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"L’énergie éolienne pourrait fournir 40 fois plus d’électricité que les besoins mondiaux" par le Dr. Mae-Wan Ho

Traduction et compléments de Jacques Hallard
mardi 5 octobre 2010 par Ho Dr Mae-Wan

L’énergie éolienne pourrait servir à électrifier le monde ou à fournir plusieurs
fois les besoins énergétiques actuels , et pas nécessairement avec des
turbines de grandes dimensions et de vastes parcs éoliens Dr. Mae-Wan Ho

  Rapport de l’ISIS en date du 05/10/2009

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  L’énorme potentiel de l’énergie éolienne

Les éoliennes installées sur le milieu terrestre pourraient fournir plus de 40 fois la
consommation actuelle d’électricité mondiale, soit plus de cinq fois l’énergie des besoins
totaux au niveau mondial.

C’est la dernière évaluation qui a fait appel aux données
concernant les vents, obtenues à partir de sources météorologiques [1].

Un réseau de 2,5 mégawatt (MW), à partir de turbines terrestres, mais excluant les zones
boisées, glacées, ainsi que les zones urbaines, et ne fonctionnant qu’à 20 pour cent de
ses capacités nominales, ferait l’affaire, compte tenu du fait que le vent ne souffle pas
constamment. Pour mettre cela en perspective, les éoliennes installées aux Etats-Unis en
2004 et 2005 fonctionnent en moyenne à 36 pour cent de leur capacité nominale.

Pour les États-Unis, les États situés dans les plaines centrales pourraient accueillir des
éoliennes qui seraient capables de fournir 16 fois plus que la demande actuelle totale
d’électricité dans ce pays.

L’énergie éolienne est sur une pente ascendante : elle représentait 42 pour cent de
toutes les capacités des nouveaux systèmes électriques qui ont été ajoutés aux États-
Unis en 2008, mais ce n’est encore qu’une infime fraction de la capacité totale : 25,4 GW
sur un total de 1.075 GW. Le Global Wind Energy Council, un Conseil mondial pour les
énergies éoliennes, a projeté une augmentation de 17 fois la production éolienne
d’électricité au niveau mondial d’ici 2030.

  Simulation de champs éoliens mondiaux, fondée sur l’état des données disponibles les plus récentes

Xi Lu et Michael McElroy de l’Université Harvard, à Cambridge, dans le Massachusetts
aux États-Unis et Juha Kiviluoma du Centre de recherche technique de Finlande, ont
fondé leur étude sur une simulation des champs des vents mondiaux, à partir des
données de la version 5 du Goddard Earth Observing System Data.

L’Assimilation System (GEOS-5 DAS) qui inclut, à l’échelle mondiale, des données
météorologiques d’une grande diversité de sources, notamment des mesures de surface
et par sondes, des mesures et des observations réalisées à partir d’avions, de ballons, de
navires, de bouées, de sondes larguées (sondes radio parachutées) et de satellites : une
gamme de données qui peuvent fournir le monde avec les meilleures prévisions
météorologiques, amplifiées par l’application de ces données dans une analyse
rétrospective.

Les turbines basées sur la terre ferme sont supposées avoir une capacité nominale de
2,5 MW, et 3,6 MW avec des turbines un peu plus grandes et déployées au large des
côtes, afin de tenir compte du coût plus élevé de la construction et de l’incitation
économique à construire des turbines plus grandes pour capter les vitesses des vents
supérieures qui sont disponibles en mer.

Pour l’implantation des éoliennes sur les terres, l’étude a exclu les régions densément
peuplées et les zones occupées par les forêts et les milieux caractérisés par des
couvertures permanentes de neige et de glace (notamment au Groenland et en
Antarctique). Les turbines installées offshore, en mer, ont été limitées à des profondeurs
d’eau de moins de 200 mètres et à des distances maximales des côtes de 92.6 km.

L’espacement optimal des éoliennes, dans un parc d’éoliennes individuelles, exige un
compromis entre les différents coûts : turbines, développement du site, pose de câbles
électriques, ainsi que les opérations de routine et d’entretien.

Les éoliennes doivent être
espacées de façon à minimiser les interférences dans le flux d’air et elles exigent un
compromis entre la puissance maximale de production par turbine et le nombre
maximum de turbines installées par unité de surface.

Par exemple, une limitation de la perte d’énergie globale à moins de 20 pour cent, exige
un espacement sous le vent supérieur à 7 fois le diamètre de rotor, et pour un vent de
travers, un espacement de plus de 4 fois le diamètre.

Le rendement en puissance du potentiel maximum est censé n’être que partiel (20 pour
cent), pour bien tenir compte de la variabilité des vents au cours d’une année.
De cette façon, une carte du monde du potentiel annuel de l’énergie éolienne (en W/m2)
a été obtenue, ainsi que le potentiel pays par pays, en distingant les potentiels terrestres
et en mer [off shore].

  Le potentiel de l’énergie éolienne à travers le monde

Le total des sources énergétiques potentielles pour l’énergie éolienne, au niveau
mondial, est estimé à 2.470 EJ (1 exajoule = 1018 Joules).

Le tableau 1 présente le potentiel éolien des 10 pays identifiés comme les plus grands
émetteurs de CO2 en 2005, bien que la Chine ait dépassé les États-Unis et qu’elle soit le
pays le plus gros émetteur en 2006.

Tableau 1. Vent du potentiel d’énergie pour les 10 plus grands pays émetteurs
de CO 2

Comme on le voit, l’énergie éolienne pourrait fournir près de 18 fois la consommation
d’électricité pour la Chine, dont la majeure partie, 89 pour cent, pourrait être dérivée à
partir de turbines éoliennes terrestres.

Le potentiel des États-Unis est de 23 fois la consommation actuelle d’électricité, dont une
grosse partie, 84 pour cent, qui serait fournie par des éoliennes sur terre.
Le potentiel éolien du Royaume-Uni est de 30 fois sa consommation d’électricité, avec
41,5 pour cent provenant du milieu terrestre.

En terme de potentiel d’énergie éolienne, on classe la Russie en numéro un, suivie par le
Canada, et les États-Unis en troisième position. Cependant, une grande partie du
potentiel d’énergie éolienne en Russie et au Canada serait située à une grande distance
des centres où se trouvent les populations.

  L’énergie éolienne aux Etats-Unis

Aux États-Unis, des pics saisonniers d’électricité, deux fois par an, en été et en hiver,
respectivement, sont séparés par des minima au printemps et en automne. La demande
est plus grande en été en raison de la climatisation, alors qu’elle passe par un minimum
au printemps / automne généralement, d’environ 25 à 35 pour cent. Il existe une
corrélation négative entre les moyennes mensuelles de la production d’énergie éolienne
et la consommation d’électricité.

Une très grande puissance d’énergie éolienne peut produire de l’électricité en excès
pendant une grande partie de l’année. Cela permet l’option d’une conversion de
l’électricité sous d’autres formes d’énergie.

Par exemple, le plug-in , le branchement de
véhicules automobiles hybrides (fonnctionnant partiellement avec l’électricité)
pourraient profiter des excès à court terme dans le système électrique, tandis que des
produits chimiques riches en énergie, tels que l’hydrogène H2 - provenant de
l’électrolyse de l’eau - pourraient offrir une plus longue durée de stockage [2]
(Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis, SiS 43).

Le potentiel annuel de l’éolien terrestre, considéré Etat par État, montre une forte
concentration des ressources dans les grandes plaines centrales, s’étendant vers le
nord du Texas jusqu’aux Dakota Nord et Sud, vers l’ouest, au Montana et au Wyoming, et
vers l’est, au Minnesota et dans l’Iowa. Les ressources dans ces états pourraient fournir
16 fois la demande totale de courant nécessaire aux États-Unis.

Du fait que la ressource
est sensiblement supérieure à la demande locale, il faudrait étendre le réseau existant de
transmission de la puissance électrique pour exploiter cette ressource.

The Electric
Reliability Council of Texas, l’opérateur responsable de la majeure partie du transport
d’électricité au Texas, estime que le surcoût de transmission allant jusqu’à 4,6 GW
d’électricité éolienne, serait d’environ 180 US $ par kW, soit environ 10 pour cent du coût
en capital, pour l’installation des équipements et du matériel de production d’électricité.

  Micro-génération énergétique avec des turbines éoliennes de petite puissance

L’étude montre de façon convaincante que l’énergie éolienne peut fournir plusieurs fois
la consommation d’énergie dans le monde, bien que cela implique que des turbines et de
grands parcs d’éoliennes seraient nécessaires, ce qui n’est en fait pas le cas.

Comme le chauffage solaire et l’énergie du photovoltaïque, la micro-production locale de
l’énergie éolienne est tout à fait faisable et elle a été encouragée par le Ministère de
l’Agriculture, de l’Alimentation et des Affaires rurales de l’Ontario, au Canada, depuis
plusieurs années [3]. Il en coûte 2.000 à 8.000 dollars par kilowatt pour acheter une
turbine éolienne de petite puissance, mais cela ne représente que 12 à 48 pour cent du
total des coûts du système d’énergie éolienne, qui comprend les onduleurs et les
batteries, la taxe de vente, les frais d’installation et de main d’oeuvre.

Le coût de
l’énergie produite par les petites éoliennes (<10 kW), sur sa durée de vie, a été estimé à
un montant de 0.07 $ par kWh, pour une turbine à faible coût dans une zone très ventée
et à 0.96 $ par kWh pour une turbine à coût élevé dans un secteur peu venté.

Au Royaume-Uni, la micro production éolienne d’électricité est de plus en plus populaire
auprès des ménages [4]. Le ménage moyen au Royaume-Uni utilise environ 4.000 kWh
par an, qui peuvent être produits avec une turbine éolienne de 1,5 kW. Si une maison est
déjà reliée au réseau national, une turbine éolienne peut remplacer l’alimentation du
secteur.

Lorsque l’éolienne ne génère pas assez d’énergie, l’électricité du réseau est
utilisée. Lorsque l’éolienne produit plus que ce qui est nécessaire, l’excédent peut être
exporté vers le réseau national.

Une turbine éolienne de 1,5 kW coûte environ 3.000 à 5.000 livres sterling (prix 2007).
Le Département britannique pour les Affaires, les Enteprises et la Réforme des
Réglementations, (Business Enterprise and Regulatory Reform, BERR) gère un
programme de bâtiments à faible émission de carbone, qui accorde des subventions pour
les technologies de micro-génération pour les ménages, ainsi que pour les bâtiments
publics [5].

Les micro-technologies de production aidés financièrement comprennent l’électricité
solaire, les éoliennes, les turbines au fil de l’eau (hydroélectricité à petite échelle), les
chauffe-eau solaires, les pompes à chaleur géothermiques, les pompes à chaleur à air et
les chaudières au bois (biomasse), les chaudières à granulés de bois, ou pellets,
chargées automatiquement (biomasse), la production combinée de chaleur et d’énergie
[cogénération] et enfin les piles à combustible.

Le coût actuel de la micro-production éolienne est encore assez élevé, mais il pourrait
être réduit considérablement. William Kamkwamba, d’un village éloigné au Malawi, a
construit sa première éolienne à partir de ferrailles, quand il n’avait que 14 ans, et
Max Robson au Royaume-Uni a été inspiré pour produire un prototype de turbine
éolienne Envirocycle Scrap avec un budget de 20 £ ; il estime le coût sur le marché à
2.000 £ [6] (Harnessing the Wind with Scrap, SiS 44).

Ces solutions de micro-
production à faible coût sont particulièrement appropriées pour les pays en
développement.

  Enfin une micro-turbine éolienne à bas prix ?

Dans un autre développement, John Gregg, un expert international dans l’électronique
de spin et dans l’instrumentation magnétique, à l’Université d’Oxford au Royaume-Uni, a
conçu et construit un prototype de turbine éolienne dans le jardin de sa mère, en
utilisant un moteur à induction standard comme un générateur [7].

Dans une éolienne ordinaire, les pales du rotor tournent sous l’effet du vent et, ce
faisant, elles sont fixées à un axe menant du moyeu du rotor à un générateur. Le
générateur transforme l’énergie de rotation en électricité.

Les générateurs les plus
simples fonctionnent par induction électromagnétique pour produire une tension
électrique - une différence de potentiel électrique -, qui peut conduire un courant
électrique à travers un circuit externe.

Chaque fois qu’un conducteur électrique se
déplace par rapport à un champ magnétique, la tension est induite dans le conducteur.

Si une bobine tourne dans un champ magnétique, alors les deux côtés de la bobine se
déplacent dans des directions opposées, et les tensions induites de chaque côté
s’additionnent pour produire un courant continu à travers le circuit extérieur.

Afin de
s’inscrire dans le courant alternatif à 60 cycles de l’approvisionnement national en
électricité, un onduleur est nécessaire pour convertir le courant continu en courant
alternatif à 60 Hertz ; mais c’est compliqué car la tension produite dépend de la vitesse
du rotor, qui dépend à son tour de la vitesse du vent.

Le coût élevé des éoliennes est dû
aux groupes électrogènes conventionnels, aux onduleurs, aux batteries d’accumulateurs
et aux circuits complexes.

Gregg eut l’idée d’utiliser un moteur à induction (électrique) comme générateur, à la
suite d’une question posée par un étudiant : comment un moteur à induction peut-il
fonctionner en tant que générateur ?

Un moteur électrique utilise l’induction électromagnétique pour créer le mouvement,
qui est le contraire d’un générateur. Il se compose d’un électro-aimant tournant dans un
champ magnétique permanent (ou un autre électro-aimant) sur le principe simple que
des pôles identiques se repoussent et que des pôles opposés s’attirent.

En essayant de répondre à la question de l’étudiant, Gregg a repéré une façon originale
et à très bon marché pour utiliser un moteur à induction en tant que générateur,
essentiellement en le lançant en arrière. Lers moteurs à induction se trouvent partout :
dans les appareils électroménagers, tels que les machines à laver et jusqu’aux machines
industrielles.

L’électricité produite en utilisant un moteur induisant un courant continu ne présente pas
une tension ou une fréquence constante. Mais, Gregg a pris conscience que les éléments
chauffants d’un réservoir d’eau chaude ne sont pas perturbés par des tensions ou des
fréquences variables. « C’est pourquoi nous pouvons le faire à moindre coût et pourquoi
il fonctionne bien, parce que nous ne sommes pas coincés par la nécessité de livrer du
courant à 249 V et 50 Hz », a déclaré Gregg.

Au lieu de cela, Gregg a conçu une méthode brevetée de commande électronique, en
s’inspirant des locomotives suisses. Au lieu d’une boîte mécanique de changement de
vitesse, les changements de vitesse du train se font électriquement quand les
enroulements du champ magnétique du moteur sont activés pour donner une
accélération maximale à toutes les vitesses. « Notre générateur fonctionne de façon
similaire », dit Gregg.

« Parce que le générateur est configuré comme une source
d’énergie constante et qu’il agit efficacement comme un générateur et une boîte de
vitesses électronique, variable et permanente : la turbine à hélices ou ailettes fonctionne
sur le sommet de leurs courbes de performances à tout instant, et toute la puissance
qu’elles fournissent est récoltée et acheminée vers la charge ».

L’éolienne a une hélice plate de six mètres de diamètre et un moteur à induction
standard de 7,5 kW, qui est utilisé comme générateur.

En raison des contraintes liées
aux permis d’urbanisme, elle ne peut pas être placée assez haut pour mettre à profit la
quantité optimale de vent.

Néanmoins, les premiers résultats montrent l’équivalent de 1
kW de puissance continue. L’éolienne fournit de l’électricité pour un réservoir échangeur
de chaleur, qui alimente à son tour le ballon d’eau chaude et alimente également, par le
surplus de chaleur, le chauffage domestique dans l’habitation, permettant ainsi une
économie en combustible fossile, ainsi que sur la facture d’électricité.
Il y a cinq ans, quand tout a commencé, il en aurait coûté 33.000 £ pour installer une
turbine équivalente et disponible dans le commerce.

Avec le co-inventeur Mazhar Bari, Gregg propose désormais une société qui s’inscrit
dans la durabilité, ‘Renewox’, par l’intermédiaire de ‘Isis Innovation’, une organisation de
transfert technologique de l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni.

The Institute of Science in Society, The Old House 39-41 North Road, London N7
9DP
telephone : [44 20 7700 5948] [44 20 8452 2729]
Contact the Institute of Science in Society www.i­sis.org.uk/

  Définitions et compléments en français :

PDF (Traduction en français, définitions et compléments ) sur demande à yonne.lautre@laposte.net

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
honoraire
Adresse : 19 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France
Courriel : jacques.hallard921@orange.fr

Fichier : ISIS Wind Power Could Supply Global Electricity Needs 40 Times Over French version.2


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