• Bilan Carbone® de l'électricité éolienne

première diffusion octobre 2009 - dernière mise à jour février 2012

  • Résumé

En petite quantité, produire de l'électricité à partir d'éoliennes est une "bonne affaire". A l'opposé imaginer assujettir les activités humaines à un recours très majoritaire à cette source de production d'électricité, complètement dépendante de la présence et de la force du vent, n'est pas envisageable. Sans imaginer non plus un seuil fatidique en deçà duquel l'éolien serait parfait et inutile au delà, la véritable question est de savoir, dans une région déterminée et face à une habitude de demande et de production données, quel serait le dosage pertinent d'éolien dans la production globale d'électricité.

 

L'objectif de cette étude est de donner une estimation du contenu en gaz à effet de serre de l'électricité d'origine éolienne (en g équ. CO2 / kW.h), selon différents cas simples d'emploi.

Chaque cas est qualifié à l'aide d'adjectifs permettant d'en faciliter la compréhension et est agrémenté d'un calcul permettant d'en appréhender l'impact en ordre de grandeur.

 

  • Cas 1 : l'éolien isolé

Les émissions grises (de construction) d'une éolienne de 1,5 MW de puissance nominale (en l'occurrence d'environ 210 tonnes sur un socle en béton de 275 m3), considérée isolément, est de cet ordre :

Total d'environ 800 t équ CO2, le poste principal étant le béton de la fondation et l'acier.

Avec une hypothèse de facteur de charge de 20 % (= équivalence de temps de fonctionnement à puissance maximale) et une durée de vie moyenne de l'ensemble de 30 ans, on obtient environ 10 g CO2e / kW.h.

Ce premier cas ne permet de disposer de courant qu'en présence de vent, la puissance délivrée étant fonction de sa force, ce qui ne correspond pas à la demande des consommateurs qui le souhaitent en globalité relativement stable.

Nous supposerons par la suite que l'intermittence de force instantanée du vent, à l'échelle de la minute, est lissée au niveau du parc lui-même. Les systèmes de production complémentaire d'électricité s'attacheront à traiter l'intermittence de présence ou force moyenne du vent, à l'échelle de la journée, ce dont ils sont parfaitement capables.

Dans un but didactique, les cas suivants vont s'attacher à permettre une production strictement constante de 1 MW selon diverses stratégies d'approvisionnement. C'est donc le Bilan Carbone® du kW.h moyen qui est alors estimé.

 

  • Cas 2 : l'éolien + gaz

Dans ce cas, l'installation comprend une éolienne de 1 MW, et une centrale thermique permettant d'obtenir le MW demandé par vent faible ou nul (ou tempête).

Nous considérerons dans les calculs l'emploi d'une centrale thermique à gaz (hypothèse de 450 gCO2e / kW.h en cycle combiné) plutôt que celle d'une version à charbon (environ 950 gCO2e / kW.h).

Le bilan carbone® du kW.h est alors de 10 x 20% + 450 x 80% = 362 gCO2e / kW.h

 

  • Cas 3 : l'éolien bridé + gaz

Dans une volonté d'abaisser les émissions de CO2 par kW.h de la solution précédente, nous allons quintupler la puissance éolienne, quitte à n'en utiliser souvent qu'une partie, de sorte à significativement augmenter le facteur de charge. Cela permet d'obtenir le MW demandé même par vent faible, et de n'utiliser la centrale à gaz qu'en absence de vent (ou par tempête).

Nous supposerons que l'installation éolienne d'une puissance nominale de 5 MW produit 1 MW par vent faible, et que son facteur de charge est alors de 50%.

Le bilan carbone® du kW.h est alors de 5 x 10 / (50/20) x 50% + 450 x 50% = 235 gCO2e / kW.h

 

  • Cas 4 : éolien foisonné

L'idée est ici d'utiliser deux champs suffisamment éloignés pour que leurs conditions de vent soient indépendantes.

Si l'on considère la perte de rapatriement à 20% (perte réelle + amortissement du réseau à renforcer), cela pourrait conduire à une puissance éolienne de  1 + 1,2 MW, un facteur de charge de 20 + 20x80% = 36 %, et donc un bilan carbone ® de  2,2 x 10 / (36/20) x 36% + 450 x 64% = 292 g CO2e / kW.h

A l'image du cas 3, le redimensionnement de la puissance du parc à 11 MW, de sorte de porter le facteur de charge à 2 x 50% aléatoires = 75%, permet d'obtenir un bilan carbone® de 11 x 10 / (75/20) x 75% + 450 x 25% = 135 g CO2e / kW.h

 

  • Cas 5 : éolien + réservoirs 

Nous envisageons ici de nous passer de l'utilisation d'une centrale thermique grâce à des réservoirs d'eau.

Le principe est d'obtenir une production constante en stockant le trop plein d'énergie obtenu par vent soutenu, et en le redistribuant par vent faible ou nul (ou par tempête). Pour cela nous supposons la construction de deux réservoirs situés à des hauteurs différentes, entre lesquels sont installées des turbines fonctionnant dans les deux sens, c'est à dire en pompage ou en générateur de courant selon la météo.

En supposant que ce stockage / déstockage d'énergie s'effectue avec un rendement de 75 %, cela conduit à une installation éolienne de 6 MW.

En supposant que la réserve d'eau doive permettre de pallier l'absence de vent pendant une semaine complète, son volume est alors d'environ 3 000 000 m3 pour 20 mètres de dénivelé, soit 20 ha x 15 mètres de profondeur.

Si le réservoir supérieur est près des côtes, il peut être envisagé que le réservoir inférieur soit la mer elle-même. En milieu montagneux l'augmentation du dénivelé entre les deux réservoirs permettra d'en réduire proportionnellement le volume.<

En supposant que le contenu carbone de l'énergie obtenue des réservoirs est de l'ordre de celui de l'hydroélectricité moyenne (6 gCO2e / kW.h), le bilan carbone® du kW.h est alors de 6 / 5 x 10 + 2 x 6 x 80% = 22 gCO2e / kW.h

 

  • Cas 6 : l'éolien de substitution

Dans ce cas, nous supposerons qu'il existe initialement une production d'électricité provenant de centrales thermiques à gaz.

Cette production thermique initiale peut être permanente ou saisonnière. Selon l'hypothèse de calcul retenue, la part substituée peut varier de - 500 gCO2e / kW.h si elle est permanente, à de l'ordre du quart en moyenne si seul l'hiver est considéré (détails sur la page électricité) ; le bilan carbone® du kW.h varie alors d'environ - 100 à - 500 gCO2e / kW.h (voire de l'ordre de 1 kg équ. CO2 / kW.h dans le cas de centrales permanentes à charbon).

Le délai d'amortissement en gCO2 de l'investissement est alors amorti dans un délai de quelques mois à 3 ans selon la situation initiale et l'hypothèse de calcul retenue.

Cette substitution est cependant limitée en puissance, car si la puissance nominale du parc dépasse la puissance des centrales thermiques existantes, le calcul doit alors prendre en compte un taux de foisonnement entre des sites ventés différemment, une perte de puissance devenue inutile par vent soutenu, qui fera peu à peu baisser son intérêt au fur et à mesure de l'accroissement de capacité installée.

C'est alors que deviendra de plus en plus nécessaire d'adjoindre aux nouveaux parcs des capacités de stockage tampon lissant la production.

 

  • Déplacement temporel de la demande

Sans aller jusqu'à imaginer n'autoriser la consommation d'électricité qu'en fonction de la présence et force du vent, il est envisageable d'aménager le réseau pour privilégier le déclenchement à distance de certains consommateurs électriques afin d'en favoriser l'usage en présence de vent.

Sans en attendre un taux très significatif, cette possibilité peut permettre à l'éolien une légère ré-évaluation de son seuil de pertinence, en évitant de l'associer de ce fait à une demande parfaitement constante (ou complètement dé-corrélée, ce qui revient à peu près au même)

 

  • Synthèse

Dans les exemples cités le bilan carbone® du kW.h constant consécutif au choix de l'éolien varie de l'ordre de - 900 gCO2e / kW.h à + 400 gCO2e / kW.h

  Nouvelle production de 1 MW  Puissance Appoint g CO2e / kW.h
Cas 1 Eolien isolé 5 MW sans 10
Cas 2 Eolien + centrale au gaz 1 MW gaz 80 % 362
Cas 3 Eolien bridé + centrale au gaz 5 MW gaz 50 % 235
Cas 4 Eolien foisonné + centrale au gaz 2,2 MW gaz 64 % 292
  idem redimensionné 11 MW gaz 25 % 135
Cas 5 Eolien + réservoirs d'eau 6 MW hydro 80 % 22
Cas 6 Eolien en substitution partielle limitée / gaz
/ charbon
- 100 à - 500
environ - 1 000

Attribuer un contenu carbone au kW.h d'origine éolienne nécessite d'évidence d'en analyser le contexte périphérique.

Le contexte le plus performant est la substitution d'électricité d'origine thermique, sans aller jusqu'à trop dépasser en puissance éolienne celle du parc thermique pré-existant.

Au delà de cet ordre de grandeur et afin de maintenir une bonne performance en émission de CO2, les installation éoliennes doivent être foisonnées et associées à un stockage tampon d'énergie, par exemple sous forme de vastes réservoirs d'eau, ce qui conduit à reconsidérer le volume de l'investissement, qui est étendu à ces infrastructures spécifiques non directement productives...

 

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