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,