COMPRENDRE L'ÉOLIEN
Impact écologique de l'éolien

Cycle de vie de l’éolienne

Fin 2015, Cycleco a réalisé pour l'Ademe une étude du cycle de vie complet d’une éolienne. Ce cycle comprend la fabrication des composants, le transport, la construction, la phase d’exploitation incluant la maintenance, la désinstallation et le recyclage de l’éolienne. Le constat est très positif pour la filière éolienne. Au cours de sa première année d’exploitation une éolienne aura remboursé l’ensemble de l’impact CO2 de son cycle de vie et l’énergie nécessaire à sa construction. L’étude Cycleco de l’Ademe trouve un résultat conservateur de 12 mois alors que l’analyse des constructeurs donne des chiffres allant de 6 à 9 mois de retour énergétique.

« En d’autres termes, sur une durée de vie de 20 ans, une éolienne produit 19 fois plus d’énergie qu’elle n’en nécessite pour sa construction, son exploitation et son démantèlement. »

Source : CGEDD & Conseil général de l’économie – Rapport Economie circulaire dans la filière éolienne terrestre en France 05/2019 (p.21)

 

« Eolien terrestre : le temps de retour énergétique est de 12 mois et le facteur de récolte de 19. 
Retour énergétique : Le retour énergétique permet d'obtenir le taux de rendement énergétique, c’est-à-dire en combien de temps la turbine produit la quantité d'énergie qu’elle a consommée au cours de son cycle de vie. 
Facteur de récolte : Le facteur de récolte permet de connaître le nombre de fois que l’énergie est amortie, c’est-à-dire le nombre de fois que la turbine produit la quantité d'énergie qu'elle a consommée au cours de son cycle de vie.»

Source : Cycleco pour l’Ademe – Rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français – 12/2015 (p.73)

 

C’est la fabrication des composants qui concentre la grande majorité de l’impact en CO2eq nécessaire au cycle de vie de l’éolienne.

Source : Cycleco pour l’Ademe – Rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français – 12/2015 (p.73)

 

Taux de CO2 émis par kWh

Durant sa phase d’exploitation l’énergie éolienne a un niveau d’émission de CO2 très faible. En effet l’éolienne ne nécessite pas de combustible et n’émet pas de CO2 ni de gaz à effet de serre. Elle n’émet pas non plus d’autres polluants atmosphériques tels que SO2, Nox, particules fines ou déchets nucléaires. Elle ne consomme pas d’eau contrairement aux moyens de production classique qui en utilise de grandes quantités dans leur processus de refroidissement. Les opérations de maintenance, liées aux passages des véhicules, sont les principales sources d’émission de CO2 pendant la phase d’exploitation.

Toutefois quand on tient compte de l’ensemble de la durée de vie d’une éolienne soit 20 années les émissions sont estimée à 12,7 gCO2 eq/kWh. Par ailleurs la durée de vie d’une éolienne peut aller jusqu’à 25 voire 30 années ce qui réduit encore ce taux d’émission.

Source : Cycleco pour l’Ademe – Rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français – 12/2015 (p.73)

 

Entre 2012 et 2018, le taux moyen d’émission toutes énergies confondues était de 54 gCO2 eq/kWh en France. Ce taux est plus bas que la moyenne européenne grâce à la part importante du nucléaire français dans le mix électrique (dont les déchets radioactifs ne sont pas comptabilisés). L’éolien a donc un taux d’émission de CO2eq/kWh 4 fois inférieur à la moyenne du parc électrique français.

 « Le taux d'émission du parc français est de 12,7 g CO2 eq/kWh. Le taux d’émission est faible par rapport à celui du mix français, estimé à 79 g CO2/kWh (année de référence 2011).»

Source : Ademe – Impacts environnementaux de l’éolien français – Données 2015

 

L’augmentation constante de la part de l’éolien et du photovoltaïque dans le mix électrique permet de se passer de moyens très polluants comme le charbon et le fioul. Chaque kWh d’énergie fossile remplacé par un kWh éolien permet d’éviter plusieurs centaines de gCO2eq. Voir Interaction entre éolien et charbon/fioul.

 « La production éolienne permet d’éviter le recours aux centrales thermiques à combustibles fossiles et contribue ainsi à diminuer les émissions de CO2 directes pour la production d’électricité. »

Source : Ademe – Les avis de l’Ademe l’énergie éolienne – 04/2016

 

Chaque kWh éolien permet d’éviter entre 500 et 600 grammes de CO2eq, ce calcul se base sur l’historique du mix électrique réellement substitué par l’éolien, le détail du calcul étant précisé dans l’étude. Avec la fermeture progressive en France des moyens de production d’électricité les plus émetteurs de CO2 ce taux d’évitement a tendance à baisser. Le taux conservateur qui est généralement utilisé est celui de 300 gCO2eq par kWh d’éolien.

« Chaque kWh éolien produit a permis d’éviter de l’ordre de 500 à 600 gCO2eq »

Source : Ademe – Filière éolienne française : bilan, prospective et stratégie synthèse – 09/2017 (p.13)

Processus de démantélement

98% des matériaux composants l’éolienne sont aisément recyclables en fin de vie, 95% si l’on exclut la fondation. En effet ces matériaux sont classiques dans l’industrie et la construction ; de l’acier, des métaux comme le cuivre ou l’aluminium et du béton incluant le ferraillage également en acier. Le processus de démantèlement d’une éolienne est globalement l’inverse du chantier de construction.
-    Une grue est amenée sur site pour procéder à la dépose du rotor puis de la nacelle.
-    Les différentes sections du mât sont également désassemblées avant évacuation.
-    Les fondations sont arasées soit en totalité soit sur une profondeur conforme à la réglementation actuelle, par exemple un mètre en milieu agricole.
-    Les chemins et les plateformes sont décaissées sur la totalité de leur profondeur, généralement 30 à 40 cm.
-    De la terre agricole de qualité équivalente à celle environnante est amenée pour remettre en état le site.
La France dispose d’un retour d’expérience limité dans le démantèlement des parcs éoliens car les premières éoliennes de tailles importantes arrivent tout juste en fin de vie. Toutefois les compétences et équipements nécessaires sont classiques dans le BTP et les entreprises françaises existent déjà comme les sociétés Soledra du groupe Lhotellier ou Valrea positionnées sur ce marché en devenir.

Réglementation

Le Code de l’Environnement prévoit spécifiquement les conditions et garantie de démantèlement pour les parcs éoliens :

Source : Arrêté du 26 août 2011 relatif à la remise en état et à la constitution des garanties financières pour les installations de production d’électricité utilisant l’énergie mécanique du vent

Par ailleurs, la remise en état des sites en fin de vie est encadrée par la Préfecture car les parcs éoliens sont des installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE).

Volume des matériaux à recycler

La fondation en béton armé représente la masse la plus importante, près de 3 fois supérieure à celle de l’aérogénérateur. Environ la moitié de la masse de l’éolienne est composée d’acier, dans le cas très majoritaire des mâts en acier (environ 90%). Les masses de composites type fibre de verre voire de carbone représentent moins de 2% du total, il s’agit du poids des pales et d’une partie de la structure de la nacelle.
Composition des matériaux pour une éolienne classique asynchrone avec mât acier :

Matériaux

Composants

Poids

Béton

Fondation

75 %

Acier

Mât et ferraillage des fondations, multiplicateur, génératrice, roulements

18,9 %

Fonte

Moyeu génératrice

3,5 %

Composite

Pales et structure nacelle

1,8 %

Cuivre

Câbles, génératrice, transformateur

0,5 %

Aluminium

Pièces diverses en nacelle, câbles

0,3 %


Source des chiffres : Arrêté du 26 août 2011 relatif à la remise en état et à la constitution des garanties financières pour les installations de production d’électricité utilisant l’énergie mécanique du vent

Recyclage du béton

Le béton après concassage fin est utilisé sur des chantiers de travaux publics comme sous-couches routières ou équivalent voire en matériaux de remblais de carrières. Dans un cas de repowering le béton recyclé peut directement servir sur le chantier pour les voies ou les plateformes ce qui représente un optimum pour le transport. Une autre solution actuellement en recherche & développement est la ré-utilisation de tout ou partie de ce béton concassé pour de nouvelles fondations.
Le recyclage et le traitement du béton ne représente donc pas d’autre impact environnemental que celui des émissions de gaz à effets de serre des véhicules de chantier et du transport routier.
Voir démantèlement des fondations pour plus de détail.


Recyclage des métaux : acier, fonte, cuivre, aluminium


L’ensemble des métaux ferreux et non ferreux issues du démantèlement de l’éolienne ne présentent aucune difficulté de recyclage. Ce sont des matériaux dont la valeur marchande est intéressante car facilement recyclables. En effet, leurs caractéristiques techniques après traitement sont identiques à celles des matériaux neufs. Ces métaux revendus permettent de financer une partie des coûts de démantèlement.

Valorisation des composites

Les matériaux composites utilisés dans l’éolien en particulier pour les pales et la coque de la nacelle sont principalement des résines de fibre de verre voire de carbone. Ce sont des composites classiques que l’on retrouve également dans de nombreux autres secteurs ; transports dont maritime, le BTP, le secteur électrique électronique et l’aéronautique. L’éolien représente 7% du marché français.


« L’énergie éolienne représente 7% du marché français des matériaux composites »

Source : Arrêté du 26 août 2011 relatif à la remise en état et à la constitution des garanties financières pour les installations de production d’électricité utilisant l’énergie mécanique du vent

Actuellement, les pales sont revalorisées énergétiquement, en tant que déchet industriel banal, par l’incinération en cimenterie principalement. Le recyclage des composites représente l’enjeu le plus important pour la filière éolienne. Il existe plusieurs pistes intéressantes actuellement en recherche & développement pour un recyclage des pales existantes et de nouvelles solutions futures de pales plus facilement recyclables. Une bonne synergie avec les autres industries utilisant des composites permettra également d’améliorer les solutions de fin de vie.

Grâce à l’augmentation constante de la production d’électricité éolienne et photovoltaïque le mix énergétique français évolue. Cette production d’origine renouvelable se substitue à d’autres moyens de production, en priorité les plus émetteurs de CO2. C’est donc la production d’origine thermique à flamme qui baisse, en particulier les turbines à combustion fonctionnant au charbon ou au fioul. L’éolien et le photovoltaïque permettent donc d’abandonner les moyens de production les plus polluants et le plus anciens réduisant ainsi les émissions moyennes de CO2 de la production d’électricité.

« Dans ce contexte de production à la hausse, la production d’origine thermique fossile diminue de façon importante. En effet, cette dernière recule de 26,8% lorsque, dans le même temps, la production d’origine renouvelable progresse de 21,9%, »

Source : RTE – Bilan électrique 2018 (p.29)

 

« Une analyse des données historiques disponibles montre que l’électricité éolienne se substitue à la production des centrales nucléaires et au gaz, charbon ou fioul »

Source : Ademe – Filière éolienne française : bilan, prospective et stratégie synthèse – 09/2017 (p.13)

 

Le graphique suivant présente l’évolution de la puissance installée des moyens de production électrique par secteur. Le nucléaire a été exclu pour une meilleure lisibilité (il est stable à 63 130 MW). Chaque année, on constate la fermeture des installations de production fioul et charbon. Ces fermetures sont comblées par l’augmentation de la production en éolien et photovoltaïque.

Source des chiffres : RTE bilans électriques de 2011 à 2018

 

« Un production d’électricité renouvelable en hausse réduit le besoin au moyen de production de pointe de type thermique à flamme.»

Source : RTE – Bilan électrique 2018 (p.37)

 

L’idée fausse selon laquelle la puissance installée en éolien doit être doublée par une puissance équivalente en production polluante type charbon est donc totalement contredite dans les faits particulièrement en France.

L’analyse des courbes de production moyenne annuelle pour l’éolien et le PV ainsi que le charbon et le fioul confirme le graphique des puissances installées.

Source des données : RTE données Eco2mix pour les années 2012 à 2018

 

Il faut noter que l’éolien s’insère dans un mix énergétique déjà performant. Le charbon et le fioul ne sont pas les seules sources capables d’assurer l’équilibre c’est également le cas de l’hydraulique qui est par contre renouvelable. De plus, les interconnexions avec les pays voisins permettent également d’atteindre un équilibre basé sur plusieurs pays.

« D’une part, développer un système reposant à 70 % sur des EnR ne conduit en aucun cas à « doubler » la capacité renouvelable par des moyens thermiques : il est tout à fait possible d’assurer la sécurité d’approvisionnement en se basant sur un développement « modéré » de ces moyens et des flexibilités. A contrario, les argumentaires alarmistes consistant à considérer nécessaire le développement de moyens de secours systématiques font fi, d’une part, de l’interconnexion de la France avec ses voisins qui permet de mutualiser les flexibilités, et d’autre part, d’une analyse de la contribution statistique de l’éolien et du photovoltaïque à la sécurité d’approvisionnement. »

Source : RTE Bilan prévisionnel 2017 de l’équilibre offre demande d’électricité en France (p.279)

 

Par ailleurs la production électrique éolienne est certes variable mais elle est finement prévisible plusieurs jours à l’avance (Voir Variabilité de la production éolienne).

Proportion des éoliennes avec terres rares en France

Plus de 96 % des éoliennes installées en France n’utilisent pas de terres rares dans leur génératrice. Le procès qui est fait aux éoliennes de consommer de grandes quantités de terres rares n’est donc pas fondé et ce particulièrement sur le territoire français et s’agissant d’éoliennes terrestres. Sur les 3 658 éoliennes étudiées dans le rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français, 83 éoliennes utilisaient des aimants permanents soit 2,3% du total (Cycleco pour l’Ademe 12/2015 chiffres p.20)

« Cependant, le parc éolien terrestre français est peu consommateur d’aimants permanents : seuls 3% de la capacité installée y a recours. »

Source : Ademe – Les avis de l’Ademe l’énergie éolienne – 04/2016

 

« En France, seuls 3% du parc éolien terrestre installé comportent des aimants permanents »

Source : Cycleco pour l’Ademe – Rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français – 12/2015 (p.17)

 

D’après les chiffres des installations fin 2018, on comptabilise moins de 4% d’éoliennes ayant recours à des terres rares par leur choix technologique.

  • Vestas a installé en France un modèle de turbine synchrone à aimants permanents avec multiplicateur la Vestas V112 3.0 Gridstream qui représente environ la moitié des V112 soit 180 MW installés en France.
  • Siemens-Gamesa dispose d’un modèle utilisant des aimants-permanents, en l’occurrence la plateforme Siemens 3.X direct drive qui représente 316 MW installés fin 2018.
  • Chez les autres constructeurs minoritaires, les technologies des marques WinWind, Vensys, Goldwind et Poma Leitwind utilisent des aimants permanents. Ces constructeurs cumulent 54 MW de puissance installée.

Au total 550 MW de puissance installée en France soit 3,6 % du parc français utilise des aimants permanents.

Technologie des éoliennes avec terres rares

Seules les éoliennes utilisant une technologie synchrone nécessitant des aimants permanents ont besoin d’une quantité importante de terres rares. Dans ce cas, les terres rares représentent environ 30% de la masse des aimants permanents dont une majorité de néodyme puis du praséodyme, du dysprosium et du terbium. Ces matériaux permettent de construire des aimants puissants et compacts.

« Les Terres Rares interviennent dans la composition des générateurs dits « synchrones » dans lequel le rotor est un aimant permanent. »

Source : Ministère de la Transition Écologique et Solidaire – Programmation Pluriannuelle de l’Énergie 2019-2023 - 2024/2028 (Projet pour consultation)

 

Description des technologies de conversion d’énergie pour les éoliennes.

Source : Cycleco pour l’Ademe – Rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français – 12/2015 (p.17)

 

L’utilisation des terres rares n’est donc pas indispensable pour l’énergie éolienne il s’agit simplement d’un choix technologique actuellement minoritaire.

Le choix d’une technologie à aimants permanents est pertinent pour les éoliennes, cela permet d’avoir une génératrice plus compacte et donc moins de poids en nacelle. C’est la raison pour laquelle les génératrices à aimants permanents sont d’avantage utilisées pour les éoliennes en mer (offshore) d’autant que ces dernières sont plus puissantes. Ce sont également des éoliennes dont les coûts de maintenance sont plus élevés par leur localisation et exigent ainsi des technologies avec une maintenance réduite. Pour rappel la France n’accueille pour le moment aucun parc éolien en mer.

La technologie à aimant permanent avec transmission directe nécessite environ 8 fois plus d’aimants permanents que celle avec multiplicateur qui permet de réduire significativement la taille de la génératrice.

Réduction et atlernatives aux terres rares

Les terres rares regroupent un ensemble de 17 métaux dont les 4 nécessaires pour les aimants permanents représentent environ 20% du volume extrait. Ces matériaux ne sont en fait pas vraiment rares à l’échelle mondiales mais ils sont très peu concentrés dans la croute terrestre. Leur extraction liée à d’autres matériaux, est donc limitée aux sites avec une bonne concentration. Les constructeurs qui ont recours à ce type de matériaux sont très attentifs aux conditions d’extraction de cette matière première.

Depuis 1970, les terres rares sont utilisées dans de nombreuses autres applications et technologies tel que l’automobile, l’aéronautique, la téléphonie, l’informatique, le pétrole…

Les constructeurs utilisant ce type de technologie travaillent sur des aimant permanents utilisant une part plus faible de terres rares en particuliers les terres rares lourdes. Certaines recherches portent également sur des aimants permanents substituant la ferrite aux terres rares.

« Les fabricants d’éoliennes cherchent à s’affranchir de cette dépendance en utilisant des aimants permanents à plus faible teneur en terre rare (réduction d’un quart de la quantité de dysprosium), voire en développant des prototypes de génératrice synchrone sans aimants à terres rares (ils sont remplacés par des aimants à ferrite) »

Source : CGEDD & Conseil général de l’économie – Rapport Economie circulaire dans la filière éolienne terrestre en France 05/2019 (p.41)

 

Les éoliennes sont raccordées au réseau électrique moyenne ou haute tension (HTA / HTB) afin d’évacuer l’énergie produite. Le niveau de tension utilisé est généralement de 20 kV parfois 30 kV ce qui correspond à celui du réseau de distribution d’électricité en France géré par Enedis (anciennement Erdf).

Les éoliennes nécessitent également une connexion au réseau pour assurer leur indispensable alimentation interne. Les éoliennes auto-consomment leur propre électricité sauf quand leur production est nulle et qu’elles sont en veille. La consommation électrique est directement soustraite de la production au niveau du compteur du parc.

La consommation électrique interne représente une très faible part de la production annuelle d’environ 1%. L’éolienne produit donc 100 fois plus d’énergie que ce qu’elle consomme pour son propre fonctionnement ce qui représente un très bon ratio comparativement à d’autres moyens de production électrique.

Par exemple une éolienne de 3,5 MW (3 500 KW) qui fonctionne 2 500 heures par an (Voir Facteur de charge de l’éolien) produira 8 750 000 kWh. Sa consommation électrique interne varie fortement en fonction des saisons et des conditions externes. Elle peut varier entre quelques kW et quelques dizaines de kW. Elle est en moyenne de 10 kW soit 87 600 kWh sur l’année, la consommation représente 1% de sa production moyenne annuelle.

Les éléments principaux qui contribuent à la consommation électrique interne sont :

  • Les moteurs hydrauliques dont les moteurs d’orientation des pales (pitch) qui font pivoter les pales pour optimiser la portance en fonction du vent.
  • Les moteurs de lacet (Yaw) qui orientent la nacelle face au vent pour que l’éolienne puisse démarrer et qu’elle soit toujours dans la bonne direction.
  • Les ventilateurs de refroidissement du générateur pour contrôler la température du générateur l’électricité.
  • Les pompes à eau ou à huile pour la lubrification
  • Les contrôleurs hydrauliques
  • Les systèmes de chauffage
  • Les ordinateurs de contrôle et les serveurs
  • Les balisages aéronautiques fonctionnant jour et nuit pour la sécurité aérienne (Voir Balisage réglementaire).