L'énergie éolienne pour des centimes

L'éolienne la plus récente à Rocky Flats dans le Colorado, le terrain d'essai du département américain de l'Énergie pour les technologies de l'énergie éolienne, ressemble beaucoup à n'importe quel autre appareil pour capter l'énergie du vent : une turbine carrée se trouve au sommet d'une tour en acier qui pousse deux pales d'hélice s'étendant sur un 40 mètres combinés, soit près de la moitié de la longueur d'un terrain de football. Le vent passe, les pales tournent et l'électricité circule. Mais il y a une différence clé. Ce prototype a des lames flexibles et articulées ; dans les vents forts, ils se replient légèrement en tournant. La courbure est à peine perceptible pour un observateur occasionnel, mais c'est un changement radical par rapport au fonctionnement des éoliennes existantes et cela pourrait bien changer le destin de l'énergie éolienne.

En effet, le succès du prototype de Rocky Flats intervient à un moment crucial dans l'évolution de l'éolien. Les générateurs éoliens sont encore une technologie de niche produisant moins d'un pour cent de l'électricité américaine. Mais l'année dernière, 1 700 mégawatts de nouvelle capacité éolienne ont été installés aux États-Unis, assez pour alimenter 500 000 maisons, doublant presque la capacité éolienne du pays. Et plus est en route. Les fabricants ont quadruplé le coût des éoliennes lourdes depuis 1980, et ces machines gargantuesques sont désormais suffisamment fiables et efficaces pour être construites en mer. Un parc éolien de 80 turbines et 245 millions de dollars en construction au large des côtes danoises sera le plus grand du monde, et les développeurs commencent également à coloniser les eaux allemandes, néerlandaises et britanniques. En Amérique du Nord, les spéculateurs envisagent d'énormes parcs éoliens offshore près de la Colombie-Britannique et de Nantucket, MA.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2002

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Mais un nuage noir plane toujours sur ce scénario apparemment ensoleillé. Les éoliennes restent chères à construire, souvent prohibitives. En moyenne, il en coûte environ 1 million de dollars par mégawatt pour construire un parc d'éoliennes, contre environ 600 000 $ par mégawatt pour une centrale électrique au gaz conventionnelle ; dans les calculs économiques des compagnies d'électricité, le fait que le vent soit gratuit ne comble pas cet écart. En bref, le prix de la construction d'énergie éolienne doit baisser pour que ce soit plus qu'une technologie de niche.

Et c'est là qu'intervient le prototype de Rocky Flats. La flexibilité de ses pales permettra à la turbine d'être 40 % plus légère que la norme industrielle actuelle, mais tout aussi capable de survivre aux tempêtes destructrices. Et ce poids plus léger pourrait signifier des machines 20 à 25 % moins chères que les grandes turbines d'aujourd'hui.

Les efforts antérieurs pour des conceptions plus légères étaient des échecs universels - désactivés ou détruits, certains en quelques semaines, par le vent lui-même. Compte tenu de ces échecs, les experts éoliens sont naturellement prudents quant à la dernière tentative de conception légère. Mais la plupart conviennent que les éoliennes légères, si elles fonctionnent, changeront l'équation économique. La question deviendrait : comment construire la capacité de transmission assez rapidement pour suivre la croissance », déclare Ward Marshall, développeur d'énergie éolienne chez American Electric Power, basé à Columbus, OH et membre du conseil d'administration de l'American Wind Energy Association, un groupe professionnel. Vous auriez beaucoup de gens prêts à vous inscrire.

Et, disent les experts, le prototype Rocky Flats conçu par Wind Turbine de Bellevue, WA est le meilleur espoir depuis des années pour une conception légère qui réussira enfin. Je peux dire sans équivoque qu'il s'agit d'une étape spectaculaire dans la technologie des éoliennes légères, déclare Bob Thresher, directeur du National Wind Technology Center de Rocky Flats. Personne d'autre n'a construit une machine aussi flexible et l'a fait fonctionner.

Stable pendant qu'elle souffle

Les éoliennes sont comme des ventilateurs géants qui tournent à l'envers. Au lieu de pales motorisées qui poussent l'air, ils utilisent des profils aérodynamiques qui captent le vent et lancent un générateur qui pompe de l'électricité. De nombreuses turbines d'aujourd'hui sont des machines gigantesques avec des rotors à trois pales qui s'étendent sur 80 mètres à 20 mètres de plus que l'envergure d'un Boeing 747. Et c'est là que réside le défi technologique. La taille énorme est nécessaire pour que les éoliennes commerciales soient compétitives sur le plan économique, car la production d'électricité augmente de façon exponentielle avec la longueur des pales. Mais ces vastes structures doivent être suffisamment robustes pour supporter des coups de vent et des turbulences extrêmes.

Dans les années 1970 et 1980, les pionniers américains de l'énergie éolienne ont fait les premiers efforts sérieux pour combattre ces forces avec des machines légères et flexibles. Plusieurs startups ont installé des milliers de telles éoliennes ; la plupart ont été littéralement déchirés ou désactivés par des rafales. Poussant l'expérimentation légère à l'extrême, General Electric et Boeing ont construit des prototypes beaucoup plus grands, des mastodontes avec des pales de 80, 90 et même 100 mètres de long. Ceux-ci se sont également avérés sujets à la panne; dans certains cas, leurs lames se sont repliées et ont même heurté les tours.

Au total, les entreprises américaines et le ministère de l'Énergie ont dépensé des centaines de millions de dollars pour ces expériences ratées dans les années 1980 et au début des années 1990. Le modèle américain s'est toujours tourné vers la lumière et le sophistiqué et les choses qui ne fonctionnaient pas, explique James Manwell, ingénieur en mécanique qui dirige le laboratoire de recherche sur les énergies renouvelables de l'Université du Massachusetts à Amherst, MA.

Dans ce marasme technologique ont navigué des chercheurs du laboratoire national danois de Ris et des entreprises danoises comme Vestas Wind Systems. Au cours des deux dernières décennies, ils ont mis au point une version robuste de l'éolienne, qui est devenue le Microsoft Windows de l'industrie éolienne. Aujourd'hui, cette conception danoise représente la quasi-totalité de l'électricité produite par le vent dans le monde. Reflétant peut-être les inclinations nationales, ces conceptions danoises robustes avaient peu de l'éclat aérodynamique des éoliennes américaines antérieures; ils étaient simplement calés contre le vent avec de l'acier et des matériaux composites plus lourds et plus épais. Ils étaient solides, robustes et ils fonctionnaient.

De plus, ces dernières années, l'électronique de puissance - des commutateurs numériques en silicium qui massent le flux d'électricité de la machine - ont encore amélioré la conception de base. Auparavant, le rotor de la turbine était maintenu à un taux de rotation constant afin que sa sortie de courant alternatif soit synchronisée avec le réseau électrique ; les nouveaux dispositifs maintiennent la synchronisation tout en permettant au rotor d'accélérer et de ralentir librement avec le vent. Si vous obtenez une rafale, le rotor peut accélérer au lieu de rester assis là et de recevoir la force brute du vent, explique Manwell.

La maîtrise de telles variétés a permis au design danois de devenir de plus en plus gros. Alors qu'au début des années 1980, une machine commerciale typique avait une portée de lame de 12,5 mètres et pouvait produire 50 kilowatts, assez pour environ une douzaine de foyers, les plus grandes lames d'aujourd'hui s'étendent sur 80 mètres et produisent deux mégawatts ; une seule machine peut alimenter plus de 500 foyers.

Le défi le plus récent auquel la conception danoise est confrontée est de trouver des moyens de résister à l'environnement offshore corrosif et pénible, où des mois peuvent s'écouler avant qu'un mécanicien puisse monter à bord et réparer une turbine en toute sécurité. Vestas, pour sa part, équipe ses turbines de capteurs sur chacun de leurs composants pour détecter l'usure, et de systèmes de secours pour prendre le relais en cas, par exemple, d'une panne de l'électronique de puissance.

L'approche de Vestas est mise à l'épreuve cet été, alors que le fournisseur d'électricité du Danemark commence à installer 80 machines Vestas dans des eaux peu profondes à 14 à 20 kilomètres de la côte danoise. Ce sera le plus grand parc éolien offshore au monde, alimentant jusqu'à 150 000 foyers danois.

Ombres du vent

Ces mises à niveau rendront les grosses turbines lourdes plus fiables, mais elles ne représentent pas un changement fondamental dans l'économie de l'énergie éolienne. Des pays comme le Danemark et l'Allemagne sont prêts à payer pour l'énergie éolienne en partie parce que les combustibles fossiles sont beaucoup plus chers en Europe, où des taxes plus élevées couvrent les coûts environnementaux et sanitaires associés à leur combustion. (Environ 20 % de l'électricité du Danemark provient du vent.) Mais pour que l'énergie éolienne soit vraiment compétitive par rapport aux combustibles fossiles aux États-Unis, la technologie doit changer.

Ce qui fait de la conception Rocky Flats de Wind Turbine un tel départ, ce n'est pas seulement ses pales articulées, mais aussi leur orientation sous le vent. La conception danoise fait face aux pales face au vent et rend les pales lourdes afin qu'elles ne se replient pas et ne heurtent pas la tour. La conception de l'éolienne ne peut pas faire face au vent - les pales articulées heurteraient la tour - le rotor est donc positionné sous le vent. Enfin, il utilise deux lames, plutôt que les trois dans la conception traditionnelle, pour réduire davantage le poids.

Les progrès dans la modélisation informatique de forces dangereuses telles que les vibrations ont aidé au développement de la conception. Les lames flexibles ajoutent une dimension supplémentaire au mouvement de la machine ; il en va de même du fait que l'ensemble de la machine peut pivoter librement avec le vent. (Les conceptions traditionnelles sont entraînées pour faire face au vent, puis verrouillées en place.) Prédire, détecter et prévenir les catastrophes, comme des vents changeants rapidement qui font basculer un rotor contre le vent et envoient ses pales flexibles dans la tour, sont des défis de contrôle même avec la meilleure conception. Si vous ne comprenez pas bien, la machine peut littéralement se battre à mort, déclare Ken Deering, vice-président de l'ingénierie de Wind Turbine.

Il y a deux ans, lorsque le prototype de Wind Turbine a été érigé à Rocky Flats, on craignait que cette machine, elle aussi, ne se batte à mort. Thresher dit que certains de ses employés craignaient que la machine, comme ses prédécesseurs des années 1980, n'échappe pas longtemps à la ferraille. Aujourd'hui, malgré quelques revers mineurs, ces doutes s'estompent.

Enhardie par ses premiers succès, Wind Turbine a installé, près de Lancaster, en Californie, un deuxième prototype, avec une envergure de pale plus grande de 48 mètres. D'ici la fin de l'année, la société prévoit d'augmenter la longueur des pales de cette machine à 60 mètres de taille commerciale. De plus, ce nouveau prototype a une tour plus mince, visant à réduire le bruit sourd - connu sous le nom d'ombre de vent - qui peut se produire chaque fois qu'une pale traverse la zone d'air turbulent derrière la tour. Et avec son poids plus léger, la turbine pourrait être montée au sommet de tours plus hautes, atteignant des vents plus rapides.

Encalminé

Quelles que soient les avancées technologiques, cependant, l'industrie éolienne est toujours confrontée à des obstacles importants, à commencer par un soutien politique incertain aux États-Unis. En Europe, l'énergie éolienne est déjà une vente relativement facile. Mais aux États-Unis, les développeurs éoliens comptent sur les crédits d'impôt fédéraux pour réaliser des bénéfices. Ces crédits vitaux se heurtent à l'opposition chronique de puissants lobbies du pétrole et du charbon et sont souvent annulés. L'industrie éolienne s'est précipitée pour brancher ses éoliennes avant l'expiration de ces crédits à la fin de l'année dernière, puis est restée en sommeil pendant les trois mois qu'il a fallu au Congrès américain pour les renouveler. Le Congrès a prolongé les crédits jusqu'à la fin de l'année prochaine, lançant ce qui sera probablement encore un autre cycle de développement de démarrage et d'arrêt.

Un deuxième obstacle à une large adoption est le vent lui-même. Il est peut-être gratuit et largement accessible, mais il est également frustrant d'incohérence. Demandez à n'importe quel marin. Et cette inconstance se traduit par une production d'électricité intermittente. Plus les turbines sont construites, plus leur intermittence compliquera la planification et la gestion des grands flux d'énergie à travers les réseaux électriques régionaux et nationaux. En effet, dans l'ouest du Texas, un récent boom de la construction d'éoliennes met à rude épreuve les lignes de transmission de la région et produit également de l'électricité en décalage avec les besoins locaux : le vent souffle pendant les nuits fraîches et cale pendant les journées chaudes où les gens ont le plus besoin d'électricité.

Les services publics du Texas corrigent le problème en étendant les lignes de transmission. Mais pour vraiment saisir la valeur de l'énergie éolienne à grande échelle, de nouvelles approches sont nécessaires pour stocker l'énergie éolienne lorsqu'elle est produite et la libérer en cas de besoin. L'Electric Power Research Institute, un consortium de R&D financé par les services publics à Palo Alto, en Californie, mène des recherches sur la façon de faire de meilleures prévisions de vent un jour à l'avance. Plus important encore, il explore des moyens de stocker l'énergie lorsque le vent souffle. Nous devons penser à exploiter un système électrique plutôt que de nous concentrer uniquement sur les éoliennes, explique Chuck McGowin, responsable de la technologie éolienne à l'institut. Les installations de stockage nous permettraient d'utiliser ce que nous avons plus efficacement, d'en améliorer la valeur.

Dans le nord-ouest des États-Unis, une option de stockage développée par la Bonneville Power Administration, basée à Portland, OR, équilibre l'énergie éolienne avec l'énergie hydroélectrique. L'idée est simple : quand le vent souffle, ne pas laisser passer l'eau dans les turbines hydroélectriques ; les jours calmes, ouvrez les portes. Et la Tennessee Valley Authority expérimente même le stockage de l'énergie dans des piles à combustible géantes ; une usine pilote est en construction dans le Mississippi.

L'énergie éolienne fait face à de nombreux obstacles, mais il y a plus de raisons que jamais de croire que ces obstacles seront surmontés. Les inquiétudes concernant les effets environnementaux de la combustion de combustibles fossiles et les préoccupations politiques concernant une dépendance excessive au pétrole stimulent un boom de la construction d'éoliennes. Mais ce sont les progrès de la technologie elle-même, créés par d'importants efforts de recherche continus, qui pourraient fournir l'impulsion la plus critique pour une utilisation accrue de l'énergie éolienne.

À Rocky Flats, quatre rangées de turbines de recherche - un total d'une douzaine de machines allant de chargeurs de batterie de 400 watts à des machines de 600 kilowatts prêtes pour le réseau - partagent une plaine de 115 hectares parsemée de rochers. Avec les Montagnes Rocheuses en toile de fond, leurs lames se brisent contre les brises qui soufflent du canyon El Dorado à l'ouest. Au moins, ils le font la plupart du temps. Nous avons beaucoup de jours calmes, en été en particulier, et pour un site de test, il est bon d'avoir un mélange, dit Thresher.

Les jours calmes peuvent être bons pour la recherche sur les éoliennes, mais ils restent parmi les plus grandes préoccupations hantant la commercialisation des éoliennes. Alors qu'aucune technologie ne peut faire souffler le vent, des technologies moins coûteuses et fiables semblent prêtes à affronter son inconstance. Et cela pourrait signifier qu'une éolienne va bientôt germer au sommet d'une colline venteuse près de chez vous.

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