Des watts aux mégawatts, du concept à la capacité installée, le ministère américain de l'énergie (DOE) travaille avec les spécialistes de l'énergie éolienne depuis plus de 30 ans à faire du rêve d'hier - trouver une source d'énergie propre et renouvelable - la réalité de la technologie la plus viable d'exploitation d'une source renouvelable d'énergie.

Robert Thresher est directeur du Centre national de la technologie éolienne au National Renewable Energy Laboratory (NREL) du ministère de l'énergie.

L'énergie éolienne, la technologie qui utilise le vent pour produire de l'électricité, est la nouvelle source d'électricité qui grandit le plus rapidement à l'échelle de la planète. L'électricité éolienne est produite par d'énormes hélices à trois pales installées au sommet de hautes tours et qui fonctionnent comme des ventilateurs inversés : au lieu d'utiliser l'électricité pour produire du vent, elles utilisent le vent pour produire de l'électricité.

Le vent fait tourner les hélices qui actionnent un arbre relié par l'intermédiaire d'engrenages à un générateur électrique. Les éoliennes industrielles sont en mesure de produire de 750 kilowatts ( 1 kilowatt = 1000 watts) à 1,5 mégawatt (1 mégawatt = 1 million de watts) ; les foyers, les stations de télécommunications et les pompes à eau utilisent de petites éoliennes de moins de 100 kilowatts comme source d'énergie, notamment dans les endroits isolés privés de raccordement au réseau électrique.

Dans les parcs éoliens, des groupes de turbines reliés les uns aux autres produisent l'électricité que des lignes de transmission et de distribution amènent ensuite aux consommateurs dans le réseau.

Depuis 1980, les recherches et les essais menés dans le cadre du Programme éolien du ministère américain de l'énergie (DOE) ont contribué à ramener le coût de l'énergie éolienne de 0,8 dollar (dollars courants) le kWh à 0,04-0,06 dollar/kWh aujourd'hui.

Un des objectifs du Programme éolien est de faire tomber le coût de la production à l'échelle du réseau à 0,03 dollar/kWh dans les sites terrestres faiblement venteux, et à 0,05 dollar/kWh dans les sites offshore (en mer). Un site faiblement venteux est un site où, en moyenne annuelle, la vitesse du vent mesurée à 10 m au-dessus du sol est de 20 km/h.

Pour atteindre cet objectif et d'autres, deux des principaux laboratoires de recherche du DOE, le National Renewable Energy Laboratory (NREL) dans le Colorado et les Sandia National Laboratories dans le Nouveau-Mexique, travaillent avec des partenaires industriels et des universitaires partout aux États-Unis pour faire avancer l'éolien. Chaque laboratoire a ses spécialités et ses compétences propres pour répondre aux besoins de l'industrie.

Le Centre national de la technologie éolienne du NREL est le principal centre de recherches sur l'énergie éolienne. Il mène des travaux et appuie les partenaires industriels dans les domaines de l'analyse de la conception et des études, de l'élaboration des composants, de l'analyse des systèmes et des contrôles, des essais, de l'intégration aux services de distribution, de l'assistance technique et d'autres. Les laboratoires Sandia mènent des recherches dans les domaines de la fabrication avancée, de la fiabilité des composants, de l'aérodynamique, de l'analyse structurelle, de la fatigue des métaux, et des systèmes de contrôle.

Grâce à ces efforts de recherche-développement, la capacité éolienne mondiale a plus que décuplé au cours des 10 dernières années, passant de 3,5 gigawatts (1 gigawatt = 1 milliard de watts) en 1994 à près de 50 gigawatts à la fin de 2004. Aux États-Unis, la capacité éolienne a triplé, passant de 1.600 mégawatts en 1994 à plus de 6.700 mégawatts en 2004, soit une quantité d'électricité suffisante pour desservir plus de 1,6 million de foyers.

En 2005, grâce à un crédit d'impôt fédéral renouvelé par le Congrès en 2004, l'industrie éolienne américaine va connaître une croissance record. Le crédit d'impôt accorde un crédit de 0,019 dollar/kWh aux technologies répondant aux conditions voulues pendant les 10 premières années de production. Certains spécialistes prédisent qu'en 2005 les installations d'électricité éolienne verront leur capacité augmenter de plus de 2.000 mégawatts du fait des avantages fiscaux fournis par cette législation.

Au cours de la dernière décennie, l'éolien a connu une croissance phénoménale grâce aux mesures d'accompagnement du gouvernement et aux efforts des chercheurs du Programme éolien du DOE et de leurs partenaires industriels pour élaborer des technologies innovantes et rentables, promouvoir la croissance du marché et identifier de nouvelles applications.

Élaborer des technologies rentables

Le travail mené dans le cadre des projets du Programme éolien du DOE entre 1994 et 2004 a produit des concepts novateurs, des turbines plus grosses et des efficiences qui ont amené des réductions considérables des coûts. Mais, pour aussi impressionnantes que soient ces baisses, l'électricité éolienne n'est pas encore concurrentielle avec celle produite à partir des combustibles fossiles. Les chercheurs pensent que de nouvelles améliorations techniques sont nécessaires pour réduire encore de 30 % le coût de l'électricité éolienne et la rendre vraiment concurrentielle avec la production des centrales électriques thermiques conventionnelles.

Promouvoir la croissance du marché

Pour promouvoir la croissance du marché de l'éolien en favorisant l'acceptation de cette technologie partout dans le pays, l'équipe Wind Powering America (WPA) du DOE s'associe à des partenaires industriels afin d'offrir des soutiens de l'État, d'élaborer des partenariats dans le domaine de l'électricité, de mener des actions de sensibilisation et de développer des mécanismes de marché innovants appuyant les systèmes à grandes et petites éoliennes.

La stratégie de l'équipe WPA en vue de généraliser l'acceptation de la technologie éolienne comprend de grandes campagnes d'information destinées à mieux informer les divers publics des avantages de cette technologie. En 2004, l'équipe a organisé des expositions dans 36 manifestations et autres foires de 20 États et distribué 46.000 exemplaires des publications WPA à divers groupes de travail sur l'énergie éolienne et à d'autres organisations. Le nombre des personnes visitant le site d'internet du groupe (http://www.windpoweringamerica.gov) ne cesse d'augmenter.

Grâce à ces initiatives, WPA cherche à accroître l'utilisation de l'énergie éolienne aux États-Unis et espère qu'au moins 30 États auront une capacité éolienne de 100 mégawatts d'ici à 2010.

Nouvelles applications de l'énergie éolienne

Des décennies de travail du partenariat public-privé ont permis de transformer le rêve d'énergie éolienne d'hier en réalité.

Pour assurer la croissance continue du secteur en 2005 et dans les années qui viennent, le Programme éolien explore des applications novatrices susceptibles d'ouvrir de nouveaux marchés : elles comprennent l'installation de turbines éoliennes en mer, en eaux peu profondes et profondes, l'utilisation de l'énergie éolienne pour la production d'eau douce, et l'élaboration de nouvelles techniques établissant des synergies entre l'énergie éolienne et d'autres énergies renouvelables, comme l'énergie hydraulique.

Développement des éoliennes offshore et en eaux profondes

Les éoliennes offshore, qui n'en sont qu'à leurs premiers stades de développement, coûtent plus cher et sont plus difficiles à installer et à entretenir que les éoliennes terrestres. En effet, elles doivent être conçues pour absorber l'impact des vents de mer et les chocs des vagues pendant les tempêtes et être protégées contre la corrosion de l'environnement marin.

Les installations offshore présentent certains avantages : les turbines peuvent être plus grandes que celles des éoliennes terrestres et donc produire plus d'électricité par unité ; leur implantation en mer leur assure des vents plus forts avec moins de turbulences ; elles réduisent l'utilisation des sols et elles contribuent à apaiser les préoccupations esthétiques lorsqu'elles sont construites assez loin de la côte pour être hors de vue.

Des études récentes ont montré qu'aux États-Unis il existe d'importants sites venteux offshore dans des zones situées près des grands centres urbains des régions du moyen-Atlantique et du Nord-Est. En Europe, les éoliennes en mer produisent près de 600 mégawatts mais elles sont toutes installées à moins de 20 mètres de profondeur.

Pour les éoliennes offshore en eau peu profonde (moins de 30 mètres de profondeur), les fabricants européens de turbines ont adopté le plan traditionnel des éoliennes terrestres et ils les installent sur des socles en béton ou des pylônes d'acier implantés dans le fond marin. L'électricité ainsi produite passe dans une sous-station offshore qui en augmente le voltage, puis elle est transmise par un câble sous-marin enfoui jusqu'à une autre sous-station terrestre qui renforce encore sa puissance avant de la transmettre au réseau pour être distribuée aux consommateurs.

Une grande partie des ressources éoliennes américaines offshore se trouve dans des zones où les eaux sont plus profondes que celles de la mer Baltique pour lesquelles les technologies européennes avaient été élaborées. Les fondations de pylône unique implanté au fond de la mer ne sont pas adaptées aux eaux plus profondes que l'on trouve au large des États-Unis. Pour produire de l'électricité éolienne présentant un bon rapport coût/efficacité, il faut adapter la technologie des plates-formes flottantes conçues pour les forages pétroliers et gaziers et aussi élaborer de nouvelles technologies à faibles coûts d'ancrage. Une version de pointe de cette nouvelle technologie éolienne consisterait à construire la turbine et sa plate-forme dans une cale sèche, en utilisant la main-d'œuvre locale, de la remorquer jusqu'au site choisi en mer, de l'ancrer et de connecter le câble électrique à la sous-station terrestre.

Le Programme éolien évalue plusieurs concepts de plates-formes pour des turbines éoliennes offshore, permettant de produire de l'électricité de manière rentable sur des fonds de 50 à 200 m. Le programme négocie aussi un accord de partenariat avec une entreprise américaine en vue de la mise au point des premiers prototypes américains de turbines éoliennes multi-mégawatts conçues spécifiquement pour être utilisées en eau peu profonde.

Eau et vent

Le Programme éolien étudie comment combiner les énergies éolienne et hydraulique pour obtenir un approvisionnement plus stable en électricité et en eau douce. La rareté de l'eau douce est un problème qui se développe à l'échelle planétaire. Selon les Nations unies, à l'horizon de 2025, il faudra des milliards de mètres cubes/jour d'eau douce de plus qu'aujourd'hui pour répondre aux besoins d'une population en expansion. Or la capacité mondiale actuelle de dessalement est estimée à 28 millions de m3/jour.

Une solution à la pénurie d'eau douce serait de dessaler l'eau des océans mais le dessalement est un processus à forte intensité énergétique et, dans la plupart des régions, il n'est pas rentable. Entre toutes les technologies de dessalement, celle de l'osmose inverse est la plus efficiente au plan de l'utilisation de l'électricité (de 3 à 8 kWh/m3 d'eau).

L'osmose inverse est une méthode qui produit de l'eau douce à parti d'eau salée : celle-ci passe par une membrane semi-perméable (qui laisse passer uniquement certaines molécules) qui retient les sels.

Même compte tenu de la grande efficience de l'osmose inverse, l'électricité représente près de 40 % du coût total de l'eau dessalée. Tant du point de vue de l'environnement que de celui du coût, il faut trouver des sources propres et bon marché d'électricité pour arriver à un dessalement peu coûteux.

L'électricité éolienne est la source la plus prometteuse et la moins coûteuse mais, du fait de sa nature variable - le vent ne souffle pas toujours - les chercheurs doivent déterminer ses effets sur les systèmes de dessalement et leur exploitation.

En 2004, le Programme éolien a financé une étude conceptuelle d'un système intégré de production d'électricité éolienne et de dessalement. Le projet explore les concepts de production d'électricité et de dessalement, identifie les problèmes techniques, explore la faisabilité de concepts alternatifs et évalue leur viabilité économique.

Pour garantir l'approvisionnement électrique stable du réseau, le Programme éolien fait des recherches sur les avantages potentiels d'une combinaison de l'énergie éolienne et de l'énergie hydraulique (qui capture l'énergie de l'eau en mouvement).

Dans le cadre de ces recherches, les États-Unis ont aidé à former un groupe de travail au sein de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), qui fera porter ses efforts sur l'intégration des systèmes éolien et hydraulique (recherche-développement et démonstration, Annexe énergie éolienne XXIV de l'AIE).

L'Annexe procédera à des échanges d'information et mènera des recherches coopératives dans les domaines de la production, de la transmission et de l'économie de l'intégration des systèmes éolien et hydraulique. Elle a tenu sa première réunion au barrage Hoover, dans le Nevada, en 2005.

Conclusion

Le programme du ministère américain de l'énergie visant à faire de l'énergie éolienne une source propre, durable et rentable d'électricité ayant des applications multiples sur le marché a enregistré des progrès importants ces dernières années et il est sur la voie de nouvelles améliorations importantes. Le développement rationnel et durable de cette source renouvelable d'énergie est un élément clé de la stratégie américaine visant à réduire la dépendance du pays à l'égard des combustibles à base de carbone et les émissions de gaz à effet de serre.