Dimensionnement d'énergies renouvelables

Dimensionnement d'énergies renouvelables

Dans cette section, chaque type d'installation d'énergie est dimensionné afin de couvrir la totalité de la consommation énergétique de l'usine estimé à 74,872 GWh sur une année et prenant en compte les pertes linéaire du réseau.

Les différents calculs de dimensionnement de chaque technologie sont donc fictifs et servent de base à l'élaboration de nos différents scénarii. Suite à ce dimensionnement une sélection de scénarii concrétisables, avec couplage de différentes installations est présentée dans la partie suivante (Mise en place des scénarii).

Pour chaque installation est réalisé :

- une description générale de la technologie

- une étude de la production énergétique et de la surface nécessaire

- une étude de l'aspect réglementaire concernant l'installation et l'exploitation d'énergies renouvelables mais aussi les conditions de revente de l'énergie

- une étude économique présentant d'une part les investissements et les coûts d'entretien nécessaires à l'exploitation de ces énergies sur une durée de 20 ans ou de 15 ans (dépend des types de contrat de rachat) et d'autre part les recettes ou les économies liées à la production de l'énergie. En effet, deux scénarii sont présentés : le premier considère que la totalité de l'énergie produite est utilisée par l'usine de dessalement et donc permet une économie au niveau de l'achat de l'énergie alors que le second considère que la totalité de l'énergie produite est revendu selon les tarifs en vigueur. Un seuil de rentabilité est calculé pour les deux cas

- une étude de l'implantation possible prenant en compte les contraintes réglementaires et physiques et le potentiel énergétique

- une étude des impacts environnementaux et sociétaux

Les différentes technologies retenues sont les suivantes :

 

 

 

   

Un bilan permettant de faire le choix et le calcul de différents scénarii d'utilisation d'énergies potentiellement implantables en Vendée est présentée dans la partie Bilan.

 

Les Pelamis

Les Pelamis

1. Présentation générale de la technologie

Les pelamis sont des structures tubulaires flottantes articulées de 180 mètres de long et de 4 mètres de diamètre. Constituées par plusieurs modules articulés, ils peuvent se déplacer sur le plan vertical et horizontal (Figure 1).

Placées en mer, la houle leur confère un mouvement permettant à des alternateurs de transformer l'énergie des vague en électricité.

 

Figure 1 : Articulation des pelamis
(Pelamis Wave Power, 2013)

Les pelamis (Figure 2) sont ancrés aux fonds à par des câbles d'ammarage. L'énergie électrique produite est ensuite transportée grâce à des câbles électriques sous-marins, jusqu'à un transformateur placé sur la côte. Elle est ensuite distribuée sur le réseau électrique à haut voltage.

Figure 2 : Pelamis installé le long des côtes écossaises
(Pelamis Wave Power, 2013)

Le Tableau 1 présente les caractéristiques techniques sommaires des pelamis de la société Pelamis Wave Power.

Tableau 1 : Caractéristiques d'un pelamis
(Pelamis Wave Power, 2013)

Constructeur Pelamis Wave Power
Puissance 750 kW
Rendement de conversion 70%
Profondeur d'eau requise 50m

Ce type d'installation ne requiert pas de surface importante. Pour des zones productives comme les côtes écossaises, une installation de pelamis d'un kilomètre carré peut fournir jusqu'à 10MW.

La Figure 3 présente la disposition globale d'une ferme de pelamis et son ancrage sur les fonds marins.

Figure 3 : Schéma d'implantation d'une ferme de pelamis.
(Pelamis Wave Power, 2013)

 

2. Plan du dimensionnement

Le dimensionnement d'une ferme de pelamis en Vendée est présenté de la façon suivante :

1. Dimensionnement global

2. Aspect réglementaire

3. Implantation

4. Aspect économique

5. Impacts environnementaux et sociétaux

Dimensionnement global

Dimensionnement global

1. Calcul de la production énergétique

Le but de cette partie est de dimensionner d'un point de vue énergétique l'installation d'une ferme de Pelamis en vue de subvenir aux besoins de l'usine de dessalement dans son ensemble soit C = 74,872 GWh/an.

La partie précédente (Evaluation de la houle) indique une production énergétique moyenne de p = 1,223479 GWh/an par pelamis.

Une simple division entre ces deux données donnent le nombre de pelamis nécessaire à subvenir à la consommation énergétique de l'usine sur une année.

$ n=C/p $

A.N. : $ n=61,19 $
 

On obtient n=61,19 soit 62 pelamis (n').

En multipliant cette donnée par la production d'un Pelamis, on trouve une production énergétique réelle P' .

$ p' = n'.p $

A.N. : $ p'=75,9~GWh/an $

La production réelle serait donc de 75,9 GWh/an.

2. Calcul de l'espace requis

Le constructeur Pelamis Wave Power estime que la surface nécessaire pour construire une ferme d'une puissance de 10 MW est de 1 km².

La puissance nominale du modèle choisi, "Pelamis PII" est de 750 kW (Pelamis Wave Power, 2013). Ainsi, la puissance de la ferme permettant de subvenir aux besoins énergétiques de l'usine serait de 46,5 MW (P). La surface nécessaire S est donc obtenue de la façon suivante :

$ S = P/10 $

A.N. : $ S = 4,65~km² = 465~ha $

La surface nécessaire à la construction d'une telle ferme est donc de 465 ha.
 

Aspect réglementaire

Aspect réglementaire

Les énergies houlomotrices sont en France plus rare que les installations utilisant l'énergie éolienne ou solaire. Les textes de lois sont demeurent donc assez généraux concernant l'implantation de pelamis.

1. Règlement sur l'implantation de pelamis

D'après la décret n°2012-41 du 12 Janvier 2012, les installations houlomotrices ne sont pas soumises au code de l'urbanisme. Elles ne nécessitent donc pas de permis de construire tout comme les raccordements au réseau.

2. Règlement sur l'exploitation de pelamis

Si la puissance de l'installation est supérieure à 12 MW, elle sera soumise à une demande d'autorisation, autrement une simple déclaration suffit.

3. Règlement sur les tarifs d'achat de l'énergie produite

Les tarifs de rachat de l'électricité sont fixés par l'arrêté du 1er Mars 2007 pour les installations utilisant l'énergie des lac, des cours d'eau ou de la mer.

D'après cet arrêté, l'énergie fournie par les pelamis est rachetée au tarif de 15 c€/kWh.

 

Implantation

Implantation de la ferme de Pelamis

Afin de choisir une zone d'implantation pour la ferme de Pelamis, plusieurs contraintes sont à prendre en compte :

- la bathymétrie

- les espaces protégées

- les couloirs maritimes

- les zones d'activités aquacoles

1. Bathymétrie

La première contrainte à prendre en compte est la profondeur minimale d'installation d'une ferme de pelamis. Les fiches techniques du constructeur (Pelamis Wave Power, 2013) indique une profondeur minimale de 50m.

Le profil bathymétrique obtenue sur la base de données du SHOM est présenté en Figure 1.

Figure 1 : Carte de la Bathymétrie de la côte vendéenne
(SHOM, 2013)

La zone en vert correspond à une profondeur minimale de 50m. Cette zone se situe à environ 15 km de la bouée donnant les données de houle. Cependant nous extrapolerons les données trouvées afin de faciliter nos calculs.

La Figure 2 représente cette zone par extrapolation sur ArcGis. Comme nous n'avions pas pu obtenir le MNT de la carte bathymétrique du SHOM, nous avons considéré que la zone située entre 15 et 50 km de la côte était à profondeur acceptable pour l'implantation de pelamis.

Figure 2 : Carte de la zone située entre 15 et 50 km de la côte
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

2. Espaces protégés

La région littorale comporte un ensemble d'espaces protégés comme les zones Natura 2000 ou les ZNIEFF. Les Pelamis ne seront pas implantés dans ces zones.

La carte suivante (Figure 3) représente l'ensemble des espaces protégés au large de la Vendée

Figure 3 : Carte des zones protégées sur le littoral vendéen.
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

 

3. Voies navigables et zones de pêche

3.1. Couloirs maritimes

Pour des raisons pratiques et de sécurité, l'implantation des pelamis ne doit pas interférer avec les diverses voies navigables. La carte suivante (Figure 4) présente les routes commerciales suivies par les navires ainsi que les trajets de navettes touristiques (données fournies par la Préfecture Maritime de l'Atlantique).

Figure 4 : Routes maritimes majeures au large de la Vendée
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

Ces routes maritimes ne recoupent donc pas la zone potentielle où sont implantables les pelamis. Le risque de collision et les manoeuvres de détournement seront réduits.

 

3.2. Aquaculture et zones

Afin d'éviter d'éventuels conflits d'usage de l'espace, les pelamis ne doivent pas être implantés sur des espaces déjà utilisés à des fins économiques comme les parcs ostréicoles, ou les zones de conchyliculture.

La carte suivante (Figure 5) regroupe l'ensemble de ces zones. Les zones d'aquaculture, les parcs ostréicoles, ou zones conchylicoles sont présentes à proximité immédiate des côtes. Ces espaces ne sont donc pas problématiques pour l'implantation de pelamis qui s'effectue au-delà de ces zones.

 

Figure 5 : Zones d'exploitation des ressources maritimes le long des côtes vendéennes
(IGN, 2013)

La carte suivante (Figure 6), présente les zones soumises à réglementation concernant le chalutage pelagique au large de la Vendée. La zone d'intérêt comporte ici une interdiction concernant le chalutage pelagique. De ce fait les impacts sur ces acivités seront limités.

Figure 6 : Zones réglementées pour la pêche professionnelle le long des côtes vendéennes
(Service de régulation des activité marines et portuaires, Délégation à la mer et au littoral de la Vendée, 2013)

 

4. Bilan

A partir de ce premier bilan on constate que l'implantation de pelamis ne comporte pas de contraintes majeures liées aux activités ou aux déplacements maritimes, si ce n'est la bathymétrie qui impose une profondeur de 50 m minimum. Ainsi, la zone retenue est celle encadrée en rouge dans la Figure 4.

 

Aspect économique

Aspect économique

Afin d'évaluer l'aspect économique de la mise en place d'une ferme de 62 pelamis au large des côtes vendéennes nous prendrons en compte :

- le coût d'investissement, (construction et entretien)

- la rentabilité économique (prix de revente de l'énergie produite)

Certains paramètres ne sont pas pris en compte, n'ayant pas de données concrètes, comme les taxes professionnelles ou foncières. De plus, des retombées économiques peuvent être prises en compte pour la communauté de communes comme la création d'emploi.

1. Coûts d'investissement

Les données de coût d'installation du pelamis ont été collectées sur le projet de BEI réalisé en 2009-2010 (D. Carrer, C. Iman, 2010).

Sachant que l'installation d'un pelamis (coûts de matériaux, travaux d'ancrage et raccordement au réseau électrique...) est de 800 000 €, le coût d'investissement total d'une ferme de 62 pelamis est de 49 600 000 €.

De plus, les coûts d'entretien sont estimés à 80 000 €/an par pelamis, soit 4 960 000 €/an pour l'ensemble de la ferme. Sur une durée d'exploitaiton de t = 20 ans, cela représente un montant d'entretien de 99 200 000 €.

Le coût total d'installation et d'exploitation de la ferme de pelamis est de 148 800 000€.

2. Recettes

  • Scénario 1 : Utilisation de l'énergie produite et vente du surplus

     - Economie d'énergie

Le premier scénario envisagé est que l'énergie houlo-motrice produite est directement utilisée par l'usine de dessalement. Dans ce cas, l'entreprise n'aura pas à acheter l'électricité à un fournisseur tel qu'EDF et économisera donc 8,09 c€/kWh, tarif d'achat moyen de l'électricité en France pour les industries en 2012 (a) (Eurostat, 2013).

En considérant un taux d'inflation de 2% chaque année, on obtient un coût de l'énergie présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Prix du kWh en prenant en compte un taux d'inflation de 2%

Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032
a : Prix du kWH (c) 8,25 8,42 8,59 8,76 8,93 9,11 9,29 9,48 9,67 9,86 10,06 10,26 10,47 10,67 10,89 11,11 11,33 11,55 11,79 12,02

Sachant que la consommation énergétique annuelle est C = 74,872 GWh/an et en considérant le contrat d'achat de l'électricité de t = 20 ans, l'économie totale faite grâce à l'exploitation d'une ferme de pelamis en Vendée est de 150 116 146 €.

$ E=C*\sum_{i=2013}^{2032}{(a_{i})}~$

A.N. : $ E=150~116~146~€ $

     - Vente du surplus

De plus, la production réelle (p') de la ferme de Pelamis est de 75,9 GWh/an. Un surplus énergétique (S) est donc produit et revendable :

$ S=p'-C $

A.N. : $ S=1,028~GWh $

Sachant que le prix d'achat de l'énergie (A) est estimé actuellement en France à 15 c€/kWh (Ministère de l'écologie, du développement durable  de l'énergie, 2013), le bénéfice lié à la vente du surplus (B) est de :

$ B=A.S $

A.N. : $ B=154~200~€/an $

Sur une durée d'exploitation de la ferme de t = 20 ans, la vente du surplus énergétique est alors estimé à 3 084 000 €.

     - Bénéfice total

Le bénéfice total s'estime alors à 153 200 146 €.

  • Scénario 2 : Vente totale de l'énergie produite

Avec un prix d'achat de l'énergie (a) estimé à 15 c€/kWh et une production annuelle réelle p' = 75,9 GWh, on obtient ainsi une recette annuelle (R) de :

$ R=a.p' $

A.N. : $ R=11~385~000~€/an $

En considérant que la durée de vie et donc de l'exploitation des pelamis est de t = 20ans, on peut estimer la recette totale de l'exploitation du projet de ferme de pelamis en Vendée :

$ R_{tot}=R.t $

A.N. : $ R_{tot}=227~700~000~€ $

En posant l'hypothèse que le prix d'achat des énergies renouvelables est fixe à 15 c€/kWh en 20 ans, la recette totale s'élève à 227 700 000 €.

  • Bilan

Le scénario 2 est le scénario le plus rentable pour l'exploitation d'une ferme de pelamis avec une recette de 227 700 000 €.

Nous retiendrons ce scénario pour le calcul du seuil de rentabilité.

3. Seuil de rentabilité

Deux fonctions sont posées :

  • F1(t) : représente le coût d'exploitation de la ferme de pelamis au cours du temps. Elle vaut :

$ F_{1}(t)= 49,6+4,96.t $

  • F2(t): représente le bénéfice annuel lié à la revente de l'énergie produite :

$ F_{2}(t)=11,385.t $

Le graphique suivant (Figure 1), permet de déterminer le nombre d'années à partir duquel l'exploitation devient rentable.

Figure 1 : Calcul du seuil de rentabilité pour la ferme de Pelamis
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

En posant F1(t) = F2(t), on trouve que l'investissement est remboursé au bout de t=7,72 années, soit environ 8 ans.

Impacts environnementaux et sociétaux

Impacts environnementaux et sociétaux

1. Impacts environnementaux

L'implantation de fermes de pelamis est susceptible de générer quelques interactions parfois indésirables avec le milieu marin. La section suivante décrit les principaux impacts à prendre en compte.

  • Le remaniement des fonds et la mise en suspension de matériaux

Dans le cadre de l'installation de pelamis, seule la mise en place des systèmes d'ancrage et de placement des câbles électriques par ensouillage (enfouissement) sont susceptibles de perturber les fonds marins. Les pelamis étant des structures flottantes, ils n'affectent pas directement les fonds marins.

Cependant, les chaînes d'ancrage peuvent parfois remettre en suspension des sédiments si celles-ci frottent sur les fonds marins.
 

  • Bruits et vibrations

Il existe encore peu de recul sur les effets de ce type d'installation. Cependant on estime la production sonore à 165-175 rms pour les dispositifs houlomoteurs. Les fréquences des sons produits sont comprises entre 10 et 50 000 Hz.
 

  • Electromagnétisme

Les pelamis étant relié au transformateur par un câble électrique, il existe nécessairement une activité électromagnétique. Si l'effet de ces champs est encore peu connu sur les différentes espèces, leur niveau dépendra essentiellement du voltage transporté du type de câble et de courant (alternatif ou continu).  La figure suivante (Figure 1) présente l'intensité du champ magnétique (en µT) en fonction de la distance au câble d'alimentation.

Figure 1: Comparaison de l'intensité du champ magnétique en fonction de la distance au câble électrique pour un courant alternatif (à droite) et continu (à gauche)
(Ministère de l'énergie et du développement durable, 2012)

Si l'on prend l'exemple du projet de ferme de pelamis "Aegir Wave Power" en Ecosse, le courant est exporté sous forme continue, ce qui diminue ainsi l'étendue du champ magnétique généré.

  • Température

Une ferme de pelamis ne sera pas source de chaleur pour le milieu, toutefois ce sont les câbles électriques sous-marins qui sont à prendre en compte dans l'élévation de la température. Cette augmentation est locale et dépend du type de câble, de la profondeur de son enfouissement, des sédiments constituants le fond marin, de la tension, et du type de courant.

Pour une tension de 132 kV des observations réalisées en Allemagne ont permi de relever une élévation de température de l'ordre de 2°C (OS PAR, 2008, in CETMEF 2010).

La tension de sortie d'un pelamis est de 690V (Pelamis Wave Power, 2013). Un montage en série des 62 pelamis permettrait donc d'atteindre une tension théorique maximale de 43.4 kV, soit environ un tiers des 132 kV cités précédemment.On peut alors penser que l'élévation de température sera inférieure à 2°C et quasi négligeable.

En exportant le courant sous forme continue, on réduit également la dissipation thermique.
 

  • Contamination du milieu

Malgré l'étanchéité des structures, on peut garder à l'esprit que des fuites d'huile ou des substances provenant des peintures peuvent être libérées dans le milieu. Il existe cependant les huiles biodégradables utilisables pour réduire cet impact.
 

  • Présence physique des installations

La zone d'implantation des pelamis peut créer une zone refuge pour la faune marine, cependant le bruit des machines peut compenser l'effet attracteur de la zone (Ministère de l'énergie et du développement durable, 2013).

L'implantation de récifs artificiels est parfois envisagée pour favoriser le développement de la faune marine sous la zone d'accès restreint.

2. Impacts sociétaux

  • Présence physique des installations

L'implantation d'un tel projet nécessite l'acceptation de la part des populations environnantes. Les pêcheurs par exemple ne doivent pas voir leurs zones de travail réduites significativement, ou leurs routes étendues pour atteindre ces mêmes zones de pêche.

  • Impact visuel sur le paysage

Lors de la mise en place d'une installation, plusieurs critères sont à prendre en compte afin de déterminer sa visibilité. Les mouvements, l'éclairage, l'orientation, le contraste avec l'horizon et la hauteur sont les principaux facteurs. Les structures houlomotrices comme les pelamis sont en partie immergées et constituent des installations discrètes.

Sachant que la distance à la côte est supérieure à 15 km, cet impact est négligeable.

 

 

Les Panneaux Photovoltaïques

Les Panneaux Photovoltaïques

1. Présentation générale de la technologie

La technologie photovoltaïque est une des énergies renouvelables les plus utilisées en France et en Europe. Les panneaux photovoltaïques (Figure 1) peuvent à la fois être utilisés par des particuliers (sur toits) ou par des industriels (centrale solaire).

Figure 1 : Photographie d'un champ de panneaux photovoltaïque
(D. Baker, n.d.)

La composition des panneaux est variée selon les constructeurs. Cependant, le composant le plus répandu dans leur conception est le silicum cristallin. Ces panneaux se décomposent alors en deux catégories : les monocristallins et les polycristallins. (EDF-ENR, 2013)

Les panneaux monocristallins ont un taux de rentabilité plus important mais leur fabrication est plus complexe et donc plus chère que les polycristallins. Ces derniers présentent le meilleur rapport qualité/prix et sont donc les plus utilisés.

2. Plan du dimensionnement

Le dimensionnement de la ferme solaire en Vendée est présenté de la façon suivante :

1. Dimensionnement global

2. Aspect réglementaire

3. Implantation

4. Aspect économique

5. Impacts environnementaux et sociétaux

Dimensionnement global

Dimensionnement global

 

Le but de cette partie est de dimensionner d'un point de vue énergétique l'installation de panneaux photovoltaïques afin de produire C=74,872GWh/an avec un potentiel photovoltaïque en Vendée pp=1250kWh/kWc.

La centrale solaire correspondante à une telle production a une puissance nominale de :

$ P=\frac{C}{pp} $

$ P=59~897~kWc $

Il faudrait donc une centrale d'une puissance de 60 MWc.

En reprenant le tableau comparatif des constructeurs présenté dans la partie précédente (Evaluation du rayonnement solaire), on obtient un nombre de panneaux photovoltaïques et une surface nécessaire présentés dans le Tableau 1 :

Tableau 1 : Comparaison du dimensionnement entre différents modèles de panneaux photovoltaïques 

Modèle Conergy PX 305P Sillia 60P SW E19
Puissance nominale (W) 305 W 250 W 270 W 425 W
Dimension du module (mm) 1956 × 992 × 50 mm 1665 x 1001 x 42 mm 1675 x 1001 x 31 mm 2067 x 1046 x 30 mm
Surface du module (m²) 1,94 m² 1,67 m² 1,88 m² 2,16 m²
Nombre de panneaux nécessaire 196 722 240 000 222 223 141 177
Surface totale (m²) 381 640 m² 400 800 m² 417 780 m² 304 943 m²
Surface totale (ha) 39 ha 41 ha 42 ha 31 ha
Production annuelle moyenne par ha (GWh/ha) 1,907 GWh/ha 1,826 GWh/ha 1,783 GWh/ha 2,415 GWh/ha
Nombre de panneaux par ha 5044 5 854 5 291 4 554
Puissance nominale par ha (MWc/ha) 1,538 MWc/ha 1.463 MWc/ha 1,429 MWc/ha 1,935 MWc/ha

Le calcul de la surface totale en m² et en ha a été arrondi à chaque fois à la décimale supérieure pour prendre en compte l'espacement entre les panneaux.

Toutes les données ont été calculées en estimant une inclinaison de 35° et une orientation Sud. De plus, on considère que 1 ha de toits peut être couvert au niveau de l'usine par des panneaux photovoltaïques. Le reste devra être installé en champs.

Aspect réglementaire

Aspect réglementaire

1. Règlement sur l'exploitation de panneaux photovoltaïques

L'installation de panneaux photovoltaïques est soumise à de nombreuses lois.

Tout industriel ou particulier se doit d'abord de consulter la mairie afin d'obtenir un permis de construire si l'installation est sur toits. L'installation est soumise au Code de l'Urbanisme et ne peut se faire aux alentours d'un site historique. De plus, le Plan Local d'Urbanisme (PLU) pose les conditions de l'installation des panneaux. (Comprendre-choisir, 2013)

La demande doit aussi se faire auprès de la DDE afin de savoir si la construction ne se situe pas en zone spécifique du territoire à savoir :

- zone de protection du patrimoine architectural urbain et paysager,
- périmètre de protection d'un site classé,
- périmètre de rénovation immobilière,
- plan de sauvegarde et de mise en valeur, ...

Dans le cadre d'installation sur champs, les procédures d'installation dépendent de la puissance de la centrale solaire :

  • Puissance < 3 kWc et hauteur de l'installation > à 1,80m : Déclaration préalable de travaux.
  • Puissance entre 3 et 250 kWc :  déclaration préalable de travaux et permis de construire si la zone est proche d'un site classé
  • Puissance > à 250 kWc : Etude d'impact, enquête publique et permis de construire.

De plus l'exploitation et elle aussi soumise à réglementation selon la puissance des installations :

  • Puissance < 250 kWc : pas de démarches
  • Puissance entre 250 et 4 500 kWc : Déclaration d'exploiter.
  • Puissance > 4 500 kWc : Autorisation d'exploiter.

Une installation de 60 MWc nécessite donc la réalisation d'une étude d'impact et une autorisation d'exploitation.

2. Règlement sur les tarifs d'achat de l'énergie produite

La réglementation sur les conditions d'achat de l'énergie produite et des tarifs en vigueur est soumise à l'Arrêté du 4 Mars 2011 modifié par l'Arrêté du 7 Janvier 2013.

Un résumé des tarifs en vigueur est présenté dans le Tableau 1. 

Tableau 1 : Résumé des tarifs en vigueur
(Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie, 2013)

1 IAB : installation photovoltaïque sur toiture respectant les critères d'intégration au bâti
2 ISB : installation photovoltaïque sur toiture respectant les critères d’intégration simplifiée au bâti (ISB)

Notre installation correspond à la catégorie "Tout type d'installation". Cependant, la puissance du projet de centrale solaire est de 60 MWc et est supérieure à l'intervalle d'achat obligatoire de [0-12 MWc]. Le projet sera donc soumis à un appel d'offres.

Implantation

Implantation

Afin de choisir une zone d'implantation pour une centrale photovoltaïque, deux contraintes majeures sont à prendre en compte :

- la couverture du sol

- les espaces protégées

On considère que le potentiel photovoltaïque est globalement constant sur le département vendéen.

1. La couverture du sol

La première contrainte à respecter est la couverture du sol. L'implantation d'une centrale solaire d'un superficie supérieure à 30 ha ne peut se faire que sur des toits de bâtiments. Une implantation "en champs" est donc nécessaire. Ainsi, à partir des données téléchargées sur le "Corinne Land Cover", seules quatre catégories de couverture du sol ont été retenues : terres arables, prairies, fôrets et végétation arbustive représentées sur la carte ci dessous (Figure 1).

Figure 1 : Carte de la couverture des sols de la Vendée
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

2. Les zones protégées

La seconde contrainte à prendre en compte est la protection de nombreuses zones dont les forêts. Les données de zone protégées sont issues du site de la DREAL de Pays de la Loire et sont :

- les zones Natura 2000
- les ZNIEFF
- les ZICO
- les Arrêtés de Protection Biotope
- les Réserves Naturelles Nationales

Ces informations ont été regroupées et présentées en Figure 2.

 

Figure 2 : Carte des zones de protection de la Vendée
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

3. Bilan

La zone potentielle d'implantation d'une centrale solaire de superficie supérieure à 30 ha et proche de l'usine de dessalement peut se faire sur la partie encadrée en rouge sur la Figure 2. Cependant, afin d'exploiter cette centrale, il est nécessaire d'utiliser des terres agricoles. Dans ce cas, le rachat des terres ou des contrats liant l'exploitant de l'usine et les propriétaires des parcelles sont nécessaires. Cependant, de telles mesures semblent très difficiles à réaliser.

L'implantation de panneaux photovoltaïques sur une telle superficie semble peu probable.

Aspect économique

Aspect économique

Afin d'évaluer l'aspect économique de la mise en place d'une centrale solaire nous prenons en compte :

- le coût d'investissement, (construction, entretien et location des parcelles de terre ...)

- la rentabilité économique (prix de revente de l'énergie produite)

Cette analyse est basée sur le module solaire Conergy PX-305P, seul modèle dont nous disposions des données d'ordre économique.

1. Coûts d'investissement

Les investissements liés à l'étude et à la construction d'une centrale solaire sont de l'ordre de 1 €/Wc (Conergy, 2013). D'après le dimensionnement global, la puissance de la centrale solaire devrait atteindre 60 MW. Ce qui représente donc un investissement de 60 000 000 €.

Une fois construite, les coûts de maintenance de la centrale s'élèvent à 15 c€/ kWc. Le calcul donne alors un montant de 9 000 € d'entretien par an.

La location des champs aux propriétaires terriens est de l'ordre de 2500 €/ha/an. L'exploitation de 39 ha sur une période d'exploitation de vingt ans revient donc à 1 950 000 €.

Ainsi le total des coûts d'investissement pour l'implantation de la ferme solaire est de 62 130 000 €.

2. Recettes

  • Scénario 1 : Utilisation de l'énergie produite et vente du surplus

      - Economie d'énergie

Le premier scénario envisagé est que l'énergie photovoltaïque produite est directement utilisée par l'usine de dessalement. Dans ce cas, l'entreprise n'aura pas à acheter l'électricité à un fournisseur tel qu'EDF et économisera donc 8,09 c€/kWh, tarif d'achat moyen de l'électricité en France pour les industries en 2012 (a) (Eurostat, 2013).

En considérant un taux d'inflation de 2% chaque année, on obtient un coût de l'énergie présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Prix du kWh en prenant en compte un taux d'inflation de 2%

Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032
a : Prix du kWH (c) 8,25 8,42 8,59 8,76 8,93 9,11 9,29 9,48 9,67 9,86 10,06 10,26 10,47 10,67 10,89 11,11 11,33 11,55 11,79 12,02

Sachant que la consommation énergétique annuelle est C = 74,872 GWh/an et en considérant le contrat d'achat de l'électricité de t = 20 ans, l'économie totale faite grâce à l'exploitation d'une centrale solaire en Vendée est de 150 116 146 €.

$ E=C*\sum_{i=2013}^{2032}{(a_{i})}~$

A.N. : $ E=150~116~146~€ $

      - Vente du surplus

En revanche, dans ce dimensionnement et avec ce scénario, il n'y a pas de surplus d'énergie donc pas de revente possible.

  • Scénario 2 : Vente totale de l'énergie produite

Le prix d'achat de l'énergie photovoltaïque (a) par une entreprise telle qu'EDF pour notre type d'installation est de 9 c€/kWh (EDF,2013). Sachant que la production annuelle réelle est p' = 74,872 GWh/an, on obtient ainsi une recette annuelle (R) de :

$ R=a.p' $

A.N. : $ R= 6~738~480~€/an $

De la même manière que précédemment, en considérant que la durée d'exploitation de la centrale solaire est de 20 ans, la recette totale de l'exploitation d'une centrale solaire en Vendée est de 134 769 600 €.

Bilan

Le scénario 1 est le scénario le plus rentable pour l'exploitation d'une centrale solaire avec une recette de 150 116 146 €.

3. Seuil de rentabilité

Deux fonctions sont posées :

  • F1(t) : représente le coût d'exploitation de la centrale solaire au cours du temps (en milliers d'euros). Elle vaut :

$ F_{1}(t)= 60+0,009.t+0,0975.t $
$ F_{1}(t)= 60+0,1065.t $

 

  • F2(t): représente le bénéfice annuel lié à la revente de l'énergie produite :

$ F_{2}(t)=\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)}$

Le graphique suivant (Figure 1), permet de déterminer le nombre d'années à partir duquel l'exploitation devient rentable.

Figure 1 : Détermination du seuil de rentabilité à partir des fonctions F1 et F2
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

On constate donc que la centrale solaire deviendrait rentable à partir de t=9,05 années soit environ 9 ans d'exploitation.

 

Impacts environnementaux et sociétaux

Impacts environnementaux et sociétaux

1. Impacts environnementaux

L'installation de panneaux photovoltaïques n'est pas source d'impacts majeurs dans un environnement. Leur installation affecte peu les paysages et ils sont sans danger pour la faune locale. Par ailleurs le démantèlement des installations dans le cas d'installation en champs n'altère pas le milieu, les panneaux étant simplement posés sur le sol.

En revanche leur conception est source d'impacts environnementaux. Des analyses de cycle de vie sont disponibles pour quantifier ces impacts mais n'ayant pas les données pour toutes les technologies (notamment les pelamis et les éoliennes), ces impacts ne seront pas traités.

2. Impacts sociétaux

De manière générale la présence de panneaux photovoltaïques sur les toits des bâtiments est plutôt bien acceptée par la société actuelle donnant une image de production "d'énergie propre".

Cependant, il n'en est pas de même pour les panneaux en champs. En effet, de telles installations peuvent provoquer les ires des agriculteurs qui voient une diminution de surfaces cultivables. De plus, ces différents champs sont moyennement acceptés par les riverains qui y voient une dégradation de leur paysage. Néanmoins, ces controverses restent bien moindres en comparaison avec celles suscitées par l'implantation de parcs éoliens.

Les Eoliennes Terrestres

Les Eoliennes Terrestres

1. Présentation générale de la technologie

Les éoliennes terrestres (Figure 1) permettent la production d'énergie électrique à partir de l'énergie cinétique du vent.

Figure 1 : Photographie de champs d'éoliennes
(Eolienne-europe, n.d.)

Cette transformation d'énergie se déroule en différentes étapes (Enr, 2009):

- l'énergie cinétique du vent entraîne une rotation du rotor des trois pales transformant ainsi l'énergie cinétique en énergie mécanique.

- un multiplicateur est présent sur la plupart des éoliennes qui accélère le mouvement du rotor pour fournir une énergie mécanique suffisante au générateur

- le générateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique à environ 690 V

- l'électricité produite est acheminée à un transformateur augmentant la tension jusqu'a 20 000 V puis distribuée sur le réseau.

La composition de la nacelle de l'éolienne est présentée en Figure 2.

Figure 2 : Composition de la nacelle d'une éolienne
(Syndicat des Energies Renouvelables, 2009)

La production énergétique d'une éolienne dépend de nombreux paramètres : la longueur des pales, la densité de l'air mais surtout la vitesse du vent. Chaque éolienne dispose d'une puissance en fonction de la vitesse du vent (Figure 3). Ces dernières sont arrêtées pour des raisons de sécurité si la vitesse est trop importante et ne fonctionnent pas si la vitesse est trop faible.

Figure 3 : Evolution de la puissance d'une éolienne standard en fonction de la vitesse du vent
(Syndicat des Energies Renouvelables, 2009)

2. Plan du dimensionnement

Le dimensionnement d'un parc éolien en Vendée est présenté de la façon suivante :

1. Dimensionnement global

2. Aspect réglementaire

3. Implantation

4. Aspect économique

5. Impacts environnementaux et sociétaux

Dimensionnement global

Dimensionnement global

1. Calcul de la production énergétique

Le but de cette partie est de dimensionner d'un point de vue énergétique l'installation d'éoliennes terrestres afin de produire C = 74,872 GWh/an. Afin de calculer le nombre d'éoliennes de 3 MW nécessaires pour subvenir à cette consommation, il suffit de diviser C par le nombre d'heures de fonctionnement dans une année (nous l'estimons à 5 000 heures) puis de diviser par la puissance annuelle moyenne réelle de l'éolienne, 1,8 MW (P) calculée dans la partie précédente (Evaluation du potentiel éolien terrestre) :

$ n=\frac{C}{5000.P} $

A.N. : $ n= 8,32 $

Il faudrait donc un parc de 9 éoliennes d'une puissance totale nominale de 27 MW et d'une puissance totale réelle P' de 16,2 MW pour couvrir les besoins énergétiques de l'usine. Cela correspond à une production énergétique réelle p de :

$ p'=5000.P' $

A.N. : $ p= 81,00~GWh $

On obtient une production énergétique de 81,00 GWh/an

2. Calcul de l'espace requis

En considérant que les 9 éoliennes sont séparées de 500 mètres à 1 km, soit 4 fois le diamètre des pales si les éoliennes sont placées à la perpendiculaire des vents dominants et 7 fois le diamètre des pales si elles sont placées dans l'axe des vents dominants (Apere, 2002), et qu'elle sont placées en ligne, on obtiendrait une distance totale nécessaire de 5 à 9 km.

 

 

Aspect réglementaire

Aspect réglementaire

 

1. Implantation du site

La construction d'un site éolien terrestre nécessite lui aussi un ensemble de démarches réglementaires.

Contrairement aux éoliennes offshore, la construction d'éoliennes terrestres nécessite l'obtention d'un permis de construire accordé par le préfet du département.

Les éoliennes terrestres sont en effet des Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE) depuis la parution d'un décret en Août 2011 (décret n°2011-984).

Ainsi pour des éoliennes dont le mât mesure entre 12 et 50 mètres et dont la puissance est supérieure ou égale à 20 MW ou pour toute éolienne dont le mât dépasse 50 m, l'installation est soumise au régime de l'autorisation.
Pour des éoliennes de puissance inférieure à 20 MW et dont le mât mesure entre 12 et 50 m, les installations sont soumises au régime de déclaration (décret n°2011-984).

Dans notre cas, les éoliennes dimensionnées ont une hauteur supérieure à 50 m : l'installation d'un parc éolien sera donc soumis au régime d'autorisation.

Certaines contraintes liées à la construction d'un parc éolien terrestre sont proches de celles rencontrées dans le cas des éoliennes offshore. C'est le cas des contraintes liées aux zones de couloirs aériens ou proche de radars ou encore de zones sensibles pour l'avifaune. La figure suivante (Figure 1) présente les servitudes et contraintes techniques des Pays de Loire (Shéma Régional Eolien des Pays de Loire, 2013).

 

Figure 1 : Servitudes et contraintes techniques liées à l'implantation d'éoliennes terrestres
(Schéma régional éolien terrestre des pays de la Loire,n.d.)

Suite à la demande de permis de construire et d'autorisations, une demande de raccordement au réseau doit être effectuée auprès d'ERDF si la puissance de l'installation est inférieure à 12 MW. Dans notre cas (installations plus puissantes), le raccordement doit se faire auprès du Réseau de Transport de l'Electricité (RTE).

2. Règlement sur l'exploitation du site

Une autorisation d'exploiter est ensuite requise. Celle-ci est demandée auprès du ministère du ministre de l'énergie. Pour une installation de puissance inférieure à 12 MW une simple déclaration suffit.

Un exploitant éolien est également tenu de disposer de fonds permettant la remise en état du site et le démantèlement des éoliennes à la fin de leur exploitation.

3. Règlement sur les tarifs d'achat de l'énergie produite

Depuis 2008, la loi POPE (Programme des orientations de la politique énergétique, permet aux communes d'établir des Zones de Développement Eolien (ZDE). Si le projet est situé dans cette zone, il bénéficiera d'une obligation de rachat de sa production électrique. Dans ce cas, il sera nécessaire d'établir un contrat avec EDF à partir d'un certificat ouvrant droit à l'obligation d'achat (CODOA). Ce dernier est délivré par le préfet.

Un projet éolien d'une puissance inférieure ou égale à 12 MW peut lui aussi bénéficier de l'obligation de rachat de l'électricité.

D'un point de vue tarifaire, l'Arrêté du 17 novembre 2008 "fixe les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations utilisant l’énergie mécanique du vent" l'énergie produite par des éoliennes en ZDE est achetée selon des contrats d'une durée de 15 ans. L'énergie est alors payée 8,2 c€/kWh pour les dix premières années, puis le tarif évolue entre 2,8 et 8,2 c€/kWh les cinq années suivantes selon la production (Tableau 1).

Tableau 1 : Conditions de rachat de l'énergie éolienne offshore
(Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie, 2013)

Durée annuelle de fonctionnement T pour les 10 premières années T pour les 5 années suivantes
2 800 heures et moins 8,2 c€/kWh 8,2 c€/kWh
Entre 2 800 et 3 200 heures 8,2 c€/kWh Interpolation linéaire
3 200 heures 8,2 c€/kWh 6,8 c€/kWh
Entre 3 200 et 3 900 heures 8,2 c€/kWh Interpolation linéaire
3 900 heures et plus 8,2 c€/kWh 2,8 c€/kWh

Dans le cas de notre dimensionnement, le tarif de rachat est de 9,2 c€/kWh les 10 premières années puis de 2,8 c€/kWh les 5 années suivantes.

Implantation

Implantation

De nombreux projets éoliens sont en cours d'étude dans la région Pays de la Loire et dans le département Vendéen. La préfecture de Vendée a édité par exemple en 2003 un document prenant en compte différents paramètres lors de l'analyse des zones d'implantation potentielles d'éoliennes terrestres.

Au cours de notre travail, il ne nous a pas parru nécessaire de dessiner par nous même des zones d'implantation sur le logiciel ArcGIS car ce document propose de nombreuses cartes et nous permet de choisir facilement une zone pour l'implantation du parc éolien dimensionné.

Les différents paramètres retenus dans l'élaboration de ce document sont :
- le potentiel éolien, présenté dans la partie évaluation de la ressource (Evaluation du potentiel éolien terrestre)
- les zones urbaines
- les servitudes publiques
- le patrimoine
- les zones protégées

 

1. La couverture du sol

La principale contrainte dans l'implantation d'un parc éolien est la couverture du sol. En effet, en plus de ne pas être implantables en zones urbaines, les éoliennes doivent se situer à une distance minimale de 500 m des zones habitables pour ne pas causer de nuisances sonores, magnétiques et aussi visuelles aux populations. Cette contrainte est présentée sur la Figure 1.

Figure 1 : Carte des zones urbaines en Vendée
(Préfecture de la Vendée, 2003)

2. Les servitudes publiques et militaires

Les servitudes d'utilité publiques sont régies par le Code de l'Urbanisme et interdisent tout bonnement toute installations. Ces zones correspondent aux réseaux routiers, ferroviaire, aérien, électrique et des télécommunications. A cela s'ajoute des servitudes militaires qui n'autorisent pas le dépassement de 90 m de hauteur les éoliennes dans certaines zones. Cette contrainte est présentée en Figure 2.

Figure 2 : Carte des servitudes d'utilité publique et militaire en Vendée
(Préfecture de la Vendée, 2003)

3. Les zones touristiques

De la même manière que pour les zones habitables, une distance minimale de 500 m est à respecter entre les zones d'intérêts touristiques (sites classés, monuments historiques, ...) et les éoliennes. Cette contrainte est représentée en Figure 3.

Figure 3 : Carte des zones de protection du patrimoine en Vendée
(Préfecture de la Vendée, 2003)

4. Les zones protégées

Enfin, la dernière contrainte est les zones de protection représentées par les ZNIEFF, les zones Natura 2000 et les ZICO. Cette dernière carte est représentée en Figure 3.

Figure 4 : Carte des zones protégées en Vendée
(Préfecture de la Vendée, 2003)

5. Bilan

Les différents critères cités précédemment sont synthétisés dans le Tableau 1  et sont recoupés avec ceux du potentiel éolien pour déterminer des zones potentielles d'implantation d'éoliennes. Ainsi, les zones 1 en vert clair correspondent à un potentiel éolien favorable à très favorable pour des contraintes modérées à moyennes. La zone entourée en bleu sur la Figure 5, correspond à une zone 1 et est proche de notre site d'implantation d'usine de dessalement. Bien que cette étude fut faite il y a 10 ans environ et que certaines contraintes réglementaires ont du évoluer, nous retiendrons cette zone.

Tableau 1 : Synthèse des contraintes réglementaires et du potentiel éolien
(Préfecture de Vendée, 2003)

. La carte résultante ci contre indique les zones potentielles d'implantation d'éoliennes (Figure 5).

Figure 5 : Carte des potentialités pour l'installation d'éoliennes en Vendée
(Préfecture de Vendée, 2003)

Les éoliennes sont représentées par des points rouges sur la Figure 5 et ont été implantées sachant qu'une distance de 1 km au maximum est nécessaire entre chacune d'elles pour éviter des turbulences et donc une baisse de la production énergétique,

Aspect économique

Aspect économique

Afin d'évaluer l'aspect économique de la mise en place d'un parc éolien en Vendée nous prendrons en compte :

- le coût d'investissement, (construction et entretien)

- la rentabilité économique (économie et prix de revente de l'énergie produite)

De plus, de la même manière que pour les autres énergies, nous ne prennons pas en compte les taxes professionnelles et foncières faute de données.

1. Coûts d'investissement

L'implantation d'un parc éolien implique d'une part son installation et d'autre part le raccordement au réseau électrique ainsi que la construction de chemins d'accès pour son entretien.

Le coût moyen de l'éolienne V126 se situe autour de 1 000 000 €/MW (Vestas, 2013). Le parc dimensionné ayant une puissance de 27 MW, le coût d'investissement s'élève donc à 27 000 000 €.

L'éolienne a elle seule représente 75 à 80% du coût total d'un projet. Sur ces 27 millions, 20,25 sont donc alloués à l'éolienne. Les 6,75 millions restant sont alloués à l'aménagement du site, à la mise en place d'accès routiers, au poste de livraison et au raccordement électrique.

Par ailleurs, on compte 12 €/MWh pour la maintenance des installations. La production énergétique du parc éolien s'élevant à 81,00 GWh/an, on parvient alors au montant de 972 000 € d'entretien par an, soit 14 580 000 € sur une période de quinze ans. Cette période est choisie en raison de la durée des contrats de rachat de l'électricité

Le coût total d'investissement s'établit alors à 41 580 000 €.

2. Recettes

Les contrats d'achats de l'électricité provenant d'éoliennes terrestres sont signés pour 15 ans. Comme signalé dans la partie aspect réglementation, un premier tarif  s'applique sur les dix premières années, le tarif est ensuite variable sur les cinq suivantes.

  • Scénario 1 : Utilisation de l'énergie produite et vente du surplus

     - Economie d'énergie

Le premier scénario envisagé est que l'énergie éolienne produite est directement utilisée par l'usine de dessalement. Dans ce cas, l'entreprise n'aura pas à acheter l'électricité à un fournisseur tel qu'EDF et économisera donc 8,09 c€/kWh, tarif d'achat moyen de l'électricité en France pour les industries en 2012 (a) (Eurostat, 2013).

En considérant un taux d'inflation de 2% chaque années, on obtient un coût de l'énergie présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Prix du kWh en prenant en compte un taux d'inflation de 2%

Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027
a : Prix du kWH (c) 8,25 8,42 8,59 8,76 8,93 9,11 9,29 9,48 9,67 9,86 10,06 10,26 10,47 10,67 10,89

Sachant que la consommation énergétique annuelle est C = 74,872 GWh/an et en considérant le contrat d'achat de l'électricité de t = 15 ans, l'économie totale faite grâce à l'exploitation d'un parc éolien en Vendée est de 106 843 708 €.

$ E=C*\sum_{i=2013}^{2027}{(a_{i})}~$

A.N. : $ E=106~843~708~€ $

     - Vente du surplus

De plus, la production réelle (p') du parc éolien est de 81,00 GWh/an. Un surplus énergétique (S) est donc produit et revendable :

$ S=p'-C $

A.N. : $ S=6,128~GWh $

Sachant que le prix d'achat de l'énergie sur les 10 premières années (A1) est estimé actuellement en France à 8,2 c€/kWh puis sur les 5 autres années (A2) à 2,8 c€/kWh (Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie, 2013), le bénéfice lié à la vente du surplus sur une durée de contrat de 15 ans (B15) est de :

$ B_{15}=S*(A_1*10+A_2*5) $

A.N. : $ B_{15}=5~882~880€ $

La vente du surplus énergétique rapporterait 5 882 880 € sur toute la durée de l'exploitation du parc.

     - Bénéfice total

Le bénéfice total s'estime alors à 112 726 588 € :

  • Scénario 2 : Vente totale de l'énergie produite

Avec un prix d'achat de l'énergie estimé à 8,2 c€/kWh les 10 premières années (A1) puis à 2,8 c€/kWh les 5 années suivantes (A2), une production annuelle réelle p' = 81,00 GWh et une durée d'exploitation du parc de 15 ans on obtient ainsi une recette totale (R) de :

$ R_{15}=p'(A_1*10+A_2*5) $

A.N. : $ R_{15}=77~760~000€ $

La recette totale s'élève ainsi à 77 760 000 €.

  • Bilan

Le scénario 1 est le scénario le plus rentable pour l'exploitation d'un parc éolien avec une recette de 112 726 588 €.

Nous retiendrons ce scénario pour le calcul du seuil de rentabilité.

3. Seuils de rentabilité

Deux fonctions sont posées :

  • F1(t) : représente le coût d'exploitation du parc éolien au cours du temps. Elle vaut :

$ F_{1}(t)= 27+0,972.t $

  • F2(t): représente le bénéfice annuel lié à la revente de l'énergie produite :

$ F_{2}(t)=(\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)})+0,502496.t $ pour $ t\in[0;10] $

$ F_{2}(t)=(\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)})+0,502496*10+0,171584(t-10) $ pour $ t\in[0;10] $
$ \Leftrightarrow~F_{2}(t)=(\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)})+0,171584.t+3,30912 $ pour $ t\in]10;15] $

Le graphique suivant (Figure 1), permet de déterminer le nombre d'années à partir duquel le parc éolien devient rentable.

Figure 1 : Calcul du seuil de rentabilité du parc éolien
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

En posant F1(t)=F2(t), on trouve un seuil de rentabilté d'environ 4.5 ans.

 

Impacts environnementaux et sociétaux

Impacts environnementaux et sociétaux

1. Impacts environnementaux

L'implantation d'une ferme éolienne terrestre n'est pas sans effet sur l'environnement. Il existe un certains nombre d'interactions entre les éoliennes et leur zone d'implantation. Les paragraphes suivants établissent l'inventaire des effets à prendre en compte dans le cadre de l'installation d'éoliennes.

  • Les risques pour la faune locale

L'implantation d'éoliennes entraîne l'apparition de risques pour l'avifaune, notamment si le parc éolien est situé sur une voie migratoire. La figure suivante présente les zones pour lesquelles l'incidence des éoliennes serait la plus forte.

Figure 1 : Zones d'incidence potentielle des éoliennes sur l'avifaune.
(Schéma Régional Eolien Terrestre des Pays de Loire, 2013)

  • Le bruit

Si l'usine de dessalement venait à implanter un champ éolien, la puissance des éoliennes à implanter étant de 3 MW, les espaces environnants seraient exposés à des intensités sonores de l'ordre de 100 dB. L'émission d'un tel bruit peut perturber la faune environnante.

De plus, ceci implique certaines conditions sur la zone d'implantation de ces éoliennes : celles-ci ne doivent par exemple pas se trouver à proximité de zones résidentielles.

2. Impacts sociétaux

Les éoliennes terrestres sont souvent sujets à controverse auprès des riverains pour deux principales raisons :

  • La consommation d'espace

Implanter un parc éolien au sein d'une zone aussi fragile et touristique que le littoral vendéen n'est pas chose facile. La consommation d'espace requise est forte et les zones disponibles se font rares.

  • Les impacts visuels

Du fait de leur taille élevée supérieure à 100 m, les éoliennes sont visibles de loin et dégradent le paysage aux yeux de nombreux riverains. Cependant, les avis restent partagés concernant cette aspect.

 

 

Les Eoliennes Offshore

Les Eoliennes Offshores

1. Présentation générale de la technologie

Le principe de fonctionnement des éoliennes offshores (Figure 1) est similaire à celui des éoliennes terrestres. La production énergétique éolienne résulte de l'énergie cinétique du vent. Ces éoliennes sont situées généralement à une dizaine de kilomètres des côtes ont l'avantage de susciter moins de controverses que ses équivalentes terrestres (peu de contraintes de superficie, paysagère et sonore). De plus la vitesse du vent est plus importante et plus constante que sur le continent : la production électrique est donc plus importante.

Figure 1 : Parc d'éoliennes offshores au Danemark
(Windenergie, n.d.)

Cependant, leur prix est plus important du fait de la complexité de leur installation en mer. La Figure 2 présente les trois différents modes d'ancrage de ces éoliennes : monopieu, tripode et béton gravitaire.

Figure 2 : Différents types d'ancrage des éoliennes offshores
(eolienoffshore.com, n.d.)

De plus, ces éoliennes doivent être conçues pour résister à la corrosion et à la force des courants. L'installation du réseau de raccordement est aussi une contrainte majeure : des câbles électriques sous marins d'une dizaine de kilomètres doivent être installés.

En ce qui concerne la disposition des éoliennes, on retrouve généralement deux cas de figures : en arc de cercle (par soucis esthétique ) ou en quadrillage. (Figure 3) La disposition est importante d'un point de vue esthétique (afin d'éviter d'observer un "barrage" d'éoliennes depuis la côte) mais aussi énergétique (des éoliennes trop rapprochées entraînent des phénomènes de turbulence et diminuent leur rendement). 

Figure 3 : Disposition de parcs éoliens offshores en arc de cercle et en quadrillage
(Ecodids et Energeek, 2011)

2. Plan du dimensionnement

Le dimensionnement d'un parc éolien en Vendée est présenté de la façon suivante :

1. Dimensionnement global

2. Aspect réglementaire

3. Implantation

4. Aspect économique

5. Impacts environnementaux et sociétaux

Dimensionnement global

Dimensionnement global

1. Calcul de la production énergétique

Le parc éolien est ici dimensionné afin de couvrir la consommation annuelle de l'usine de dessalement. Sa production doit donc atteindre C = 74,872 GWh/an. Similairement aux calculs réalisés pour les éoliennes terrestres, C est divisé par le nombre d'heures de fonctionnement des éoliennes, puis par la puissance annuelle moyenne réelle de l'éolienne. Cette puissance moyenne (P) a été évaluée à 3 MW lors de l'évaluation des ressources.

$ n=\frac{C}{6000.P} $

A.N. : $ n= 4,15 $

5 éoliennes seraient donc requises pour une puissance totale nominale et réelle de 15 MW pour couvrir les besoins énergétiques de l'usine. Cela correspond à une production énergétique réelle p de :

$ p=6000.P $

A.N. : $ p= 90,00~GWh $

On obtient une production énergétique de 90,00 GWh/an

2. Calcul de l'espace requis

L'espacement entre éoliennes demeure le même le celui de éoliennes terrestres. Une distance de 500 mètres est fixée entre chacune d'elles.

Le calcul de l'espace requis conduit donc à une longueur de 2,5 km

Aspect réglementaire

Aspect réglementaire

 

1. Règlement sur l'implantation d'un parc éolien offshore

D'après un décret du 14 Janvier 2012, les installations marines ne nécessitent pas de permis de construire en raison de leur implantation en mer. Ceci concerne également les dispositifs de raccordement aux réseaux publics d'électricité.

L'implantation d'un parc éolien offshore suit une démarche particulière. Suite à une demande de concession du domaine public maritime, une demande d'autorisation au titre de la loi sur l'eau est réalisée. S'en suit l'étude d'impacts requise pour les éoliennes placées en mer. Enfin une enquête publique est réalisée auprès de la population (WPD, 2013).

Le projet doit par ailleurs prendre en compte certaines obligations concernant l'environnement des installations. Parmi celles-ci, on trouve :

  • Les servitudes maritimes (navigation et balisage)

La construction du site doit prendre en compte les zones réglementée, ou interdites comme les périmètres de sécurité autour d'usines ou de zones militaires, les zones de dépôt de dragage, les zones d'attente, de dégagement de navires, d'aquaculture ou de pêche.

Les zones présentant déjà des câbles sous-marins, d'écoute ou des gazoducs sont également soumises à des réglementations.

Les éoliennes ne doivent pas gêner l'usage de radars dans les zones portuaires, ainsi que les zones de manoeuvre des navires. Si beaucoup de permis de construire pour des parcs éoliens sont refusés pour protection de la faune ou du patrimoine, une part de ces refus est liée aux perturbations causées sur les radars (Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie, 2010).

Chaque éolienne est soumis à un balisage précis. Elles doivent comporter des balises lumineuses et un marquage jaune à leur base jusqu'à 15 m au-dessus du niveau maximal des mers.

  • Les servitudes aéronautiques (dégagement, balisage)

Dans le cadre des servitudes aéronautiques, on retrouve des impératifs de balisage et de restriction de zone. Les éoliennes offshore dont la hauteur est supérieure à 50 m sont soumises à ces servitudes, elles ne doivent pas créer d'obstacle ou de danger à la circulation aérienne. Dans les zones où un survol à basse altitude est parfois nécessaire (secours en mer), un balisage diurne et nocturne est requis.

  • Les servitudes radioélectriques

L'installation d'un parc éolien offshore ne doit pas être à l'origine de perturbations radioélectriques, l'installation est alors soumise aux prescriptions réglementaires (GTE 1094) et aux dispositions de l'article L112-12 de Code de la construction et de l'habitation. L'objectif est de ne pas produire d'interférences néfastes pour le bon fonctionnement d'autres appareils électriques placés au voisinage du parc éolien.

  • Les servitudes militaires (champs de tir, aéronefs, postes électro-sémaphoriques, amers, feux et phares)

Ces servitudes concernent principalement les champs de tirs, les survols de la zone, les phares et feux de signalisation ou encore les postes de défense des côtes. Si la zone choisie pour implanter le parc éolien recoupe une zone utilisée par l'armée, le projet devra être déplacé.

Si ces servitudes ne sont pas toujours strictement liées à l'armée, notamment celles concernant les feux et phares de signalisation, elles nécessitent la consultation des autorités militaires.

 

2. Règlement sur les tarifs d'achat de l'énergie produite

La tarification des éoliennes offshores et soumise tout comme les éoliennes terrestres à l'Arrêté du 17 novembre 2008 "fixant les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations utilisant l’énergie mécanique du vent".

Cette arrêté donne sur un contrat de 20 ans un tarif unique de rachat pendant 10 ans de 13 c€/kWh puis de 3 à 13 c€/kWh les 10 années suivantes selon la durée annuelle de fonctionnement de l'installation. (Tableau 1)

Tableau 1 : Conditions de rachat de l'énergie éolienne offshore
(Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie, 2013)

Durée annuelle de fonctionnement T pour les 10 premières années T pour les 10 années suivantes
2 800 heures et moins 13 c€/kWh 13 c€/kWh
Entre 2 800 et 3 200 heures 13 c€/kWh Interpolation linéaire
3 200 heures 13 c€/kWh 9 c€/kWh
Entre 3 200 et 3 900 heures 13 c€/kWh Interpolation linéaire
3 900 heures et plus 13 c€/kWh 3 c€/kWh

Concernant l'installation de notre projet, le tarif de rachat sera de 13 c€/kWh les 10 premières années du contrat puis de 3c€/kWh les 10 années suivantes.

Implantation

Implantation

 

Similairement aux pelamis, l'implantation d'un parc éolien en milieu maritime doit prendre en compte certaines contraintes:

- la bathymétrie

- les espaces protégés

- les couloirs maritimes

- les zones d'activité aquacoles.

1. Bathymétrie

Les éoliennes offshore ne peuvent pas être implantées sur des zones de profondeur excédant 50 m de profondeur. Si des projets d'éoliennes flottantes sont en voie de développement, nous retenons ici les éoliennes conventionnelles, possédant des fondations. Etant donné les faibles pente le long du littoral vendéen (Figure 1), il est possible d'implanter un parc éolien entre 15 et 20 km des côtes.

Figure 1 : Carte bathymétrique des côtes vendéennes
(SHOM, 2013)

2. Espaces protégés

La région littorale comporte un ensemble d'espaces protégés comme les zones Natura 2000 ou les ZNIEFF. Les éoliennes ne seront pas implantés dans ces zones qui doivent être préservées.

La carte suivante (Figure 2) représente l'ensemble des espaces protégés au large de la Vendée, ainsi que la zone où pourraient être implantées les éoliennes.

Figure 2 : Carte des zones protégées sur le littoral vendéen.
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

 

3. Voies navigables et zones de pêche

3.1. Couloirs maritimes

Pour des raisons pratiques et de sécurité, l'implantation des éoliennes ne doit pas interférer avec les diverses voies navigables. La carte suivante (Figure 3) présente les routes commerciales suivies par les navires ainsi que les trajets de navettes touristiques (données fournies par la Préfecture Maritime de l'Atlantique).

Figure 3 : Routes maritimes majeures au large de la Vendée
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

Ces routes maritimes ne recoupent donc pas la zone potentielle où sont implantables les éoliennes. Le risque de collision et les manoeuvres de détournement seront réduits.

 

3.2. Aquaculture

Afin d'éviter d'éventuels conflits d'usage de l'espace, les éoliennes ne doivent pas être implantés sur des espaces déjà utilisés à des fins économiques comme les parcs ostréicoles, ou les zones de conchyliculture.

La carte suivante (Figure 4) regroupe l'ensemble de ces zones. Les zones d'aquaculture, les parcs ostréicoles, ou zones conchylicoles sont présentes à proximité immédiate des côtes. Ces espaces ne sont donc pas problématiques pour l'implantation d'éoliennes qui s'effectue au-delà de ces zones.

 

Figure 4 : Zones d'exploitation des ressources maritimes le long des côtes vendéennes
(IGN, 2013)

4. Bilan

A partir de ce premier bilan on constate que l'implantation d'éoliennes ne comporte pas de contraintes majeures liées aux activités ou aux déplacements maritimes, si ce n'est la bathymétrie qui impose une profondeur de 50 m maximum. Ainsi, la zone retenue est celle encadrée en rouge dans la Figure 4.

Les résultats précédents ont pu être recroisés avec ceux obtenus pour l'appel d'offre lancé par le Ministère de l'écologie du développement durable, du transport et des logements en 2010 pour l'implantation d'un parc éolien au large de la Vendée (Figure 5). Le bilan présenté vient confirmer le choix de la zone.

Figure 5 : Zone potentielle retenue pour l'implantation d'éoliennes offshore
(Ministère de l'écologie du développement durable, du transport et des logements, 2010)

 

Aspect économique

Aspect économique

1. Coûts d'investissement

Du fait de son implantation en mer, les coût d'investissement, de raccordement au réseau électrique et d'entretien d'un parc éolien offshore sont plus élevés que pour un parc terrestre. Ils sont en général deux à trois fois plus élevées que pour un parc éolien terrestre. L'installation de câbles sous-marins, l'éloignement pour l'entretien ou l'utilisation de navires sont des exemples de postes de dépenses supplémentaires.

Le coût  moyen de l'éolienne V112 est de 3 000 000 €/MW (Vestas, 2013). Pour le parc dimensionné à 15 MW, le coût d'investissement s'élève alors à 45 000 000 €.

Des charges d'entretien trois fois plus élevées conduisent à la valeur de 36 €/MWh, soit pour le parc traité, un coût d'entretien de 3 240 000 €/an. Ce montant représente la somme de 64 800 000 € pour une exploitation de vingt ans.

Le coût total de l'investissement atteint donc 109 800 000 €.

2. Recettes

Les contrats d'achat de l'électricité pour un parc éolien sont signés pour 20 ans.

Suivant le même schéma que les éoliennes terrestres, deux scénarii sont envisagés

  • Scénario 1 : Utilisation de l'énergie produite et vente du surplus

     - Economie d'énergie

Le premier scénario envisagé est que l'énergie éolienne produite est directement utilisée par l'usine de dessalement. Dans ce cas, l'entreprise n'aura pas à acheter l'électricité à un fournisseur tel qu'EDF et économisera donc 8,09 c€/kWh, tarif d'achat moyen de l'électricité en France pour les industries en 2012 (a) (Eurostat, 2013).

En considérant un taux d'inflation de 2% chaque années, on obtient un coût de l'énergie présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Prix du kWh en prenant en compte un taux d'inflation de 2%

Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032
a : Prix du kWH (c) 8,25 8,42 8,59 8,76 8,93 9,11 9,29 9,48 9,67 9,86 10,06 10,26 10,47 10,67 10,89 11,11 11,33 11,55 11,79 12,02

Sachant que la consommation énergétique annuelle est C = 74,872 GWh/an et en considérant le contrat d'achat de l'électricité de t = 20 ans, l'économie totale faite grâce à l'exploitation d'un parc éolien en Vendée est de 150 116 146 €.

$ E=C*\sum_{i=2013}^{2032}{(a_{i})}~$

A.N. : $ E=150~116~146~€ $

 

     - Vente du surplus

De plus, la production réelle (p') du parc éolien est de 90,00 GWh/an. Un surplus énergétique (S) est donc produit et revendable :

$ S=p'-C $

A.N. : $ S=15,128~GWh $

Sachant que le prix d'achat (A1) de l'énergie sur les 10 premières années  est estimé actuellement en France à 13,0 c€/kWh puis sur les 10 années suivantes (A2) à 3,0 c€/kWh (Ministère de l'écologie, du développement durable  de l'énergie, 2013), le bénéfice lié à la vente du surplus sur une durée de contrat de 20 ans (B20) est de :

$ B_{20}=S*(A_1*10+A_2*10) $

A.N. : $ B_{20}=24~204~800€ $

La vente du surplus énergétique rapporterait 24 204 800 € sur toute la durée de l'exploitation du parc.

     - Bénéfice total

Le bénéfice total s'estime alors à 174 320 946 € :

  • Scénario 2 : Vente totale de l'énergie produite

Avec un prix d'achat de l'énergie estimé à 13 c€/kWh les 10 premières années (A1) puis à 3 c€/kWh les 10 années suivantes (A2), une production annuelle réelle p' = 90,00 GWh et une durée d'exploitation du parc de 20 ans on obtient ainsi une recette totale (R) de :

$ R_{20}=p'(A_1*10+A_2*10) $

A.N. : $ R_{20}=120~960~000~€ $

La recette totale s'élève ainsi à 144 000 000 €.

  • Bilan

Le scénario 1 est le scénario le plus rentable pour l'exploitation d'un parc éolien offshore avec une recette de 174 320 946 €.

Nous retiendrons ce scénario pour le calcul du seuil de rentabilité.

3. Seuils de rentabilité

Deux fonctions sont posées :

  • F1(t) : représente le coût d'exploitation du parc éolien au cours du temps. Elle vaut :

$ F_{1}(t)= 45+3,24.t $

  • F2(t): représente le bénéfice annuel lié à la revente de l'énergie produite :

$ F_{2}(t)=(\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)})+1,966640.t $ pour $ t\in[0;10] $

$ F_{2}(t)=(\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)})+1,966640*10+0,453840.(t-10) $ pour $ t\in[0;10] $
$ \Leftrightarrow~F_{2}(t)=(\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)})+0,453840.t+15,128 $ pour $ t\in]10;20] $

Le graphique suivant (Figure 1), permet de déterminer le nombre d'années à partir duquel le parc éolien devient rentable.

Figure 1 : Calcul du seuil de rentabilité du parc éolien
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

En posant F1(t)=F2(t), on trouve un seuil de rentabilté d'environ 12 ans.

Impacts environnementaux et sociétaux

Impacts environnementaux et sociétaux

1. Impacts environnementaux

Tout comme pour l'implantation des hydroliennes ou d'une ferme de pelamis, l'implantation d'éoliennes en milieu maritime n'est pas sans conséquences sur l'environnement. Dans le cadre de notre projet, les éléments suivants interviennent :

  • Le remaniement des fonds et la mise en suspension de matériaux

Qu'il s'agisse d'éoliennes flottantes, ou implantées dans le substrat, les travaux d'implantation des éoliennes sont susceptibles de déplacer des sédiments et de perturber le milieu de vie d'organismes benthiques ou de poissons.

Lorsque les sédiments sont remis en suspension, il peut en résulter des destructions localisées de ces organismes par étouffement. Le rétablissement est cependant rapide.

L'ensouillage des câbles pour relier les installations au réseau est elle aussi une source de perturbation des fonds marins.

  • Bruits et vibrations

Pour les éoliennes offshore, les bruits aériens ne sont pas problématiques, cependant, les vibrations transmises depuis le rotor jusqu'au milieu aquatique sont sources de bruits se propageant dans l'eau.

On estime que les bruits peuvent être à l'origine de modifications comportementales chez les organismes marins (ADEME, 2012).

  • Electromagnétisme

Comme toute installation marine, c'est le câble de transport de l'électricité qui est la principale source de champ magnétique. Du fait de la production d'un courant continu, l'extension du champ magnétique est réduite.

  • Contamination

Les phases de construction ou d'entretien des parcs éoliens peuvent être à l'origine de la libération de composés polluants dans l'océan. Les peintures anti-corrosion font partie de ces composés mais les quantités libérées sont négligeables.

  • Impact sur la faune

Les oiseaux sont souvent décrits comme les plus sensibles à la présence d'éoliennes. Si le parc se situe sur un espace fréquenté par les oiseaux, ces derniers peuvent être frappés par les pales.

Concernant la population piscicole, il est possible d'implanter des récifs artificiels créant des refuges pour certaines espèces marines.

2. Impacts sociétaux

  • Impact visuel sur le paysage

Les éoliennes sont certainement les installations génératrice d'énergie renouvelable les plus visibles. Les critères de visibilité sont les mêmes que ceux décrits pour les pelamis (éclairage, orientation, contraste avec l'horizon, distance des côtes, hauteur)

Les éoliennes offshore étant généralement situées au large, elles sont mieux acceptées que les éoliennes terrestres par la population (ADEME, 2012).

Par ailleurs, la Vendée acueille chaque année de nombreux touristes. L'implantation d'un parc éolien pourrait avoir quelques effets sur l'économie locale et le taux de fréquentation. Des études ont déjà été menées auprès de touristes français vis à vis de l'acceptation des parcs éoliens le long des côtes méditerranéennes. (Vanja Westerberga, Jette Bredahl Jacobsenb, Robert Lifrana, 2011)

Cette étude met d'abord en avant les disparités d'opinion selon les personnes interrogées. Mais il en ressort qu'une implantation à 12 km des côtes est préférable pour l'industrie touristique (l'incidence sur le tourisme tend vers zéro entre 8 et 12 km).

  • Impact sur les activité humaines

L'implantation des éoliennes crée une zone d'exclusion pour les navires de pêches. Ces derniers doivent par ailleurs proscrire la pêche au chalut lorsqu'ils passent au-dessus de zones où sont installés les câbles électriques au risque de les endommager.

Le parc éolien crée alors un conflit d'usage de la zone maritime. L'accès à la ressource peut être affecté.

Les activités conchylicoles quant à elles sont situées en bordure des côtes peuvent être affectée par le tracé des câbles,

 

 

 

 

 

Bilan

Bilan

Le récapitulatif des dimensionnements des différentes énergies renouvelables est présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Bilan des dimensionnements d'énergies renouvelables

Energie Panneaux photovoltaïques Pelamis Eoliennes terrestres Eoliennes offshores
Investissement 148 800 000 € 62 130 000 € 41 580 000 € 109 800 000 €
Seuil de rentabilité 8 ans 9 ans 5 ans 12 ans
Bénéfice sur la durée du contrat 78 900 000 € 72 630 000 € 71 146 588 € 40 316 145 €
Impacts environnementaux limités moyens moyens moyens
Impacts sociétaux moyens moyens importants moyens

La carte suivante (Figure 1) résume les zones retenues pour l'implantation éventuelle de centrales à énergie renouvelables. La zone offshore peut accueillir les pelamis ou les éoliennes offshores.

Figure 1 : Carte récapitulative des zones d'implantation d'énergies renouvelables.
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)