ComprendreL'impact environnemental de l'éolien

Les éoliennes émettent-elles des gaz à effet de serre ?

En résumé : Face à l’urgence climatique, l’éolien est un allié de poids puisque c’est une énergie qui émet très peu de gaz à effet de serre. Une analyse du cycle de vie d’une éolienne, qui va de la fabrication des composants jusqu’au recyclage de l’éolienne, montre que la production d’électricité d’une éolienne émet seulement 12,7 grammes de CO2 équivalent par kilowattheure. Ce chiffre est notamment dû à la fabrication des composants, car pendant la phase d’exploitation, une éolienne ne nécessite pas de combustible et n’émet pas de CO2 ou d’autres gaz à effet de serre. Elle n’émet pas non plus de polluants atmosphériques, de particules fines ou de déchets nucléaires. A titre de comparaison, le gaz émet environ 500 grammes de CO2 et le charbon environ 1000 g de CO2. Chaque parc éolien construit permet d’éviter de larges quantités d’émissions de gaz à effet de serre. 

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 rembourse 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 dans une fourchette 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 : Cycleco pour l’Ademe – Rapport sur l’analyse du cycle de vie de l’éolien français – 12/2015

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

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

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, qui nécessitent des trajets en véhicule, sont les principales sources d’émission de CO2 pendant la phase d’exploitation.

Quand on tient compte de l’ensemble de la durée de vie d’une éolienne (soit 20 années), les émissions sont estimées à 12,7 grammes de CO2 équivalent par kilowattheure (gCO2 eq/kWh). Précisons que la durée de vie d’une éolienne récente est désormais de 25 voire 30 ans, ce qui réduit encore ce taux d’émission.

Entre 2012 et 2018, le taux moyen d’émissions de gaz à effet de serre, 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 en équivalent CO₂). L’éolien a donc un taux d’émission de CO₂eq/kWh 4 fois inférieur à la moyenne du parc électrique français.

L’énergie éolienne vient compléter la production bas carbone du nucléaire, mais pas la substituer, comme le confirme constamment le gestionnaire du Réseau de Transport d’Electricité. L’avantage en termes de baisse de CO₂ est donc conséquent.

« Aujourd’hui, l’énergie éolienne et l’énergie solaire se déploient donc essentiellement en addition au potentiel de production nucléaire et hydraulique. » […] « Ces résultats battent en brèche une vision réductrice du système électrique où chaque incrément de production éolienne et solaire se ferait au détriment du nucléaire et n’aurait pas d’influence sur les émissions de gaz à effet de serre. »

Source : RTE – Note : Précisions sur les bilans CO2 établis dans le bilan prévisionnel et les études associées. 2019

L’augmentation constante de la part de l’éolien et du photovoltaïque dans le mix électrique permet de se passer de moyens de production d’électricité très polluants comme le charbon et le fioul. Chaque kWh d’énergie fossile remplacé par un kWh éolien permet d’éviter plusieurs centaines de grammes CO2_eq. Voir Interaction entre éolien et charbon/fioul. Il faut également tenir compte des interconnexions avec les autres pays européens dont le mix électrique est plus carboné ; les énergies renouvelables françaises remplacent également des énergies fossiles d’autres pays et inversement, selon les périodes.

 « 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 CO_2eq (ce calcul de l’Ademe se base sur l’historique du mix électrique réellement substitué par l’éolien). 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 gCO_2eq par kWh d’éolien.

« La production éolienne contribue donc fortement à la réduction des émissions de SO2, NOx et particules fines associées à la production d’énergie en France. » Source : Ademe – Etude sur la filière éolienne française : bilan, prospective et stratégie – rapport complet – 09/2017 – (p.177)

Comment les éoliennes sont démantelées et recyclées ?

En résumé : En fin de vie, les éoliennes sont totalement démantelées et 90 % des matériaux qui les composent sont recyclés. Les fondations en béton et en acier sont totalement décaissées. La remise en état totale des sites est prévue et encadrée par la réglementation française. Si on s’intéresse au recyclage de l’ensemble des matériaux, on constate que le béton utilisé dans les fondations peut être facilement réutilisé dans d’autres chantiers. De même, le recyclage des métaux utilisés (acier, fonte, cuivre, aluminium) ne pose pas de difficulté, ces derniers étant revendus pour financer en partie les travaux de démantèlement. Enfin, les matériaux composites utilisés pour les pales et la coque de la nacelle sont revalorisées énergétiquement, par l’incinération en cimenterie principalement. Leur recyclage représente l’enjeu le plus important pour la filière éolienne.

Processus de démantèlement

97 % des matériaux composants l’éolienne sont aisément recyclables en fin de vie, 90 % 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 excavées en totalité, conformément à la réglementation en vigueur.
• 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 et le rendre à son usage précédent.

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 : les sociétés Soledra du groupe Lhotellier ou Valrea sont positionnées sur ce marché en devenir. Par ailleurs, l’expérience internationale est également profitable, bien qu’il faille l’adapter à la réglementation française plus stricte.

Réglementation

Le Code de l’Environnement prévoit spécifiquement les conditions et garantie de démantèlement pour les parcs éoliens. Voir démantèlement des fondations pour plus de détail.

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. (modifié en décembre 2021)

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, plus de 3 fois supérieure à celle de l’aérogénérateur. Environ 75 % 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 environ 2 % du total ; il s’agit du poids des pales et d’une partie de la coque de la nacelle.

« Environ 85% de la masse des éoliennes est aujourd’hui recyclée et valorisée, donc l’étude portera exclusivement sur les matériaux à ce jour peu valorisés tels que les matériaux composites composant les pales. »  Etude sur la filière éolienne française : bilan, prospective et stratégie – Rapport complet – 09/2017 (p.302)

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. En 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 réutilisation 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 effet de serre des véhicules de chantier et du transport routier.

Voir la partie « démantèlement des fondations » pour plus de détails.

Recyclage des métaux : acier, fonte, cuivre, aluminium

L’ensemble des métaux ferreux et non ferreux issus 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, des fibres de verre ou 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 des matériaux composites.

« L’énergie éolienne représente 7 % du marché français des matériaux composites » Source : CGEDD & Conseil général de l’économie – Rapport Economie circulaire dans la filière éolienne terrestre en France 05/2019 (p.36)

Actuellement, les pales sont revalorisées énergétiquement, en tant que déchet industriel banal, par l’incinération en cimenterie principalement. Leur pouvoir calorifique est supérieur à celui du bois ce qui est fait un bon combustible. 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.

Le développement de l’éolien a-t-il un impact sur l’activité des centrales à charbon ou à fioul ?

En résumé : Aujourd’hui en France, la hausse croissante d’unités de production électrique d’origine éolienne ou photovoltaïque permet de fermer des centrales à charbon ou des centrales au fioul. Ces dernières étant les plus émettrices de gaz à effet de serre, le bénéfice pour le climat est très important. L’idée reçue selon laquelle la puissance installée en éolien doit être doublée par une puissance équivalente basée sur le charbon ou le fioul est contredite par les experts et les faits, comme le montre le graphique détaillé ci-dessous.

« Une 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)

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 actuellement à d’autres moyens de production, en priorité les centrales à charbon et au fioul, les plus émettrices de CO2. L’éolien et le photovoltaïque permettent ainsi d’abandonner les moyens de production les plus polluants et les plus anciens, réduisant ainsi les émissions moyennes de CO2 de la production d’électricité.

« 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 production d’électricité de 2011 à 2020 pour les 4 filières étudiées. On constate clairement une augmentation notable de la production à partir d’éolien et de photovoltaïque alors que la production à base de charbon et de fioul devient quasiment nulle.

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

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 renouvelable. Les interconnexions avec les pays voisins permettent également d’atteindre un équilibre basé sur plusieurs pays.

« 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 la partie « Variabilité de la production éolienne »)

Le cas de l’Allemagne pris en exemple pour illustrer l’interaction entre éolien et charbon est également démenti par les chiffres (Voir la partie « L’Allemagne ajoute-t-elle du charbon pour compenser son éolien ? »).

Quel est l’impact de l’éolien sur l’extraction de terres rares ?

Les terres rares regroupent un ensemble de 17 métaux. Contrairement à leur appellation, ces métaux sont en fait aussi abondants que le nickel ou le cuivre, ils ne sont donc pas si rares, mais beaucoup plus dispersés dans la croute terrestre. Cela implique des précautions lors de leur exploitation, pour prévenir les pollutions qu’elles peuvent engendrer. Cet enjeu des terres rares reste minoritaire lors des débats sur l’éolien, puisque 97 % des éoliennes installées en France n’utilisent pas de terres rares dans leur génératrice. Les 3,3 % d’éoliennes concernées par les terres rares utilisent des aimants permanents, qui impliquent un recours au terres rares. L’utilisation des terres rares n’est donc pas indispensable pour l’énergie éolienne. Il s’agit simplement d’un choix technologique, actuellement très minoritaire.

Proportion des éoliennes avec terres rares en France

97 % 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, 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 (qui contiennent des terres rares) soit 2,3 % du total (Cycleco pour l’Ademe 12/2015 chiffres p.20)

« 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 : CGEDD & Conseil général de l’économie – Rapport Economie circulaire dans la filière éolienne terrestre en France 05/2019 (p.7)

D’après les chiffres des installations fin 2018, on comptabilisait moins de 3 % 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 représentait 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 représentait 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, c’est donc 550 MW de puissance installée en France, soit 2,9 % du parc français, qui utilise des aimants permanents.

« En terrestre, aucune modification majeure de la structure du parc éolien n’est prévue pour les années à venir, et les aimants permanents devraient rester très largement minoritaires. » Source : Ademe – Fiche technique : Terres rares, énergies renouvelables et stockage d’énergie – 12/2019 (p.7)

Technologie des éoliennes avec terres rares

Seules les éoliennes utilisant une technologie synchrone nécessitant des aimants permanents ont besoin d’une certaine quantité 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)

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

Le choix d’une technologie à aimants permanents permet une génératrice plus compacte et donc moins de poids en nacelle. C’est la raison pour laquelle les génératrices à aimants permanents sont majoritairement 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, du fait de leur localisation, et qui exigent des technologies avec une maintenance réduite.

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 alternatives 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.

 « La problématique de l’utilisation des aimants permanents a donc été bien prise en compte par les constructeurs. Ce n’est donc pas un sujet critique pour les éoliennes terrestres. » Source : Ademe – Fiche technique : Terres rares, énergies renouvelables et stockage d’énergie – 12/2019 (p.7)

Depuis 1970, les terres rares sont utilisées dans de nombreuses autres applications et technologies telles 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 particulier 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)

Rappelons par ailleurs que la consommation des terres rares concerne de nombreux autres secteurs que l’éolien offshore. Il s’agit donc d’un sujet plus large à traiter à l’échelle mondiale et industrielle.

Quelle est la consommation électrique interne d’une éolienne ?

En résumé : La consommation électrique interne d’une éolienne est minime. Elle représente en moyenne 1 % de sa production annuelle d’électricité. Cette consommation est nécessaire à son fonctionnement interne, par exemple pour orienter la nacelle face au vent, orienter les pales pour optimiser leur portance, pour faire fonctionner les ordinateurs de contrôle, ou encore pour les balisages aéronautiques (les flashs clignotants).

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 20 000 volts ce qui correspond à celui du réseau de distribution d’électricité en France géré par Enedis.

Les éoliennes nécessitent également une connexion au réseau pour assurer leur indispensable alimentation interne. La consommation électrique interne représente une très faible part de la production annuelle, 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 éventuels systèmes de chauffage.
• Les ordinateurs de contrôle et les serveurs informatiques.
• Les balisages aéronautiques fonctionnant jour et nuit pour la sécurité aérienne (Voir balisage).