Quel est le potentiel global d’énergie éolienne ?

Quel est le potentiel global d’énergie éolienne ?

6 février 2020 Par Cyril Pitrou

Les éoliennes modernes sont désormais très proches de leur rendement maximal théorique. Quelle puissance électrique pourrait-on récupérer uniquement avec le vent en déployant massivement des parcs éoliens sur la surface du Globe ?

Qu’est-ce que l’énergie du vent ?

Nous recevons du soleil une puissance moyenne de 120 PW (ou 120 000 TW), en ayant déjà soustrait la partie réfléchie vers l’espace à cause de l’albedo de la Terre. De toute cette énergie reçue, environ 1 PW est converti en convection de l’air (plus précisément environ 0.9 PW = 900 TW), c’est-à-dire en énergie cinétique associée aux déplacements des masses d’air. Pour une fois, on ne peut pas dire que c’est du vent, car c’est considérable ! On remarque que seulement une petite proportion (un peu moins de 1%) de la puissance reçue du soleil est convertie en mouvement de l’air, puisque ce qui met l’air en mouvement est la différence de puissance chauffante entre les diverses régions du Globe, et non la puissance chauffante totale.

Pour comparaison, l’humanité consomme une puissance primaire de 15 TW, soit 0.015 PW. C’est 60 fois moins que les 900 TW de la convection de l’air, ce qui au premier abord encourage à être très optimiste pour cette source d’énergie. Au passage, notons que la bonne unité de puissance est soit le PW (=1000 TW) quand on s’intéresse aux puissances des phénomènes physiques concernant la Terre, soit le TW (=1000 GW) lorsqu’on s’intéresse aux puissances énergétiques utilisées par l’humanité dans sa globalité, et le GW lorsqu’on étudie séparément le cas d’un pays.

L’énergie reçue par l’atmosphère sous forme de convection ne fait pas que s’accumuler, sinon les vents seraient chaque jour un peu plus forts ! L’atmosphère a atteint un équilibre où elle perd également la même quantité d’énergie à cause des phénomènes de dissipation. Physiquement, cette énergie cinétique est progressivement transformée en énergie d’agitation thermique, c’est-à-dire en chaleur. Cela se passe pour une grande partie au sein de l’atmosphère qui frotte sur elle même à chaque fois qu’une couche d’air n’a pas la même vitesse que sa voisine, mais également au niveau du sol, avec l’atmosphère qui accroche le sol. Ces pertes au niveau du sol (on dirait dans la couche limite en physique des fluides) représentent un tiers de la puissance dissipée en chaleur, soit 300 GW. Ce chiffre n’est pas déterminé avec une très grande précision, et Miller et al. 2010 estiment que ce serait plutôt la moitié des pertes qui se font dans la couche limite proche du sol, soit un chiffre plus autour de 450 GW.

L’idée à la base de la production d’énergie éolienne, c’est précisément d’extraire l’énergie cinétique via les pales d’une éolienne (et ensuite de l’utiliser pour actionner un alternateur produisant de l’électricité), plutôt que de laisser bêtement les phénomènes dissipatifs transformer celle-ci en chaleur. La question naturelle qui se pose alors est de savoir quelle fraction est récupérable dans le meilleur des cas. Par ailleurs, si on pouvait tout récupérer, on arrêterait la circulation de l’atmosphère, ce qui poserait un problème majeur pour les pluies, et donc les cultures ! On pourrait également penser qu’on refroidirait l’atmosphère puisqu’il manquerait une quantité non négligeable de chaleur normalement fournie par dissipation, mais celle-ci ayant servi à produire de l’électricité, elle terminerait également (via nos usages énergétiques) en chaleur, si bien que rien ne changerait globalement.

Deux méthodes pour estimer le potentiel global

En abordant le problème sous l’angle des ordres de grandeur, on pourrait être tenté de conclure que l’énergie éolienne a un potentiel considérable. En effet si on rapproche les 15TW de notre consommation des 900 TW de dissipation du vent, on conclut qu’il nous faudrait simplement en capter un peu moins de 2% pour vivre dans un monde d’abondance énergétique. Le diable se loge dans les détails, comme toujours, et il nous faut être beaucoup plus méthodique pour estimer le potentiel éolien global.

Il existe deux méthodes pour estimer la fraction récupérable :

  • La première consiste à partir de l’énergie cinétique disponible dans l’atmosphère et à simuler l’impact qu’aurait un déploiement généralisé à la surface du globe. Le potentiel est alors déterminé en prenant en compte les modifications de circulation de l’air en utilisant des modèles de circulation comme pour ceux utilisés dans la modélisation du climat. Lorsque les vents ralentissent trop, alors l’extraction de l’énergie éolienne chute puisqu’elle va comme le cube de la vitesse de l’air. Il s’agit d’une approche top down dans le jargon, c’est-à-dire du général au particulier. Cette méthode a tendance à surestimer le potentiel en ignorant les difficultés concrètes liées à l’implantation d’éoliennes sur le terrain.
  • L’autre méthode est la méthode bottom up, ou du particulier au général. Elle consiste à regarder, terrain par terrain, le potentiel éolien en fonction de la vitesse moyenne des vents, et à regarder quelle est l’implantation maximale d’éoliennes étant données un certain nombre de contraintes, notamment économiques et pratiques. Cette méthode a également tendance à surestimer le potentiel éolien car elle néglige les effets d’un déploiement à grande échelle sur la circulation de l’air, et donc sur l’efficacité de l’extraction d’énergie. On pourrait dire en étant sarcastique que cette méthode consiste en une utilisation non raisonnée de la règle de trois. Plus techniquement, cette méthode est abusivement généreuse car elle ne se soucie guère de la conservation de l’énergie, ce qui est quand même la base de toute physique classique sérieuse.

Malgré les limitations de ces deux méthodes, elles présentent toutes deux l’avantage de fixer l’ordre de grandeur de l’énergie récupérable. Détaillons maintenant certains résultats obtenus avec l’une ou l’autre méthode.

Méthode top down

Tout d’abord, la méthode la plus simple et la moins réaliste consiste à dire que l’on peut récupérer toute l’énergie dissipée au niveau du sol, soit une puissance entre 300 et 450 TW. Voici la carte de répartition de cette dissipation sur le Globe.

Dissipation de l’énergie cinétique de l’air dans la couche limite près du sol. En haut sur tout le Globe, et en bas avec une échelle plus restreinte en ne regardant que les continents. On remarque que l’ordre de grandeur est toujours de l’ordre de quelques Watts par mètre carré. Source : Miller et al. 2011 .

Il faut néanmoins prendre en compte l’efficacité maximale théorique des éoliennes. Il est globalement impossible de récupérer plus de 59% de la puissance du vent, et en pratique un peu moins de 50% dans les conditions optimales de fonctionnement. Le reste ne peut pas être récupéré par les autres éoliennes car il va se perdre pour l’essentiel en turbulence et au final en chaleur, sans qu’on ne puisse rien y faire. Avec cette méthode top down naïve, on obtient déjà un maximum infranchissable compris entre 150 TW et 225 TW. Si on se restreint aux zones terrestres non glacées, on est donc plutôt autour de 50 TW. C’est beaucoup plus que la consommation d’énergie mondiale, mais si celle-ci croit de 2% par an, cela deviendra du même ordre de grandeur dans 50 ans, puis très inférieur dans un siècle. Pour rappel, les usages énergétiques liés au numérique dans sa globalité sont en croissance d’environ 9% par an.

Cette méthode top down la plus naïve possible est un simple calcul de coin de table permettant de se rendre compte des limites de cette source d’énergie, mais les limites obtenues sont clairement irréalistes. Pour faire simple, si toute la dissipation au niveau du sol était réalisée par des éoliennes, les vents seraient complètement modifiés, si bien que la source d’énergie en serait affectée. Il est certes légitime d’estimer de manière optimiste le potentiel éolien global, mais cela doit se faire en prenant en compte la rétroaction de l’utilisation de l’énergie éolienne sur ce potentiel. Les éoliennes extraient l’énergie du vent, et celui-ci est également modifié par cette extraction. En prenant en compte ces modifications, ce qui implique donc l’utilisation de modèles de circulation comme ceux utilisés dans l’étude du climat, Miller et al. 2011 estiment ainsi que le potentiel éolien maximal est plutôt compris entre 18TW et 34TW, en se restreignant à un déploiement sur les terres non glacées. Toujours supérieur à la consommation énergétique globale, mais pas non plus la corne d’abondance.

On peut comprendre la raison physique derrière cette limitation assez facilement. Dans les grands parcs d’éoliennes, celles-ci sont disposées dans chaque rangée à quelques diamètres de rotor les unes des autres (autour de 5). Les éoliennes étant désormais proche de l’efficacité maximale théorique, après avoir traversé quelques rangées l’air a été complètement ralenti entre le sol et le haut des éoliennes. Typiquement pour des éoliennes de 8 MW, il s’agit des 200 premiers mètres d’altitude. Pour pouvoir continuer à extraire de l’énergie de l’atmosphère, il faut que la partie de l’atmosphère située au dessus transfère de l’énergie, c’est-à-dire accélère l’air située tout en bas. L’énergie cinétique de l’atmosphère doit donc être transférée verticalement, du haut vers le bas. Ce processus a nécessairement une efficacité limitée et cela explique pourquoi les modèles top down arrivent à la conclusion que seule une petite partie de toute l’énergie éolienne est récupérable.

Par ailleurs, ce qui est intéressant dans l’utilisation de modèles de circulation pour déterminer ce potentiel théorique global, c’est que cela permet également de regarder comment le climat serait modifié par une telle extraction d’énergie éolienne. Les auteurs concluent malheureusement que la moindre circulation de l’air modifierait complètement le climat, certes localement, mais de manière assez similaire en amplitude à un doublement de la concentration de CO2. Le but d’un déploiement à grande échelle de l’éolien étant précisément de préserver notre climat et non de le ruiner, on bute donc sur une limitation fondamentale. Le potentiel théorique maximal, tel que calculé selon cette approche top down, est certes considérable, mais il serait désastreux de l’utiliser entièrement. Cependant, il ne serait pas question d’un réchauffement global, mais plutôt de changements de température en positif et en négatif selon les zones du globe. J’ajoute que la question de l’impact climatique d’un déploiement généralisé reste cependant un point controversé.

Méthode bottom up

Les méthodes bottom up ont le mérite de prendre en compte de nombreux détails concernant la faisabilité du déploiement d’éoliennes en fonction des types de terrain. Ces approches partent donc d’une carte des vents et des terrains, et regardent les solutions techniques pour le déploiement dans chaque zone. Il s’agit de savoir ce qu’on peut faire en sachant ce qui existe (la technologie et l’aménagement existant du territoire).

Si cette méthode est utilisée très naïvement elle aboutit rapidement à des résultats absurdes. L’étude de Enevoldsen et al. 2019 est particulièrement emblématique. Les auteurs de cet étude concluent que le déploiement de l’éolien terrestre en Europe permettrait d’installer 52.5 TW de capacités éoliennes. Ils indiquent que cela produirait chaque année 138 000 TWh, correspondant à une puissance moyenne de 15,75TW. La surface terrestre de l’Europe étant en gros 7% de celle de tous les continents, on vise un potentiel global autour de 225 TW uniquement sur les continents. Et comme dans cette étude on a considéré que seulement la moitié du territoire européen était recouverte d’éoliennes, c’est-à-dire 5 millions de km2 sur les 10 de l’Europe géographique (à cause des villes, des infrastructures déjà existantes, des parcs naturels, des montagnes etc…), il faudrait encore multiplier ce chiffre par deux pour frôler les 450 TW. Par ailleurs, si on choisit de déployer en mer de manière généralisée (en ne se restreignant pas aux zones peu profondes proches du littoral comme c’est le cas actuellement), on vise une extraction qui dépasse sans problème les 1000 TW, soit plus que l’énergie cinétique totale dissipée dans l’atmosphère. L’estimation du potentiel éolien tel qu’évalué par la méthode bottom up sans contrainte physique va donc très au-delà de la limite infranchissable calculée plus haut en prenant en compte la totalité de la puissance du vent récupérable. En général toutes les études bottom up souffrent de ce problème puisqu’elles ne regardent jamais l’effet de l’extraction d’énergie éolienne sur la circulation des vents. Bosch et al. 2017 n’échappe pas à la règle puisque cette étude conclut qu’avec la seule partie des terres qu’il est raisonnable d’équiper (un petit tiers, soit 40 millions de km2) on pourrait générer 66 TW d’électricité. En exploitant ensuite à fond l’éolien en mer, on obtiendrait de même un potentiel global de l’ordre de la limite infranchissable.

Malheureusement des études comme Enevoldsen et al. 2019 sont en fait dirigées à l’attention du monde médiatique vaguement spécialisé dans les questions environnementales (BBC Science, Brink news, Science Alert, RechargeNews, EnerGeek, BusinessGreen, Anthropocene Magazine, GreenTechNews..) qui agit comme une caisse de résonance afin que l’information soit reprise par les journaux généralistes (Independent, London Economic), participant ainsi à ancrer une vision techno-optimiste du futur. On est tenté de penser que son but est de couper court à toute réflexion de fond sur les arbitrages optimaux entre les différentes formes d’énergies, étant donnés les inconvénients et limitations de chacune. En frappant fort les esprits d’une idée simple mais fausse (l’Europe pourrait fournir l’énergie du monde !), on espère ainsi contourner les obstacles qu’une réflexion complexe sur notre développement futur pourrait dresser sur un secteur industriel. On observe d’ailleurs que la liste des auteurs de Enevoldsen et al. 2019 est composée d’ingénieurs d’entreprises impliquées dans le déploiement d’éoliennes (Siemens Gamesa, Envision Energy) ou bien de personnel affilié à des business schools. Tout ce qui est publié ne se vaut pas, surtout si c’est dans une revue d’économie. Elles évoluent en général au sein d’un monde sans lois physiques, et inversement les économistes qui les prennent en compte doivent dérouler une carrière en marge de l’économie mainstream.

Le meilleur des deux mondes

Puisque chaque méthode a ses avantages — la méthode top down prenant en compte la formation et la circulation des vents, et la méthode bottom up les limites techniques sur les éoliennes et l’aménagement du territoire — ne peut-on pas les combiner pour avoir une estimation bien plus fine du potentiel éolien global ? Peut-on prendre en compte à la fois les limites physiques et les limites techniques ? C’est pour répondre à cette question que Dupont et al. 2018 ont proposé une manière simplifiée de prendre les limites physiques en compte, tout en ayant une description fine des limites techniques.

Dans cette étude, les auteurs prennent tout d’abord en compte toutes les caractéristiques du territoire afin de déterminer le déploiement possible. Ils excluent par exemple les villes, les parcs naturels, et se contentent d’inclure les zones en mer à moins de 200km des côtes (les eaux territoriales) ayant une profondeur inférieure à 1000m. Ils obtiennent alors que 58 millions de km2 sur terre et 15 millions de km2 en mer peuvent être équipés.

Pourcentage du terrain disponible pour le déploiement d’éoliennes. Source : Dupont et al. 2018.

Ensuite les limites physiques sont incluses par deux facteurs limitants. Tout d’abord, ils considèrent la réduction d’efficacité dans les très grands parcs éoliens en fonction de l’espacement des éoliennes, due au fait que les éoliennes génèrent de la turbulence en aval, et que la haute atmosphère doit continuellement pouvoir transférer de l’énergie cinétique vers le bas. Par exemple, pour un parc infini sur une grille carrée dont le côté est égal à 10 fois le diamètre des rotors, ils considèrent que l’efficacité des éoliennes est réduite de moitié. Ensuite, une seconde limitation consiste à limiter l’extraction d’énergie possible à l’énergie cinétique qui est normalement dissipée dans la zone considérée. Ce qui se serait normalement perdu en frottements a pu être récupéré en partie seulement par les éoliennes, mais il n’y a pas de source miraculeuse d’énergie et on suppose donc qu’on ne peut le dépasser.

Dans ce cadre, le potentiel maximal est estimé autour de 24 TW en équipant 70 millions de km2 . Ce chiffre est très intéressant puisqu’il est légèrement supérieur à la consommation globale d’énergie. Il faut le prendre avec des pincettes, comme toute estimation d’ordre de grandeur, puisque les deux ingrédients pour traduire les limitations physiques sont eux-mêmes entachés d’incertitudes et sont une prise en compte très simplifiée des vraies limitations physiques. Mais cette méthode a le mérite de rester physiquement cohérente par construction, et on vérifie immédiatement que le potentiel maximal trouvé est largement inférieur à la limite infranchissable. Pour comparaison, l’étude de Enevoldsen et al. 2019 sans prise en compte sérieuse des limites physiques arrivait à extraire 15 TW en utilisant seulement 5 millions de km2

Rentabilité

Par ailleurs, grâce à leur approche mixte top down/bottom up, les auteurs peuvent s’intéresser de près à ce que coûterait un déploiement à grande échelle permettant de récupérer une telle puissance. La bonne manière d’estimer un coût n’est bien évidemment pas de regarder le prix, mais plutôt la quantité de matériaux et la quantité d’énergie nécessaires à la fabrication de cet outil de production. Si on laisse le problème des matériaux de côté, il s’agit simplement de regarder quelle énergie il a fallu utiliser pour produire l’outil de production et quelle énergie on a pu produire sur tout son cycle de vie. C’est l’idée derrière le concept de retour énergétique (Energy Returned On Investment ou EROI en anglais). Pour pouvoir extraire ces 24 TW il faudrait en dépenser 4 TW, et de plus il faudrait équiper jusqu’à des zones où l’on gagnerait seulement le double de ce que l’on a investi (EROI = 2). Dans ces zones peu favorables, on investirait une unité d’énergie pour en récupérer trois, et donc on en gagnerait deux. Pour comparaison, l’extraction du pétrole avait un EROI autour de 100 à ses débuts et aujourd’hui il est encore de 18 environ pour le pétrole. Autrement dit, il faut certes de l’énergie pour creuser des trous, mais on en récupère bien plus, si bien que cela est très rentable.

La vraie question concernant le potentiel éolien est donc de savoir quel est le potentiel global étant donné que l’on ne souhaite pas équiper des zones où le EROI est trop ridicule. En se restreignant uniquement à des zones dont le EROI est supérieur à 8, la puissance moyenne extraite tombe à 15 TW, avec un déploiement sur 45 millions de km2. Pour se faire une idée de la surface équipée, il faut se souvenir que la surface de l’Europe géographique est de 10 millions de km2. Par ailleurs cela fait une puissance moyenne par surface équipée de 0.33 MW/ km2, ce qui est inférieur à la valeur habituelle de 1 MW/ km2 pour les parcs éoliens terrestres. La réduction est précisément due à l’effet du déploiement à grande échelle.

Si on souhaite se restreindre à un EROI aussi élevé que pour le mauvais pétrole, donc environ 15, alors on ne peut générer que 0.2 TW (un peu moins du double de la production d’énergie électrique éolienne mondiale actuelle, mais ridicule au regarde de la consommation totale d’énergie) sur une surface de 390 000km2, soit un peu moins que la France. Dans le détail l’essentiel de ce potentiel éolien à fort EROI est en mer, et en Europe il est autour des Iles Britanniques. Enfin, si on souhaite un déploiement plus conséquent, il faut s’abaisser à considérer des zones où le EROI peut descendre jusqu’à 12, ce qui permet d’extraire 3 TW en moyenne en équipant 8 millions de km2.

Zones à équiper pour un EROI supérieur à 12.
Source : Dupont et al. 2018.
Zones à équiper en Europe pour un EROI supérieur à 12.
Source : Dupont et al. 2018.

L’énergie éolienne évoluerait alors en gros autour de 20% dans le mix énergétique mondial total (toute l’énergie, pas uniquement l’électricité), et c’est ensuite une question de point de vue pour savoir si c’est trop peu ou si au contraire cette source d’énergie est très intéressante. Une chose est certaine, l’éolien ne pourra jamais permettre une croissance de 2% par an de notre consommation énergétique pendant tout un siècle, ce qui est pour l’instant notre tendance actuelle. Enfin, si un déploiement massif est choisi, il faut alors sérieusement se pencher sur le problème de l’intermittence, qui est également une limitation physique majeure, mais cette fois-ci du côté de l’utilisation de l’énergie.

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