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Nouvelles énergies 25/08/2021

Des cerfs-volants producteurs d’énergie ?

Comment exploiter l’énergie considérable des vents circulant en altitude ? Grâce à des éoliennes aéroportées évoluant au bout d’un câble. (Airborne Wind Energy - AWE)

Un article d'Olivier VAN OOST - ENGIE Laborelec et Rob VERSTEIRT - ENGIE Research pour le Hors-série du magazine Pour la Science : "Aller chercher l'énergie dans le ciel, dans la mer et sous la terre"

En 1833, l’utopiste John Adolphus Etzler imagine un monde débarrassé du travail et de la misère grâce à la technique. Il y propose notamment d’exploiter l’énergie éolienne à haute altitude. Ce qui semblait de la science-fiction au 19ème  siècle est aujourd’hui une solution envisagée pour pallier les difficultés que rencontre l’éolien traditionnel (on parle d’HAWT pour Horizontal axis wind turbine). 

L’idée est l’éolien aéroporté, ou AWE (pour Airborne wind energy). 

Un dispositif volant, par exemple un cerf-volant, retenu par un câble oscille à haute altitude, là où les vents sont plus forts et réguliers, ce mouvement étant converti en électricité. Le sujet est stratégique pour ENGIE car cette prochaine génération d’éoliennes terrestres et offshore aura un impact environnemental et un «  coût actualisé de l’énergie  » (LCOE) parmi les plus faibles. 

Pourquoi ? D’abord, dépourvues des énormes mats, des pales de turbine et avec des fondations allégées, l’AWE nécessite jusqu’à 95 % de matériel en moins que les éoliennes classiques pour des rendements énergétiques similaires. En conséquence, les coûts d’investissement et l’empreinte environnementale diminuent tandis que l’installation est facilitée dans les régions manquant d’infrastructures. En outre, de par la structure allégée des équipements, l’AWE a un faible impact visuel et peut être déployée, à terre, dans des endroits éloignés et difficiles d’accès, et en mer, dans les eaux profondes du large. 

Plus haut et plus fort

Ensuite, autre avantage, les rendements énergétiques sont meilleurs. En effet, en altitude, les vents sont plus forts et plus stables : les exploiter aiderait à réduire l’intermittence de l’approvisionnement en énergies renouvelables et contribuerait à abaisser le coût de l’électricité. Ainsi, le facteur de charge espéré (le rapport entre l’énergie électrique effectivement produite et celle qui le serait si l’éolienne tournait à plein régime tout le temps) est de 50 à 80 %, contre 40 à 55 % pour l’éolien en mer et 20 à 40 % pour le terrestre. 

Enfin, des études portant sur les vents à travers le monde (voir ci-dessous) suggèrent que d’importantes ressources énergétiques deviendraient accessibles grâce à l’AWE. 

À quoi ressembleront les éoliennes aéroportées ? 

Plusieurs modèles très différents sont à l’étude et encore à un stade précoce de développement. Aucun « gagnant » ne semble se dégager. Les caractéristiques sont déterminées par les exigences du marché, notamment la transportabilité, la simplicité, les vents ciblés (faibles ou forts) et l’échelle du dispositif (de quelques dizaines de kilowatts (kW) jusqu’à plusieurs mégawatts (MW)). Aujourd’hui, les concepteurs se concentrent sur les premiers projets pilotes réels destinés à démontrer la fiabilité, les performances, l’autonomie du système, la capacité de montée en puissance... À ce jour, la puissance nominale des prototypes ayant déjà fait leurs preuves se situe entre 2 et 600 kW, et des augmentations jusqu’à 3 MW sont prévues. 

Malgré cette diversité des concepts, on distingue deux types de production d’énergie, à bord ou au sol. 

  • Production d’énergie à bord. Principalement étudiée et développée aux États-Unis, l’objet volant (kite, drone, avion…) est équipé d’hélices dont la rotation génère l’électricité, celle-ci étant ensuite transmise par le câble qui relie l’appareil au sol.
  • Production d’énergie au sol. Dans cette option, plus souvent choisie en Europe, la conversion de l’énergie mécanique en électricité est assurée par des générateurs installés à terre où la traction sur le câble, au bout duquel évoluent des ailes rigides, semi-rigides ou souples, actionne une génératrice par pompage : le déroulement du câble fait tourner un tambour connecté à un alternateur qui produit l’électricité. 

À partir d’unités individuelles, on peut imaginer des groupes de cerfs-volants disposés dans des fermes AWE ou dans un carrousel. Le principal inconvénient est ici l’intermittence de l’énergie produite, car une fois le câble déroulé, il est nécessaire de faire redescendre l’objet volant... Ces cycles de pompage durent entre 30 secondes et 6 minutes selon les conditions de vents. La plupart des concepts ont démontré leur pertinence, mais de nombreux défis restent à relever pour faire de l’éolien aéroporté une réalité : la fiabilité à long terme (au moins vingt ans), la capacité de décoller et d’atterrir automatiquement, l’alimentation électrique à bord, l’efficacité globale du système (optimisation des ailes, conversion d’énergie, stockage…), la montée en puissance... 

Dans sa volonté d’encourager le développement des AWE, ENGIE a évalué de nombreux projets, notamment ceux d’EnerKite, TwingTec, SkySails.

À terre ou en mer (Offshore) ? 

Mais où installer les AWE ?  Le déploiement à terre est plus facile techniquement, mais pourrait être confronté à des problèmes d’autorisation. Une alternative prometteuse, compte tenu du plus grand potentiel éolien, réside dans le développement de concepts offshore sur des flotteurs, particulièrement adaptés pour étendre le marché de l’éolien en mer (selon la vision d’ENGIE) dans des zones en eaux profondes et éloignées des grandes infrastructures portuaires, où il est difficile d’installer et d’exploiter des éoliennes HAWT, fixes ou flottantes, de façon compétitive. 



La diversité des concepts d’éoliennes aéroportées. L’électricité est produite à bord de l’engin volant (à gauche) équipé d’un générateur d’électricité, ou bien au sol dans des générateurs actionnés par le câble retenant les dispositifs volants (à droite).


À cet égard, les AWE ont trois avantages décisifs : elles se présentent sous la forme de plateformes flottantes légères, les vents marins sont plus forts et l’espace disponible est presque «  illimité  ». Des emplacements « intermédiaires » sont aussi possibles, par exemple à bord d’un cargo pour fournir une énergie auxiliaire. Une fois la démonstration du concept acquise, les AWE s’adresseront à différents marchés cibles d’ENGIE  : l’énergie éolienne décentralisée et à petite échelle (de 100 à 500 kW par unité), centralisée et à grande échelle (de 500 kW à plusieurs MW) et l’énergie éolienne en mer. 

Quoi qu’il en soit, l’AWE doit être considérée comme une technologie complémentaire des parcs éoliens classiques centralisés sur terre ou en mer et ne devrait pas concurrencer les autres technologies de conversion des énergies renouvelables. Si aucune barrière technique ne semble impossible à surmonter, le principal obstacle pour le déploiement et l’exploitation à grande échelle de l’AWE réside ailleurs. En effet, les éoliennes aéroportées étant des engins volants, les permis, la réglementation aérienne et l’acceptation sociale peuvent constituer une limitation importante. Néanmoins, même si c’est sur le long terme, l’AWE semble très prometteuse et porteuse d’une technologie de rupture en phase avec les besoins de la transition énergétique. Assurément, elles seront en place bien avant que le monde de John Adolphus Etzler, où l’humanité serait dispensée de travailler, n’advienne !

Par  Olivier  VAN OOST - ENGIE LABORELEC et  Rob VERSTEIRT - ENGIE Research pour le Hors-série du magazine Pour la Science : "Aller chercher l'énergie dans le ciel, dans la mer et sous la terre"

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