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Énergie éolienne
L'énergie éolienne est désormais moins chère que le solaire et l'hydraulique — à 0,033 $/kWh — et représente 10,6 % de la matrice brésilienne. Comprenez la technologie et les tendances à venir.
Par Marcelo Dias
sept. 22, 2022
Transition Énergétique
Aperçu
L'énergie éolienne, ou énergie extraite du vent, est utilisée depuis longtemps par l'homme dans diverses applications : dans les moulins à vent, pour déplacer des bateaux, pour pomper l'eau, entre autres. Cependant, bien qu'il existe des éoliennes pour produire de l'électricité qui remontent aux années 1930, les recherches sur l'utilisation accélérée de cette technologie comme moyen de production d'électricité ont commencé dans les années 1970, motivées par la hausse substantielle des prix du pétrole qui s'est produite à l'époque (Burton et al., 2001).
Actuellement, ce type d'énergie est fortement encouragé en raison des préoccupations liées au changement climatique. L'énergie éolienne présente de faibles émissions de CO2 (limitées aux processus de fabrication, d'installation et d'élimination), ainsi qu'une applicabilité dans plusieurs régions du monde, en plus d'être, actuellement, assez compétitive en termes financiers.
Le dernier rapport de l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA, 2021) mentionne que le coût de l'énergie éolienne continue de baisser. Entre 2010 et 2021, le coût de l'énergie éolienne terrestre a diminué de 68 %, s'établissant actuellement en moyenne à 0,033 USD/kWh, tandis que celui de l'énergie éolienne offshore est actuellement de 0,075 USD/kWh. Comparé aux autres énergies renouvelables, l'énergie éolienne terrestre présente actuellement un coût par kWh inférieur à celui du photovoltaïque et de l'hydroélectricité, avec un coût moyen de 0,048 USD/kWh dans les deux cas. De plus, investir dans de nouveaux parcs éoliens est actuellement moins coûteux que d'investir dans l'option moins coûteuse des combustibles fossiles, comme le montre la figure 1 (IRENA, 2021). La tendance à la hausse des prix des combustibles fossiles a encore favorisé le recours aux énergies renouvelables. L'énergie éolienne offshore, en revanche, présente des coûts plus élevés, notamment en raison de la complexité accrue de sa construction et du raccordement de l'éolienne au réseau électrique.
Figure 1 : Coût de l’énergie produite par les sources solaire et éolienne (IRENA, 2021)
L’augmentation de la capacité et de l’efficacité des éoliennes est principalement due à l’augmentation du diamètre des machines, en plus des améliorations des performances et de l’optimisation de la conception. En 2016, par exemple, des éoliennes commerciales d’une capacité de 8 MW et de 164 mètres de diamètre étaient déjà disponibles (IRENA, 2016), et la plus grande éolienne du monde, en phase opérationnelle, possède un rotor d’un diamètre de 222 mètres. L’entreprise chinoise MingYang affirme construire une éolienne avec un rotor de 242 mètres de diamètre et une capacité de 16 MW de puissance, le prototype devant être installé en 2023. Le fabricant Vestas possède un prototype de 236 mètres de diamètre et de 15 MW de puissance.
Au niveau national, l’énergie éolienne est actuellement l’une des plus importantes sources de production d’énergie renouvelable. En 2021, le Brésil disposait de 21 161 MW (IRENA, 2022) de capacité éolienne installée. À titre de comparaison, le Brésil dispose de 109 426 MW de capacité hydroélectrique et de 13 055 MW de capacité solaire installée. La capacité totale d'énergie renouvelable au Brésil est de 159 943 MW et l'énergie éolienne représente donc environ 13,2 % de la production d'énergie renouvelable (IRENA, 2022). L'EPE fournit des données plus détaillées et, dans le bilan énergétique annuel pour 2022 (année de référence 2021), a signalé une augmentation de la part de l'énergie éolienne par rapport à l'énergie totale produite, à 10,6 %, en raison de la pénurie d'eau survenue au cours de l'année. Quoi qu'il en soit, l'énergie éolienne joue un rôle considérable dans la matrice énergétique brésilienne.
L'un des inconvénients de l'énergie éolienne, par rapport à l'énergie produite par des combustibles fossiles, comme les centrales thermoélectriques, est qu'il s'agit d'une source d'énergie intermittente qui dépend de conditions de vent variables. De plus, la production d'énergie dépend fortement du potentiel de la région où les centrales sont implantées. C'est pourquoi, au Brésil, le plus grand potentiel éolien se concentre dans le Nord-Est, avec une présence également dans le Sud, comme le montre la figure 2. Par conséquent, les parcs éoliens brésiliens sont principalement concentrés dans ces régions. Le potentiel de production d'énergie offshore au Brésil est également remarquable, bien qu'il soit encore peu exploré. L'installation offshore permet l'utilisation de rotors plus grands, les niveaux sonores étant moins problématiques en haute mer.
Figure 2 : Carte des vitesses du vent au Brésil (Global Wind Atlas)
Aspects techniques
L'éolienne est essentiellement un dispositif mécanique conçu pour extraire l'énergie cinétique du vent. Les pales du rotor des éoliennes ont un profil aérodynamique, de sorte que le flux incident génère une force de portance sur les pales, ce qui maintient l'éolienne en rotation. Cette force de portance est la même que celle qui permet, par exemple, de maintenir un avion en vol à grande vitesse.
Par conséquent, le principal paramètre de performance utilisé pour mesurer l'efficacité d'une éolienne est le coefficient de puissance, qui relie l'énergie disponible dans le vent traversant la zone du rotor de l'éolienne à la puissance aérodynamique extraite par l'éolienne. La valeur maximale théorique de ce coefficient est d'environ 0,59 (dérivé des relations de la mécanique des fluides), et plus une éolienne se rapproche de cette limite, plus son rendement est élevé.
Un autre aspect technique important du fonctionnement d'une éolienne est le rapport de vitesse de pointe, appelé TSR (Tip Speed Ratio), souvent représenté par la lettre grecque λ. Ce paramètre sans dimension mesure la vitesse de pointe de la pale par rapport à la vitesse du vent incident. La vitesse de pointe de la pale dépend quant à elle de la vitesse de rotation prévue et du diamètre de l'éolienne. Ce paramètre est essentiel pour définir le type d'éolienne à installer à un endroit donné, en fonction des vitesses moyennes du vent à cet endroit. La figure 3 présente quelques plages de performances pour différents types d'éoliennes :
Figure 3 : Plages de performances typiques des éoliennes (Alabdali et al., 2020)
Comme on peut le constater, les éoliennes à axe horizontal, bien connues, présentent le coefficient de puissance le plus élevé parmi les technologies présentées dans la figure et sont donc largement utilisées aujourd'hui. Les éoliennes à axe horizontal sont particulièrement efficaces dans les régions où les vents sont considérés comme plus stables et avec une incidence plus importante. Actuellement, presque tous les grands parcs éoliens du monde utilisent des éoliennes à axe horizontal.
Cependant, pour une utilisation en mode de production décentralisée, ce type d'éolienne présente certains inconvénients, principalement en ce qui concerne le fonctionnement dans des conditions où la vitesse du vent est très instable et difficile à prévoir, comme les environnements urbains, pleins d'obstacles. Le niveau de bruit est également un point négatif des éoliennes à axe horizontal.
En ce sens, les éoliennes à axe vertical, telles que les Darrieus, basées sur le support ; ou les Savonius, basées sur la force de traînée générée par le vent ; Elles présentent une plus grande adaptabilité pour fonctionner dans des conditions de vent plus instables, bien que leur niveau d'efficacité soit inférieur, comme le montre la figure 3. De plus, ces turbines ont des niveaux de bruit plus faibles et sont faciles à installer, ce qui constitue une solution potentielle pour une utilisation comme source de production décentralisée en milieu urbain.
Les éoliennes à axe vertical nécessitent également des vitesses de vent plus faibles pour commencer à fonctionner, par rapport aux turbines à axe horizontal (Kumar et al., 2018). Bien que leur utilisation ne soit pas encore répandue, les éoliennes à axe vertical peuvent être utilisées en milieu urbain, ainsi que sur les routes à fort trafic de véhicules. Actuellement, elles sont particulièrement utilisées en milieu urbain en Chine (IRENA, 2016).
L'environnement difficile pour l'utilisation de la production éolienne en milieu urbain est dû à la plus grande difficulté à prévoir les conditions de vent, en plus du problème de moindre efficacité présenté par les éoliennes à axe vertical, ou des problèmes de bruit et de faible adaptabilité des éoliennes à axe horizontal.
En conclusion, l'énergie éolienne est très pertinente dans le monde, affichant une croissance accélérée ces dernières années, une tendance qui s'est répétée au Brésil. L'augmentation des prix des combustibles fossiles, combinée à une pression accrue pour accélérer la transition énergétique, rendra l'énergie éolienne encore plus pertinente sur la scène mondiale. Les améliorations de conception, combinées à la réduction des coûts des éoliennes à axe horizontal, ont rendu viables les installations sur terre et en mer, où le potentiel reste inexploré et a tendance à se développer. Le Brésil dispose également d'un potentiel encore inexploré, bien que la matrice électrique soit déjà majoritairement renouvelable. Enfin, l'installation de petites éoliennes à axe vertical peut être un allié dans la production décentralisée, contribuant à la transition énergétique.
Références
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N. et Bossanyi, E. (2001). Manuel de l'énergie éolienne.
IRENA. (2016). Note d'information sur la technologie de l'énergie éolienne.
IRENA. (2021). Coûts de production d'énergie renouvelable en 2021.
IRENA. (2022). Statistiques sur la capacité renouvelable 2022.