les villages à proximité de Baotou36. Les effluents toxiques sont stockés à Baotou dans un lac artificiel de 10 km³ dont les trop-pleins sont rejetés dans le fleuve Jaune qui alimente 125 millions d'habitants et 25% des terres arables chinoises 35. Ces pollutions ont été dénoncées dans un rapport de Jamie Choi, alors responsable de Greenpeace Chine. Ce rapport n'est plus accessible au grand public.
Émissions induites de gaz carbonique
L'électricité éolienne est une énergie intermittente. C'est une des raisons qui, historiquement, ont fondé le remplacement des moulins à vent par des machines à vapeur pour la meunerie, le pompage, etc. Étant donné que le stockage de l'électricité en grande quantité (de l'ordre du MWh) est encore très difficile et coûteux à mettre en place, l'énergie éolienne ne peut être utilisée que comme énergie d'appoint et ne peut à l'heure actuelle subvenir à elle seule aux besoins en électricité (existants même en l'absence de vent). La production nationale éolienne peut se réduire à 2 % et en moyenne, les éoliennes ne délivrent que pendant un quart du temps l'équivalent d'un fonctionnement à plein régime37,38. À l'échelle d'un territoire comme la France, cet effet est dilué car les différents sites ne sont pas tous à l'arrêt en même temps (par manque ou excès de vent).
Pour maintenir la production d'électricité lorsque l'énergie éolienne fait défaut, il est nécessaire que le réseau électrique auquel un parc éolien est intégré soit composé également de centrales électriques dites « secondaires », c'est-à-dire à démarrage rapide (par exemple, centrales hydroélectriques ou thermiques). Les centrales nucléaires ont un démarrage beaucoup trop lent pour prendre le relais de l'éolien. Le couplage avec des centrales thermique est le moins favorable au plan environnemental, mais les gestionnaires des réseaux électriques peuvent lorsque cela est possible coupler avec les centrales hydroélectriques. Une des solutions les plus efficaces pour stocker le trop-plein d'énergie est l'utilisation « à rebours » des centrales hydro-électriques : celles-ci sont équipées pour pouvoir remonter l'eau d'un bassin de rétention situé au pied du barrage jusqu'au bassin supérieur. Mais, en France, pratiquement toutes les capacités hydro-électriques dans ce domaine sont déjà utilisées39. Le stockage sous forme d'hydrogène ou dans des batteries se heurte à la fois à des problèmes de coût (il faudrait 7 tonnes de batteries par habitation pour faire face à la consommation moyenne actuelle) et de rendement (70 % de pertes pour la filière hydrogène). Dans l'état actuel, les éoliennes nécessitent des centrales thermiques fortes émettrices de CO2. Dans le cas de la France, avec sa forte implantation de centrales nucléaires n'émettant pas de CO2, l'installation d'un trop grand nombre d'éoliennes signifierait émettre encore plus de gaz à effet de serre. Au final, selon Civitas (think tank) (en), l'association de l'éolien avec le gaz produit plus de Co2 qu'une centrale au gaz performante40.
Influence potentielle des éoliennes sur le climat

Éoliennes en Camargue
Par son principe de fonctionnement, une éolienne absorbe l'énergie du vent et le rend turbulent, créant ainsi un effet de sillage jusqu'à dix fois le diamètre de son rotor derrière elle. Ceci n'a d'effet qu'en altitude, mais c'est une des raisons majeures pour lesquelles deux éoliennes doivent être suffisamment éloignées pour diminuer les pertes dues à ces turbulences (une distance raisonnable est six fois le diamètre du rotor). La réduction de la turbulence du vent et l'évacuation de la chaleur hors de la zone environnante peuvent entraîner des changements de température. D'après plusieurs études réalisées sur la base de modèles de simulation, les effets locaux des très grands parcs d'éoliennes pourraient ne pas être totalement négligeables41.
Plusieurs études ont montré les effets climatiques locaux et globaux d'hypothétiques très grands parcs d'éoliennes (de plusieurs milliers à plusieurs millions) par la modélisation42. D'après une étude de l'université Stanford, les effets seraient localement faibles mais non-négligeables. Il n'y aurait pas d'effets notables sur la température globale à la surface de la terre, et l'installation de très grands parcs d'éoliennes aurait des avantages « énormes » en ce qui concerne les effets sur le climat43.
Selon une modélisation climatique réalisée par des chercheurs du MIT, si 10 % de la demande mondiale en énergie était satisfaite par l'énergie éolienne en 2100 (13 millions d'éoliennes), la température terrestre pourrait augmenter de l'ordre d'un °C sur le territoire des fermes éoliennes, soit une moyenne de 0,15 °C sur la surface globale de la terre (l'effet serait inversé pour les éoliennes offshore). Dans les deux cas, des phénomènes de réchauffement et de refroidissement pourraient avoir lieu hors des régions concernées Mais les auteurs insistent sur la nature purement exploratoire de leurs travaux44. Une autre étude de l'École polytechnique fédérale de Lausanne montre également, sur la base d'une modélisation, que les effets locaux possibles de très grands parcs d'éoliennes ne sont pas négligeables, mais que les résultats obtenus dépendent de la validité de la modélisation45.
Néanmoins, l'influence sur le climat des grands parcs d'éoliennes reste largement inférieur à celle des sources de production d'énergie dont ils permettent d'éviter l'utilisation46.
Mitage ou nuisance visuelle
L'esthétique d'une éolienne étant une affaire de goût que l'on ne peut objectivement trancher, mais déprécie généralement l'immobilier à proximité. Les riverains craignent généralement une dégradation visuelle des sites concernés47 ainsi qu'un résultat sur l'écosystème dû au bruit des éoliennes et aux interférences électromagnétiques induites par leurs générateurs.
L'effet stroboscopique génère une alternance d'ombres portées et de lumière. La réglementation wallonne demande de prendre en compte la gêne occasionnée par cet effet, pour des raisons de confort, lors de la délivrance du permis de construire d'une éolienne48.
Dépréciation de l'immobilier
Un parc éolien déprécie le foncier et l'immobilier à proximité49,50. Le 4 février 2010, le tribunal de grande instance de Montpellier a condamné la société La Compagnie du Vent (groupe GDF Suez), exploitant le parc de Névian (Aude), à démonter quatre éoliennes sur 21 en raison d'un « trouble anormal de voisinage par la dégradation du paysage, par les nuisances auditives et la dépréciation foncière qui en résultent51 ».
Des études montrent que l'éolien déprécie l'immobilier aux États-Unis52, d'autres montrent le contraire53,54. Idem en Angleterre55 et au Canada56. Par ailleurs, des recherches ont pris le parti de limiter ce type de conséquences en « délocalisant » les systèmes en altitude, par l'utilisation de cerfs-volants ou de ballons.[réf. nécessaire]
Bruit
Certains riverains déplorent le bruit des éoliennes : il peut être d'origine mécanique ou aérodynamique. Les éoliennes anciennes produisent un bruit de 55 dBA à leur pied (soit le bruit à 130 mètre