Éolien offshore

Éolienne offshore

L'éolien offshore, éolien marin ou maritime désigne l'installation de fermes éoliennes en mer (à des profondeurs allant jusqu'à 25 ou 30 m et dans des zones situées en moyenne à 10 km des côtes) et raccordé au réseau terrestre par un câble sous-marin. C'est l'une des voies de développement de l'éolien, car elle s'affranchit en grande partie du problème des nuisances esthétiques et de voisinage. D'autre part le vent est beaucoup plus fort et constant qu'à terre : un régime de marche de 96% est par exemple estimé en mer du Nord ¹⁾. Cette solution permet le développement technique progressif d'éoliennes de très grande puissance (jusqu’à 7 MW). Le far-shore désigne les éoliennes offshore installées à une très grande distance des côtes.

Ainsi, la production d'électricité éolienne en mer est plus importante qu'à terre à puissance équivalente. On donne couramment comme moyenne 2 500 MWh par MW installé en mer au lieu de 2 000 MWh par MW installé à terre. Dans les zones maritimes géographiquement très favorables à l'éolien, les estimations des études indiquent le potentiel de cas extrêmes de 3 600 MWh par MW installé.

Puissance installée par pays, données exprimées en MW ²⁾

L’Europe est l’une des zones au monde les plus adaptées au développement de l’éolien offshore, elle dispose d’un espace maritime peu profond, en particulier dans le nord de l’Europe et notamment dans les mers du Nord et Baltique. Ces zones bénéficient par ailleurs d’un fort potentiel en vent. De plus, ces mers sont situées à proximité de la « mégalopole européenne », zone la plus peuplée et la plus consommatrice d’énergie du continent. En France, les sites les plus favorables se trouvent sur les côtes de la Manche et de la Mer du Nord, ainsi que sur la façade Atlantique entre la Bretagne et l’Aquitaine. Cependant, la profondeur relativement importante du fond marin rend plus difficile l’implantation de parcs offshore en Méditerranée et à la pointe de la Bretagne.

En 2008, 25 parcs offshore sont en service dans cinq pays (Danemark, Royaume-Uni, Suède, Hollande et Irlande), cumulant une puissance installée d’environ 1 100 MW. Ils ne représentent actuellement que 1,8 % de la puissance éolienne installée dans le monde, mais produisent 3,3% de l’énergie éolienne mondiale, en raison de vents beaucoup plus forts que sur les continents.

En 2010 la puissance installée d'éoliennes offshore est de 3 117,6 MW dont la moitié (653 MW) installée au Royaume-Uni ³⁾ repartis dans neuf pays européens sur 45 parcs off-shore comprenant 1 136 turbines ⁴⁾.

Parc éolien offshore à Horns Reef, Danemark.

L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou terrestres) du Danemark produisent 23% de l'électricité nécessaire au pays (début 2006). Ce pays est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970 pour produire la moitié de l'énergie du pays de cette manière. Alors que les États-Unis ont perdu tout intérêt dans les éoliennes lors de la chute des cours du baril de pétrole après la crise des années 1970, le Danemark a poursuivi ses efforts, et est finalement devenu le premier exportateur mondial de grands aérogénérateurs.

Le parc éolien de Vindeby est le premier parc éolien offshore au monde et fut construit en 1991 ⁵⁾.

Les plus importants parcs éolien offshore au Danemark sont les parcs d’Horns Rev (80 éoliennes pour 160 MW) et de Nysted (72 éoliennes pour 165,5 MW).

• le gisement éolien est quantitativement meilleur qu’à terre : le vent est souvent plus fort et régulier en mer du fait d’une moindre rugosité de la surface de l’eau comparée à celle des terres
• une éolienne en mer peut fournir l’équivalent de sa pleine puissance 40% du temps, contre 25% pour une bonne éolienne terrestre ⁶⁾.
• les éoliennes peuvent être de plus grande taille et de plus grande puissance (une éolienne offshore peut atteindre une puissance de 5 MW)
• sur le plan foncier, un seul interlocuteur se présente : le gestionnaire du domaine public maritime (si les éoliennes sont à moins de 12 milles des côtes)
• moins d'impact sur le paysage terrestre (à la condition qu'elles soient implantées assez loin des côtes)
• dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple au Danemark), il est assez simple de les installer

• l'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre
• la fixation des éoliennes sur le fond de la mer est techniquement délicate et onéreuse
• les frais fixes sont importants (coûts des études, de la mise en place du chantier, du raccordement électrique, de l’exploitation et de l’entretien)
• le retour d’expériences est nettement plus limité qu’à terre (aucun parc en France ; le premier parc danois a une dizaine d’années ; la puissance installée sur mer à travers le monde représente 1 à 2% de celle installée sur terre)
• les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des vagues et du courant
• la protection contre la corrosion dû à l'humidité et la salinité (particulièrement importante du fait des embruns) doit être renforcée
• l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés
• le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles
• les opérations de maintenance peuvent nécessiter de gros moyens financiers, ce qui nécessite une grande fiabilité des turbines de façon à minimiser les coûts de maintenance.

Toutes ces différentes spécificités conduisent à la réalisation de grands parcs éoliens, allant de pair avec des impacts pouvant être conséquents.

Les projets des futures éoliennes en mer, à l'horizon 2020, visent une puissance de 10 MW unitaire, avec un diamètre de Pales de 160 mètres ce qui permettrait de diminuer le coût du kWh produit.

Trépied d'une éolienne offshore, Cuxhaven, Allemagne

La compagnie norvégienne Norsk Hydro, spécialiste dans l'exploitation pétrolière et gazière offshore, développe un concept issu des plateformes pétrolières flottantes. Le principe est de monter l'éolienne sur un caisson flottant en béton (ancré au moyen de câbles, par 200 à 700 m de fond). Ce projet révolutionnerait l'éolien offshore, car il permettrait de ne plus se soucier de la profondeur, et donc d'installer des champs géants (jusqu'à 1 GW de puissance installée) loin des côtes. Cela permettrait par ailleurs de réduire le prix des champs éoliens offshore, en évitant la construction de coûteuses fondations sous-marines.

Une option permettant de réduire le coût d'investissement au kW installé pourrait être à terme de coupler sur le même pylône une éolienne offshore et une ou plusieurs hydroliennes.

Il s'est avéré que les ressources éoliennes offshore sont 5% à 10% supérieures aux premières estimations.

Le surface de la mer et des lacs étant très lisses, sa rugosité est très faible à des vitesses de vent constantes. Cependant à des vitesses de vent accélérées, une partie de l'énergie du vent est dissipée à la production de vagues, ce qui en augmente la rugosité. Une fois les vagues formées, la rugosité décroît à nouveau. Il est donc question d'une surface de rugosité variable (on trouve le même phénomène dans les zones couvertes d'une couche de neige d'épaisseur variable).
En règle générale, en mer, la rugosité de la surface de l'eau reste très faible et les obstacles au vent presque inexistants.

Lors des calculs du potentiel éolien offshore, il faut tout de même tenir compte des îles, des phares, etc. de la même façon que l'on doit considérer les obstacles se trouvant dans la direction des vents dominants ou les changements de rugosité du terrain lorsqu'il s'agit d'évaluer un site éolien terrestre.

le cisaillement du vent est lui aussi très faible, ce qui signifie que l'on n'obtiendra pas, comme c'est le cas pour l'éolien terrestre, une augmentation significative de la vitesse du vent en augmentant la hauteur du moyeu. Par conséquent, en mer, il peut s'avérer plus économique d'utiliser des tours d'une hauteur moins élevée que sur terre (environ 0,75 fois le diamètre du rotor suivant les conditions sur le site en question) alors que la hauteur des tours installées sur la terre ferme est égale à 1 diamètre de rotor au minimum.

Généralement le vent est moins turbulent en mer que sur terre car les variations de température entre les différentes altitudes de l'atmosphère sont moins importantes au-dessus de la mer qu'au-dessus de la terre, les rayons du soleil pénètrent dans la mer sur plusieurs mètres, alors que sur la terre ferme, le rayonnement solaire ne chauffe que la couche supérieure du sol qui devient donc beaucoup plus chaude.

Le vent étant moins turbulent, la durée de vie espérée des éoliennes offshore est supérieure à celle des éoliennes terrestres.

L’installation d'éoliennes en mer ou en milieu marin nécessite l'utilisation de différentes technologies pour palier aux problématiques liées à cet environnement.

L'installation d'éoliennes offshores nécessite l'utilisation de navires de pose particuliers, équipés d'un système leur permettant de se soulever au dessus du niveau de la mer afin de limiter l'effet des vagues et du vent lors de la pose des éoliennes en mer. Le coût journalier d'utilisation de ces navire peut aller jusqu'à 250 000 USD à 350 000 USD ⁷⁾.

Certaines turbine comme la M5000 développée par le constructeur français Areva, utilisent une surpression dans la nacelle et la tour pour empêcher les entrées d’air marin dans les machines.

Station de transformation du parc éolien offshore Baltic 1 - Mer Baltique

De par leur situation, les parcs éoliens offshore nécessitent des infrastructures importantes pour le transport de l’électricité produite via des câbles sous-marins jusqu'à terre. Un kilomètre de câble sous-marin coûte un million d’euros, et la pose à plusieurs dizaines de mètres de profondeur s'avère difficile.

Les fondations offshore sont des structures utilisées pour soutenir les éoliennes en mer, les plates-formes pétrolières et gazières, ainsi que d'autres installations en mer. Ces fondations sont conçues pour résister aux conditions environnementales marines, y compris les vagues, les courants et les vents forts. Chaque type de fondation offshore présente des avantages et des inconvénients en fonction des conditions spécifiques du site, de la profondeur de l'eau, des contraintes environnementales et des coûts. Les décisions concernant le choix d'une fondation offshore sont généralement prises après une analyse approfondie des facteurs techniques, économiques et environnementaux.

Les fondations gravitaires sont des structures massives en béton ou en acier qui reposent directement sur le fond marin. Elles sont utilisées dans des eaux peu profondes où la hauteur des vagues n'est pas très élevée. Les fondations gravitaires sont simples à construire et à installer, mais elles peuvent être coûteuses dans les eaux profondes en raison de la quantité de matériau nécessaire.

Les jackets sont des structures en treillis en acier constituées de piliers verticaux et de poutres horizontales. Elles sont ancrées au fond marin à l'aide de pieux ou de caissons. Les jackets sont utilisées dans des eaux de faible à moyenne profondeur et sont adaptées aux conditions sismiques.

Les monopieux sont des pieux en acier ou en béton qui sont enfoncés directement dans le fond marin. Ils sont utilisés dans des eaux peu profondes à moyennement profondes et sont souvent utilisés pour les parcs éoliens en mer. Les monopieux offrent une installation relativement simple et économique, mais peuvent poser des défis dans les sols durs ou instables.

Les tripodes sont des structures en treillis qui reposent sur trois piliers. Elles sont utilisées dans des eaux peu profondes à moyennement profondes et offrent une bonne stabilité dans les sols meubles.

Les fondations flottantes sont conçues pour les eaux très profondes où les autres types de fondations ne sont pas pratiques. Elles sont ancrées au fond marin à l'aide de câbles ou de lignes d'ancrage. Les fondations flottantes peuvent être stabilisées par des ballasts ou des éléments de flottaison.

Le parc éolien de Vindeby, le premier parc éolien en mer au monde, a été construit en 1991 par le fabricant danois Bonus (devenu Siemens Power Generation). Le parc de Nysted, un des projets les plus récents, est aujourd'hui le plus puissant parc éolien offshore avec 72 éoliennes et une puissance maximale de 165,6 MW. Voir aussi le projet de Parc éolien de Belwind en mer du Nord et celui de Horns Rev.

Aujourd'hui de grands parcs offshore sont en construction au large de l'Angleterre voir le projet London Array dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Écosse pour une puissance d'environ 4000 MW au total.

• Le parc de Greater Gabbard au Royaume-Uni, d'une capacité de 504MW, 140 turbines, seront installées
• En 2010 le plus grand parc éolien offshore est celui de Thanet, dans le sud-est de l'Angleterre, qui comptabilise actuellement 100 éoliennes (341 d'ici à quatre ans). Le consortium London Array a un projet à 20 km de l'embouchure de la Tamise, qui représenterait 271 turbines pour une puissance allant jusqu'à 1 000 MW. Le projet britannique de Triston Knol fera quant à lui 1 200 MW.
• Le plus grand parc éolien offshore au monde, actuellement en construction et dont la mise en service est prévue en 2026 est le parc de Dogger Bank avec une capacité de 3,6 GW au large de l'Angleterre

En 2011 des appels d'offres pour 500 éoliennes réparties sur 5 champs (dix milliards d'euros) offshore au large des cotes française à été lancé ⁸⁾. La Compagnie du vent a annoncé en novembre 2006 son projet de parc des Deux Côtes, un ensemble de 156 éoliennes totalisant 702 MW, à 14 km au large de la Seine-Maritime et de la Picardie.

A travers l’arrêté du 7 mars 2003 de Programmation Pluriannuelle des Investissements, le gouvernement français s’est fixé un programme de réalisation de centrales éoliennes en mer pour une puissance totale de 500 à 1 500 MW à l’horizon 2007.

• parc éolien

• Statistiques européennes 2009