Une histoire d'éolienne

A la fin de l’année 2022, 21 des 56 réacteurs nucléaires français étaient à l’arrêt. En 2021, près de 70% de l’électricité était produite par cette énergie. Ainsi, dans un contexte de crise énergétique mais aussi de transition, la diversification des moyens de production via les énergies renouvelables est à développer.

Au cours de l’Histoire, plusieurs machines utilisant l’énergie du vent ont vu le jour. Utilisées pour moudre du grain certaines d’entres elles permettent de produire de l’électricité. Les éoliennes contemporaines sont le fruit de multiples évolutions, quelles sont les inventions qui ont influencé leur développement ?

L'utilisation de l’énergie mécanique : du VIIe au XIXe siècle

L’histoire des éoliennes commence par l’utilisation de l’énergie cinétique du vent pour réaliser un travail mécanique. Celle-ci est destinée à mouvoir des objets pour se déplacer, se rafraîchir, ou encore se nourrir. Les ancêtres des éoliennes modernes sont les moulins à vent, dont les premières traces datent du VIIe siècle. Ils floriront en Europe à partir du XIe siècle.

Le moulin à vent perse

En Iran au VIIe siècle voient le jour les moulins à vent perses, premiers du genre et dont les derniers perdurent encore au sommet du village de Nashtifan. Fabriqués à base d’argile et de paille, ils sont composés de lames en bois reliées à un axe vertical sous lequel est fixée une pierre roulante. La force du vent sur les lames permet de faire tourner la pierre et de moudre le grain.

Le moulin à vent traditionnel

Les moulins à vent se démocratisent à partir du XIe siècle avec une version plus complexe que le modèle perse. Le moulin se dote d’une tour, l’axe bascule et devient horizontal, les lames en bois se transforment en ailes en toiles avec une armature en bois, et un système d’engrenage permet d’amplifier leur mouvement. Un système de frein est ajouté pour éviter l’emballement du mécanisme.

Si la forme et la taille des moulins varient en fonction de l’époque et de la localisation, le moulin typique du XI au XVIIIe siècle comporte quatre ailes rectangulaires. Celles-ci sont orientées par rapport aux vents grâce à un système de calotte posée au sommet de la tour ou via un socle orienté par un gouvernail

L'éolienne de Bollée

L’éolienne de Bollée est équipée de deux roues en fer fixées au sommet de sa colonne. La première se met à tourner quand le vent la frappe de biais et ce mouvement active un engrenage qui oriente la tête de l’éolienne face au vent. La seconde roue, placée à l’arrière de l’éolienne, possède des pales dans le sens opposé de la première qui dirigent perpendiculairement le flux d’air pour actionner des pompes.

Le moulin à vent devient officiellement une éolienne en 1868 en France, lorsque la famille Bollée dépose un brevet pour leur moulin sous l’appellation « éolienne ». Si les caractéristiques de cette première éolienne sont similaires à celles des moulins à vent, les rendements permis sont optimisés : la tour gagne en altitude (15 m) et l’orientation par rapport aux vents devient automatique.

Les moulins à vent s’installent pendant huit siècles en Europe. A partir du XIXe siècle, un nouvel eldorado s’ouvre pour l’énergie éolienne, grâce à l’avènement de l’électricité et à la découverte de la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Cette dernière est faite par une machine dynamoélectrique dans un premier temps, puis par un alternateur, plus puissant.

La conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique : les précurseurs des éoliennes modernes (fin XIXe-début XXe)

Les moulins 2.0. permettent de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Le vent met en mouvement les pâles du rotor qui, reliées à un arbre de transmission, actionnent des roulements (avec un multiplicateur de vitesse) et une génératrice. Au même moment se lancent plusieurs projets d’éoliennes électriques, en Ecosse, en France, aux Etats-Unis et au Danemark.

L'éolienne de James Blyth

La toute première éolienne produisant de l’électricité est verticale. Inventée en 1887 par l’écossais James Blyth, elle mesurait 8 m de haut. Blyth est le premier à placer la dynamo sur la tour de l’éolienne et non au sol, ce qui deviendra la norme sur les éoliennes modernes.

Blyth synthétise alors la problématique qui façonnera un siècle de recherche et développement : « n’importe quel idiot peut créer une éolienne qui tourne et produit de l’électricité, mais le défi est d’en fabriquer une qui puisse être laissée sans surveillance sans qu’elle ne s’emballe jusqu’à la destruction [1] ».

L'éolienne de Charles de Goyon

Au même moment en France, Charles de Goyon met au point une éolienne électrique et automatisée à partir d’un moulin à vent américain multipale auquel il ajoute deux dynamos qui se situent au sol dans un cabanon. Mesurant 18m de haut pour 12 m de diamètre, elle a une puissance de 12 kW. Il s’agira de la première éolienne électrique commercialisée en France : installée près du Havre, elle permettait d’alimenter le phare de la Hève.

L'éolienne de Charles Brush

Parmi les premières éoliennes électriques, celle de l’américain Charles Brush de 1888 reste la plus célèbre. En bois de cèdre, elle mesure 18 m de haut, son rotor est composé de 144 pales pour un diamètre de 17 m. Pour convertir l’énergie fournie par le vent en énergie électrique, Charles Brush invente une dynamo à courant continu.

L’éolienne a une puissance de 12 kW et a permis, pendant 20 ans, d’alimenter les batteries des accumulateurs de la maison de l’inventeur.

L'éolienne de Poul La Cour

Deux ans plus tard, en 1890, le danois Poul La Cour conçoit lui aussi une éolienne capable de produire de l’électricité; Il la teste et l’optimise dans une soufflerie créée par ses soins. Avec un nombre réduit de pâles (seulement quatre), elle tourne plus vite et a une puissance de 25 kW ; soit deux fois plus que celle de Brush. Les éoliennes de La Cour seront les plus utilisées jusque dans les années 1920.

Dès 1920, les avancées faites pendant la Première Guerre mondiale dans l’aéronautique profitent au développement des éoliennes et l’optimisation des pales. Le français Louis Constantin, par exemple, utilise des hélices d’avions, l’allemand Kurt Bilau perfectionne lui aussi l’aérodynamisme des pales.

Parmi les avancées notables de l’entre deux guerres, on peut également noter le tout premier raccordement à un réseau de courant alternatif (Danemark, 1919), la création d’une association d’Energie éolienne en France par Louis Constantin, et le design de l’éolienne à axe verticale de Darrieus.

L’essor des éoliennes électriques à la suite de la Seconde guerre mondiale

Si le développement de l’énergie éolienne fait partie du plan d’autosuffisance de l’Allemagne nazie, peu d’avancées sont faites pendant cette période en Europe, mis à part au Danemark, qui continue d’installer des éoliennes électriques. Après la Seconde Guerre mondiale, des programmes de recherche voient le jour en Europe pour diversifier les sources d’énergie et réduire la dépendance aux énergies fossiles. Les véritables prouesses techniques nous viennent du danois Johannes Juul et de l’allemand Ulrich Hütter.

Les programmes nationaux d'après-guerre

En France, EDF crée une division Energie du Vent en 1946 au sein de la Direction des Etudes et Recherches. Grâce à cette unité, des anémomètres sont placés sur tout le territoire, ce qui permet d’établir les premières cartes d’intérêt pour l’éolien.

Trois tests d’éoliennes sont réalisés par EDF entre 1958 et 1962 :

L’aérogénérateur de Neyrpic (tripale de 132 kW, 21 m de diamètre) est installé en 1958 à Saint Rémy des Landes. Il fonctionne de 1959 à 1966 et produit 700 000 kWh sur cette période.
Sur le même site, une éolienne de 1000 kW (tripale, 35 m de diamètre) est testée en 1964. En raison de trop nombreux problèmes techniques, l’éolienne est démantelée en 1966, avec 500 000 kWh produits en deux ans.
L’éolienne Best-Romani (800 kW, 30 m de diamètre) du nom de Lucien Romani est testée en parallèle à Nogent-le-Roi entre 1956 et 1962.

En Grande-Bretagne, l’Autorité britannique de l’Electricité (British Electrical Authority) est créée au sortir de la Guerre et finance des tests éoliens. 3 éoliennes d’une puissance de 100kW chacune sont installées.

L’éolienne de John Brown Engineering (tripales, 15 m de diamètre) est installée en 1955 à Orkney Islands.
L’éolienne De Havilland (bipales, 24 m de diamètre) est installée en 1951 au Pays de Galles. Face à l’opposition locale au projet et des tests non concluants, le projet est abandonné.
Sur l’Ile du Man, une éolienne (tripale, 15 m de diamètre) est installée en 1959 et produit 230 à 240 MWh/ an. L’expérimentation est arrêtée pour des raisons économiques au bout de 5 ans.

L'éolienne de Johannes Juul

Au Danemark, Johannes Juul est à l’origine de l’éolienne la plus avancée de l’époque. Il travaille pour le fournisseur d’électricité de Copenhague (SEAS) sur de nouvelles éoliennes dès 1947 et teste plusieurs modèles dans les années 1950.

Dans la lignée de son professeur Poul La Cour, il conçoit en 1957 l’éolienne Gedser (24 m de diamètre), qui se rapproche le plus des éoliennes modernes. Composée d’un mât et d’un rotor à trois pâles orientées vers le vent, elle est reliée à une génératrice d’une puissance de 200 kW. Un système de sécurité est ajouté avec des freins aérodynamiques et des extrémités pivotantes capables de ralentir le rotor en cas de vents trop forts. L’éolienne fonctionne de 1959 à 1967 et produit en moyenne 275 MWh / an.

Dans la lignée de son professeur Poul La Cour, il conçoit en 1957 l’éolienne Gedser (24 m de diamètre), qui se rapproche le plus des éoliennes modernes.

Composée d’un mât et d’un rotor à trois pâles orientées vers le vent, elle est reliée à une génératrice d’une puissance de 200 kW. Un système de sécurité est ajouté avec des freins aérodynamiques et des extrémités pivotantes capables de ralentir le rotor en cas de vents trop forts. L’éolienne fonctionne de 1959 à 1967 et produit en moyenne 275 MWh / an.

L'éolienne d'Ulrich Hütter

En Allemagne, l’initiative la plus connue est celle d’Ulrich Hütter qui travaille pour l’entreprise Allgaier. Il teste dès 1949 à Holzhausen une éolienne de 11 m de diamètre et de 10 kW de puissance. En 1957, il met au point la turbine bipale StGW-34 d’une puissance de 100kW (34m de diamètre). L’innovation technique réside dans le choix du matériau des pales, en fibre de verre. Il lègue aussi en héritage « la bride d’Hütter », méthode de fixation des pales au moyeu du rotor avec des filaments de fibre de verre.

Les chocs pétroliers et le nouvel essor de l’éolien jusqu’à aujourd’hui

L’industrie éolienne renaît à la faveur des chocs pétroliers, qui comme au sortir de la guerre posent la question de l’indépendance énergétique face à la pénurie de pétrole. Alors que le nucléaire a le vent en poupe, les Etats-Unis, l’Allemagne, le Royaume-Uni, la Suède mais surtout le Danemark se lancent dans l’éolien.

Les années 1970-80 : L’essor de l’industrie éolienne au Danemark

Au Danemark, la filière éolienne émane de la société civile. Elle se construit grâce au développement de l’industrie et aux mesures prises par le gouvernement en place.

Du côté de l’opinion publique danoise, les oppositions au nucléaire sont nombreuses. L’éolien est perçu comme une alternative intéressante. La société civile s’investit alors dans la construction et la promotion des éoliennes.

L'éolienne Tvindkraft

Entre 1975 et 1978, un groupe d’étudiants et d’académiques de l’école Twind met au point l’éolienne Tvindkraft. Toujours en fonctionnement aujourd’hui, l’éolienne tripale a une puissance d’1MW et un diamètre de 54m. Elle capte les vents arrières. Le modèle des pales sera repris par de nombreux autres constructeurs d’éoliennes.

L'éolienne Riisager

En 1976, un charpentier, Christian Riisager construit l’une des éoliennes les plus avancées de l’époque. Il s’agit d’une tripale d’un diamètre de 10 m, d’une puissance de 22 kW avec des pales en bois. Ce modèle s’impose au Danemark (des 24 éoliennes opérant au Danemark en 1979, 18 sont des éoliennes Riisager) et s’exporte aux Etats-Unis. 200 éoliennes de ce type sont en fonctionnement en 1985.

Les Danois, pionniers de l'éolien

Plus généralement, les coopératives agricoles installent de nombreuses éoliennes et jouent un rôle actif dans leur promotion. Elles se regroupent au sein d’une association en 1978 qui leur permet de négocier directement avec les fabricants. Il en résulte un fort attachement de la société au secteur.

Le gouvernement danois de l’époque soutient financièrement l’essor de l’éolien. En 1979, il accorde 30% de subvention pour l’achat d’éoliennes. En 1981, le premier plan national de l’Energie danois fixe l’objectif d’installation de 60 000 petites éoliennes sur le territoire d’ici 2000, pour produire 8,5% de l’énergie consommée dans le pays. En 1985, les pouvoirs publics abandonnent officiellement toute velléité de développement du nucléaire. La catastrophe de Tchernobyl en 1986 accélère encore le développement de l’éolien, avec Le Plan de l’Energie 2000 fixant un objectif d’installation de 1 500 MW en 2005.

Le développement du marché mondial

Face à ce climat favorable, la filière industrielle s’organise également. Vestas, aujourd’hui leader sur le marché, se lance ainsi dans l’éolien en 1979. En 1981, elle synthétise les meilleures innovations en matière d’éolienne et lance l’éolienne Vestas V15 (15 m de diamètre, 55 kW de puissance, vents de front) qui s’impose dans les paysages.

Dans les autres pays, les programmes nationaux visent à développer des éoliennes très puissantes, qui s’avèrent être des échecs techniques et commerciaux. Ainsi aux Etats-Unis, la NASA accompagnée de General Electric et Boeing conduit plusieurs essais entre 1977 et 1987 (éolienne Mod-0 de 2 500 kW à Mod-5 de 3 200 kW). Le gouvernement allemand met également en place un programme national pour le développement de l’éolien (Grosse Wind Energie Anlage Programme) avec Hütter, avec un objectif de 3 000 kW de puissance. Ces tentatives ne sont pas concluantes et les éoliennes sont démontées après quelques années d’utilisation.

Dans un premier temps, ce sont donc les éoliennes danoises qui rayonnent à l’international et notamment en Californie lors de la « Ruée éolienne » (Wind Rush) des années 1980. Durant cette période, le gouvernement fédéral fixe un objectif de 20% d’électricité renouvelable dans le pays d’ici 2000. L’Etat de Californie offre 25% de subvention sur l’éolien et réalise une cartographie des zones propices aux éoliennes. A cette période, plus de 11 000 éoliennes sont ainsi installées en Californie.

Les technologies divergent selon les constructeurs, les danois préférant des tripales captant les vents de face, les allemands les bipales captant les vents arrières, et les américains les bipales ou tripales captant les vents arrières.

La montée en puissance des éoliennes modernes

Depuis les années 1980, la recherche de puissance a conduit à l’augmentation de la taille des éoliennes, à la mise en place de parcs massifs et au développement de l’éolien offshore.

En 40 ans, la puissance d’une éolienne terrestre a été multipliée par 50 ! La V162 développée par Vestas, est l’aérogénérateur le plus puissant : avec un diamètre de 162 m, sa capacité est de 6 200 kW. Les autres fabricants d’éoliennes ne sont pas en reste : Nordex, General Electric, Siemens Gamesa et Enercon ont développé des éoliennes ayant des puissances similaires.

En parallèle des éoliennes terrestres, l’éolien en mer se développe au XXe siècle. En mer, les vents sont plus forts et plus réguliers ; ils ont l’avantage d’avoir moins d’obstacles sur leur trajectoire. Les éoliennes peuvent également être plus grandes et génératrices de plus de puissance.

Dès 1991, le Danemark, toujours à la pointe en matière d’éolien, installe un parc de 5 MW au large de ses côtes, à Vindeby. En 2002, le pays installe un nouveau parc à Horns Rev de 160 MW. Depuis les années 2010, le déploiement des éoliennes offshores s’accélère avec des projets d’éoliennes de plus en plus puissantes.

Conclusion

En 2023, l’objectif de raccordement pour l’éolien est compris entre 21,8 et 26 GW. A la fin de l’année 2021, la puissance raccordée était de 18,9 GW.

Aujourd’hui, la production est majoritairement portée par l’éolien onshore et offshore. Pour participer à l’atteinte de ces objectifs, les moyens de production utilisant le vent se diversifient. Ainsi, de nouvelles technologies permettent de se rapprocher des villes quand d’autres y sont installées.

En bordure de ville : les aérogénérateurs ont un rotor plus grand et se mettent à tourner pour des vents moins rapides que ceux en campagne ;
En ville : ce sont plutôt des éoliennes que l’on place sur les toits, comme la WindBox. Elles bénéficient de l’accélération des vents lorsqu’ils remontent sur les façades des bâtiments.

Toutes ces avancées nous placent sur la bonne voie pour se rapprocher de ces objectifs.

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Sources

[1] Gipe P, Möllerström E. An overview of the history of wind turbine development: Part I—The early wind turbines until the 1960s. Wind Engineering. 2022;46(6):1973-2004. doi:10.1177/0309524X221117825 “any fool can make a wind turbine go round to generate electricity, but the challenge is to make one that can be left unattended without over-speeding to destruction.”