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La place de l'éolien dans le mix énergétique français

Le futur des énergies

La place de l'éolien dans le mix énergétique français

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • Face au dérèglement climatique indéniable, les gouvernements ont dû réorienter leurs politiques en matière d'énergie. Mais comment choisir sa production énergétique en alliant efficacité et enjeux écologiques ?

 

Dans nos sociétés modernes de plus en plus énergivores et face au changement climatique, dont les premières conséquences néfastes sont déjà visibles, certains États ont conclu au maintien du nucléaire et certains ont effectué d'autres choix. Mais il faut des énergies sans risque, plus propres et inépuisables : un mix auquel seule la science peut apporter la réponse.

Partie 1 • Le mix énergétique en France

La région des Hauts-de-France abrite la centrale nucléaire de Gravelines, dotée de six réacteurs délivrant une puissance de 900 MW chacun, ainsi que les parcs éoliens de Fruges. C'est un excellent exemple de mix énergétique choisi par la France pour sa transition écologique.

Document 1Les parcs éoliens de Fruges

Les parcs éoliens de Fruges sont situés dans le département du Pas-de-Calais. Grâce à leurs 70 éoliennes Enercon E-70, d'une capacité nominale d'environ 2,0 MW chacune, ces parcs représentent aujourd'hui le plus grand ensemble éolien terrestre de France. Les éoliennes sont réparties sur 16 parcs et 9 communes et s'élèvent entre 63 m et 84 m. La production énergétique totale des parcs est estimée à 350 GWh par an.

D'après : fr.wikipedia.org

Document 2Fiche technique d'une éolienne

Enercon, une entreprise allemande, donne les caractéristiques d'une éolienne E-70 :

puissance nominale (conditions optimales) : 2,3 MW

diamètre du rotor : 71 m

vitesse de rotation du rotor : 6 à 21,5 tours par minute

La puissance du vent (en W) est donnée par :

PV=12×S×ρair×v3

S est l'aire balayée par les pales de l'éolienne (en m2), ρair est la masse volumique de l'air (1,2 kg · m–3 à 20 °C) et v la vitesse du vent (en m · s–1).

Plus on monte en altitude et plus la vitesse des vents augmente.

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D'après la loi de Betz, on ne peut pas récupérer 100 % de la puissance du vent, mais au maximum une proportion Cp. Pour une éolienne tri-pales, Cp = 0,49. La puissance d'une éolienne est donnée par :

P = Cp × PV

Les éoliennes se mettent à tourner lorsque le vent atteint une vitesse de démarrage, en général 14 km/h, et s'arrêtent automatiquement quand les vents dépassent la vitesse d'arrêt, à savoir 90 km/h car cela rendrait l'éolienne (une structure haute) instable et comporterait un danger.

Il serait possible de construire de petites éoliennes capables d'exploiter la moindre brise, mais elles ne produiraient que peu de puissance. En effet, la puissance produite est proportionnelle au carré de la longueur des pales.

Une éolienne offshore (implantée au large des côtes) est de très grande dimension (le diamètre du rotor mesure plus de 125 mètres) et elle peut produire environ 5 MW (voir page suivante). Mais en mer, quelle que soit la hauteur, la vitesse du vent est à peu près la même et il n'est pas nécessaire de monter les nacelles très haut. En revanche, plus on s'éloigne des côtes et plus le vent est fort et stable.

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À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1 et 2, répondre aux questions suivantes.

▶ 1. a) Calculer la puissance totale délivrée par l'ensemble des parcs éoliens de Fruges, puis celle de la centrale nucléaire de Gravelines.

b) Calculer le nombre d'éoliennes nécessaire pour produire autant de puissance que la centrale nucléaire de Gravelines.

▶ 2. a) D'après le document 2, de quelle caractéristique technique la puissance produite par une éolienne dépend-elle ?

b) Calculer la puissance d'une éolienne E-70 exposée à un vent de 45 km · h–1 à 20 °C.

▶ 3. Trouver, à l'aide des réponses aux questions précédentes et à l'aide des documents, des arguments en faveur des parcs éoliens offshore.

Partie 2 • L'éolien, une énergie vertueuse ?

Les éoliennes sont reconnues pour faire partie des énergies propres et renouvelables, à l'image du biométhane et des panneaux solaires. Certains détracteurs clament le contraire. Quels sont les avantages et les inconvénients de l'éolien ?

Document 3Empreinte carbone comparée de sources d'énergie

La production d'électricité, sans combustion, par une éolienne n'émet pas de CO2, mais qu'en est-il de sa construction, son transport, sa mise en place, son entretien et son démantèlement ?

Une analyse du cycle de vie (ACV) réalisée pour l'ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie) en 2017, a permis de fournir des données précises sur les impacts environnementaux de la production éolienne avec les spécificités du parc français installé sur terre et prévu en mer. Elle prend en compte les impacts écologiques de l'extraction des matières premières, de l'utilisation au recyclage et au retraitement, en les rapportant à un coût en équivalent CO2 par kilowattheure produit (g CO2 eq/kWh).

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D'après : www.bilans-ges.ademe.fr

Document 4Impacts environnementaux de l'éolien

Matières premières

Les neuf principales ressources utilisées pour construire les éoliennes sont : l'aluminium, l'argent, le cobalt, le cuivre, le dysprosium, le fer, le néodyme, les sables et les granulats.

Le socle en béton et le mât en acier sont produits à partir de ressources encore disponibles. Les pales sont formées de composites, un mélange de résines et de fibres de verre (donc du sable), qu'on peine à recycler pour l'instant.

L'électronique utilise quelques composants précieux, comme le silicium, l'aluminium ou des plastiques polypropylènes (pétrole). La plupart de ces éléments sont recyclables – il reste à organiser ce recyclage.

Des « terres rares » car difficiles à extraire (néodyme, dysprosium…) et non rares dans la nature, sont utilisées pour certains aimants permanents dans 5 % du parc éolien, principalement en offshore. Leur extraction et leur purification produisent des métaux lourds toxiques qui posent de véritables problèmes environnementaux et sociaux, notamment en Chine.

Autre matière critique : le cuivre, qui sert dans les bobines de l'alter­nateur. Largement utilisée dans le secteur de l'énergie, cette ressource pourrait s'épuiser à moyen terme, si le recyclage n'est pas développé.

Faune

Les éoliennes ont un impact sur la mortalité des oiseaux et des chauves-souris, même si, pour la mortalité des oiseaux, l'éolien vient loin derrière les prédateurs naturels, les collisions avec les immeubles, les fenêtres des constructions et des voitures, les travaux agricoles et les lignes haute tension.

Quant aux chauves-souris, elles sont affectées par la collision directe avec la machine mais aussi, comme on l'a découvert récemment, par un effet de changement brutal de pression de l'air à proximité des pales de l'éolienne qui peut provoquer une hémorragie interne et entraîner leur chute.

Avant toute implantation d'éolienne, il est aujourd'hui obligatoire de réaliser une étude d'impact puis de mettre en œuvre des mesures afin d'éviter, réduire et enfin compenser les éventuels impacts résiduels. Comme les chauves-souris ont une activité de chasse et de vol concentrée et réduite dans la journée et dans l'année, de plus en plus d'entreprises équipent leurs éoliennes avec des dispositifs de détection et d'effarouchement, qui arrêtent automatiquement l'éolienne en période de forte activité ou de migration. Selon leurs développeurs, ces systèmes diminueraient de 50 à 70 % la mortalité des chiroptères en réduisant la production seulement 0,5 % du temps.

D'après : www.reporterre.net

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 3 et 4, répondre aux questions suivantes.

▶ 4. a) Rappeler le rôle du CO2 dans l'effet de serre et l'implication de sa production par l'être humain dans le réchauffement climatique actuel.

b) À l'aide du document 3, discuter de l'impact de la production d'énergie éolienne sur le réchauffement climatique.

▶ 5. a) D'après le document 4, la production d'électricité par l'éolien peut-elle entraîner l'épuisement de ressources naturelles ?

b) Discuter de l'importance de l'impact de l'éolien sur la biodiversité.

▶ 6. Faire un tableau présentant les arguments des défenseurs et des détracteurs de l'éolien, qui peuvent être tirés des documents. Discuter de l'expression « énergie vertueuse » appliquée à l'énergie éolienne.

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Document 1 Les parcs éoliens de Fruges; Ce document informe sur le nombre et la puissance des éoliennes des parcs de Fruges.Notez ces valeurs qui vous serviront pour des calculs.; Ligne 2 : Document 2 Fiche technique d'une éolienne; C'est un document qui donne des caractéristiques d'une éolienne et la puissance qu'elle développe.Extrêmement dense et fournissant formules et informations techniques, ainsi que des propriétés, il faut souligner la plupart des données de ce texte.; Ligne 3 : Document 3 Empreinte carbone comparée de sources d'énergie; Le texte définit l'ACV et son importance pour connaître l'empreinte carbone d'une production d'énergie. Le tableau compare les ACV de l'éolien à d'autres productions d'énergie.Comparez les données de l'éolien à d'autres énergies renouvelables ou non.; Ligne 4 : Document 4 Impacts de l'éolien; Ce document liste les différents impacts de l'éolien sur les matières premières et sur la biodiversité.Le texte est dense. Lisez auparavant les questions afin de savoir ce qu'il faut y rechercher.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

 1. a) et b) Utilisez les informations du document 1 mais aussi celles du texte d'introduction de la partie 1.

 2. a) Cherchez où peut apparaître la longueur d'une pale dans la formule donnée dans le document 2.

 3. Listez par mots-clés, sur un brouillon, les arguments en faveur d'un parc éolien sur l'eau. N'oubliez pas de considérer le calcul effectué dans la question 1. b.

 4. a) Il s'agit ici de restituer vos connaissances.

 5. Sélectionnez les informations sur les impacts sur les ressources naturelles (matières premières) puis ceux sur la biodiversité (faune).

Aide à la résolution de la question 6

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Partie 1 • Le mix énergétique en France

▶ 1. a) La centrale nucléaire de Gravelines est constituée de 6 réacteurs de 900 MW chacun, donc : PN = 6 × 900 = 5 400 MW

Pour les parcs éoliens de Fruges qui possèdent 70 éoliennes de 2,0 MW chacune, on a : Pe = 70 × 2,0 = 140 MW

b) Chaque éolienne fournissant une puissance de 2,0 MW, on obtient le nombre N d'éoliennes : N=5 4002,0 = 2 700

Il faudrait 2 700 éoliennes pour fournir la puissance équivalente à celle de la centrale nucléaire de la région.

▶ 2. a) La puissance produite par une éolienne est donnée par :

P=Cp×PV=Cp×12×ρair×S×v3

À 20 °C et pour une éolienne tri-pales, ρair et Cp sont donnés. P ne dépend donc que de la vitesse v du vent et de l'aire S balayée par les pales. Si v est constante, on peut dire que P est proportionnelle à S.

mot clé

La longueur des pales, dans l'expression développée de la puissance P d'une éolienne, n'apparaît pas directement. C'est à vous de la faire apparaître pour montrer la proportionnalité.

Or S = πR2R est le rayon de l'aire balayée par les pales, c'est-à-dire la longueur des pales.

La puissance P = cste × R2 d'une éolienne est donc proportionnelle au carré de la longueur des pales. Plus les pales d'une éolienne sont grandes, plus la puissance qu'elle produit sera grande, comme le montre l'exemple de l'éolienne géante de 125 m de diamètre qui produit 5 MW.

b)

Le conseil de méthode

Pour répondre à la question 2. b, procédez par étapes :

Calculez d'abord la surface S et convertissez la vitesse en m · s–1.

Calculez ensuite la valeur de PV en écrivant sa formule, puis celle de la puissance P produite par l'éolienne.

Calcul de la puissance du vent d'après la formule :

PV=12×ρair×S×v3

Avec S=πR2=πD22=π7122=3 959 m2

v=40 kmh1=453,6=12,5 ms1

D'où : PV=12×1,2×3 959×12,53=4,6×106 W = 4,6 MW

La puissance P de l'éolienne est donc : P = Cp × Pv = 0,49 × 4,6 = 2,3 MW

On trouve en effet une valeur proche de celle donnée dans le document 1, qui est celle de la puissance nominale de l'éolienne.

▶ 3. Les éoliennes offshores peuvent avoir des pales bien plus grandes que les éoliennes terrestres et produire plus d'énergie car celle-ci augmente avec la taille des pales. Ceci est possible sur mer car la force du vent est presque identique en surface et en hauteur, et plus stable en s'éloignant des côtes. Il n'est donc plus nécessaire d'utiliser des mâts très haut qui rendraient ces éoliennes plus vulnérables.

De plus, on constate d'après la réponse à la question 1. b que pour développer une puissance plus élevée, il faut augmenter le nombre des éoliennes, ce qui n'est pas gênant loin des côtes car le bruit engendré par ces structures et la pollution visuelle ne sont plus perceptibles.

Ainsi, en augmentant la taille des pales, on diminue leur nombre et l'espace occupé, sans diminuer leur production d'énergie mais en diminuant les nuisances sonores et visuelles.

Partie 2 • L'éolien, une énergie vertueuse ?

▶ 4. a) Le CO2 est un gaz à effet de serre (GES). Sa présence dans l'atmo­sphère piège le rayonnement infrarouge et élève la température terrestre. L'acti­vité humaine, en particulier certains modes de production d'électricité, émet de grandes quantités de CO2 dans l'atmosphère et amplifie l'effet de serre entraînant le réchauffement climatique.

à noter

Le développement des énergies renouvelables telles que l'éolien est un enjeu mondial afin de lutter contre le réchauffement climatique en réduisant les émissions de GES liées à l'activité humaine.

b) D'après le document 3, la production d'électricité par les éoliennes n'émet pas de CO2 car elle ne s'accom­pa­gne pas de combustion. Cependant, on note qu'en prenant en compte tout leur cycle de vie, elles émettent 14,1 g CO2 eq/kWh pour l'éolien terrestre et 15,6 g CO2 eq/kWh pour l'éolien offshore. C'est plus que le photovoltaïque ou le nucléaire mais bien moins que la combustion du charbon. L'énergie éolienne produit donc peu de CO2 et participe peu au réchauffement climatique.

▶ 5. a) La construction d'une éolienne nécessite de nombreuses matières premières puisées dans les ressources naturelles, dont certaines sont limitées. C'est surtout le cas pour le cuivre utilisé dans les bobines des alternateurs de tout le secteur énergétique et qui pourrait s'épuiser à moyen terme. Même si leur nom prête à confusion, les ressources en « terres rares », dont l'extraction est difficile et coûteuse, ne sont pas menacées d'épuisement.

Le développement du recyclage de toutes les matières premières rares ou non permettra de limiter l'épuisement des ressources naturelles.

b) Le fonctionnement des éoliennes a un impact négatif sur les oiseaux et les chauves-souris qui peuvent entrer en collision avec les mâts et les pales en mouvement. De plus, les chauves-souris sont perturbées par les changements de pression à proximité des pales. Il y a augmentation de la mortalité des oiseaux et des chauves-souris aux abords des champs d'éoliennes.

Pour les oiseaux, cette mortalité est limitée par rapport à celle entraînée par des collisions avec des vitres de bâtiments ou de voitures, par exemple.

Avant d'implanter de nouvelles éoliennes, une étude écologique est effectuée, afin de choisir les zones où l'impact sur la faune est le plus faible et pour limiter au maximum cet éventuel impact.

Par exemple, l'étude des chauves-souris a permis de connaître leurs périodes de vol au cours d'une journée mais aussi au cours d'une année. Pour éviter la plupart des collisions (baisse de 50 à 70 % de la mortalité), il suffit alors de programmer l'arrêt automatique des pales pendant ces périodes d'activité intense, ce qui ne représente finalement que 0,5 % du temps de fonctionnement de l'éolienne.

▶ 6.

Tableau de 5 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Arguments détracteurs;Arguments défenseurs;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Production de CO2; CO2 émis avant et après la période de production d'électricité; Pas de CO2 émis pendant la production électriqueTrès faible empreinte carbone; Ligne 2 : Pollution; Métaux lourds toxiquesProblèmes environnementaux et sociaux sur les lieux d'extraction et de traitement; Terres rares dans seulement 5 % du parcAucune pollution sur le site d'exploitation; Ligne 3 : Exploitation des ressources naturelles; Épuisement du cuivreFaible recyclage pour certains matériaux; Filières de recyclage en cours de développement; Ligne 4 : Impact sur les oiseaux et les chauves-souris; Mortalité aux abords des champs d'éoliennes; Mortalité faible et qui peut être réduite;

L'éolien en produisant très peu de CO2 est une alternative très intéressante aux énergies tirées des combustibles fossiles. Bien qu'il utilise certaines ressources en quantité limitée, le développement de la filière de recyclage permettra de ne pas épuiser leurs stocks. L'impact sur la faune est faible et surtout réductible avec des études écologiques et les nouvelles technologies.

On peut donc considérer l'éolien comme une énergie vertueuse car elle participe peu au réchauffement climatique, perturbe peu l'environnement et la biosphère.

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