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.