Table des matières
- Comment définir une mini et micro-éolienne?
- Quelles sont les technologies disponibles sur le marché?
- Quels sont les avantages et inconvénients des différentes technologies d'éoliennes?
- Quels sont les paramètres influençant la production d'énergie ?
- Quels sont les impacts des éoliennes en milieu urbain?
- Rentabilité des éoliennes urbaines?
- Quelle est la réglementation à suivre en matière d'éolienne urbaine ?
- Quelles sont les aides et primes disponibles ?
- Exemples d'application
- Aller plus loin
Comment définir une mini et micro-éolienne?
Les termes mini et micro sont utilisés dans ce dispositif pour définir des éoliennes de petite à très petite taille, adaptées au milieu urbain (puissances inférieures à 10 kW). Le tableau ci-dessous récapitule les caractéristiques de ces éoliennes, ainsi que celles d'éoliennes plus grandes:
| Famille | Définition |
Surface balayée [m²] |
Diamètre équivalent [m] |
Puissance nominale [kW] |
|---|---|---|---|---|
| Micro-éolienne | éolienne domestique qui couvre des besoins très limités et sites isolés | A ≤ 5 | 0,3 < D < 2 | 0,3 < P < 1 |
| Mini-éolienne | éolienne pour usage résidentiel | 5 < A ≤ 80 | 2 < D < 10 | 1 < P < 10 |
| Petite éolienne | éolienne pour usage industriel | 80 < A ≤ 200 | 10 < D < 16 | 10 < P < 50 |
| Grande éolienne | éolienne à moyenne et haute puissance, parcs éoliens | A > 200 | D > 16 | P > 50 |
A noter que la norme de référence, IEC 61400-2 (2013) classe dans la catégorie des « petites éoliennes » les génératrices ayant une surface de rotor balayée de maximum 200 m²;, soit un diamètre de rotor de 16 m et une puissance nominale équivalente d'environ 50 kW. Les autres termes (micro, mini, grandes éoliennes) ont été choisis arbitrairement et peuvent être employés de manière différente en fonction de la source.
Quelles sont les technologies disponibles sur le marché?
Les mini et micro-éoliennes disponibles sur le marché sont nombreuses et se distinguent par une multitude de caractéristiques techniques : architecture des rotors, trains électromécaniques ou encore systèmes de contrôle.
Néanmoins, la méthode la plus commune de classification est basée sur leur axe de rotation: éolienne à axe horizontal ( HAWT pour Horizontal Axis Wind Turbine ) ou éolienne à axe vertical ( VAWT pour Vertical Axis Wind Turbine ). Les éoliennes à axe horizontal dominent le marché actuel.
Répartition des éoliennes sur le marché
| Catégorie | Variantes |
|---|---|
| Géométrie | Axe horizontal (HAWT) ou vertical (VAWT) ou hybride |
| Mât et fondations | Autoportant ou haubané |
| Régulation | Aérodynamique ou électronique à pales fixes ou calage variable des pales |
| Orientation au vent | Motorisée ou par gouvernail |
Eoliennes à axe horizontal
La caractéristique principale de ces éoliennes est l'axe du rotor, qui est parallèle à la direction du vent et qui tourne dans un plan perpendiculaire à cette direction. Les machines à axe horizontal se distinguent par la présence du rotor, au vent ou sous le vent. Le rotor peut être installé sur une tour tubulaire ou en treillis.
Il existe de nombreuses variantes à la typologie classique, dont la typologie carénée (éoliennes munies d'un conduit convergeant ou divergeant externe au rotor) et la typologie « Darrieus », à axe horizontal.
Représentation d'éoliennes à axe horizontal au vent (à gauche) et sous le vent (à droite
Darrieus
Darrieus
Darrieus
Carénée
Carénée
Eoliennes à axe vertical
Une éolienne à axe vertical se caractérise par un rotor qui tourne sur un axe perpendiculaire à la direction du vent, tandis que les lames sont déplacées dans la même direction. L'axe vertical utilise efficacement la portance aérodynamique. Ces éoliennes peuvent être regroupées selon les sous-catégories suivantes, elles-mêmes déclinées en plusieurs variantes:
- Savonius : Dispositif comportant deux ou trois lames qui, dans sa section transversale, forment un « S »
- Darrieus : Lames droites, verticales, reliées à la tour centrale par des supports horizontaux.
- Hélicoïdal : Forme de lames reposant sur le modèle dit « troposkein », ou hélicoïdal. Le rotor est réalisé avec 2 ou 3 pales.
Savonius
Savonius
Darrieus
Darrieus
Hélicoïdal
Hélicoïdal
Eolienne hybride
Des modèles hybrides sont également proposés. Ces éoliennes associent en parallèle éoliennes Darrieus, dotées de bons rendements, avec des machines Savonius qui assurent leur couple maximal pour les faibles vitesses de vent.
On trouve aussi dans cette catégorie, les éoliennes couplée à des panneaux solaires. Il s'agit d'exploiter simultanément ou alternativement l'énergie éolienne et solaire pour produire de l'électricité.
Quels sont les avantages et inconvénients des différentes technologies d'éoliennes?
| Avantages | Inconvénients | |
|---|---|---|
| Eoliennes à axe horizontal |
|
|
| Eoliennes à axe vertical |
|
|
Quels sont les paramètres influençant la production d'énergie ?
Paramètres de base
La puissance instantanée d'une éolienne vaut:
ρ: masse volumique de l'air (environ 1,2 kg/m³);
A: aire balayée par les pales de l'éolienne;
v: vitesse du vent;
r: rayon du rotor (longueur d'une pale).
On remarque donc que la puissance de l'éolienne dépend du cube de la vitesse du vent: un vent deux fois plus rapide engendre une puissance instantanée 8 fois plus élevée. Des pales plus longues engendrent également une puissance instantanée plus élevée.
Autres paramètres
D'autres facteurs indirects, interviennent dans la production d'énergie:
-
facteurs liés à l'éolienne:
- hauteur du mât;
- vitesse d'amorçage;
- capacité d'extraire efficacement l'énergie à des vitesses de vent faibles typiques des milieux urbains;
-
facteurs liés au vent:
- stabilité de la direction du vent;
- vents laminaires ou turbulents.
A Bruxelles le vent moyen est de +/-3.5m/s (données IRM d'Uccle). Pour information Bruxelles Environnement a réalisé une « étude de mesure du vent en Région de Bruxelles-Capitale » (uniquement disponible en néerlandais) pour évaluer le potentiel éolien.
Evaluer l'impact des paramètres d'influence
Une étude de vent spécifique au site (type CFD) est essentielle pour évaluer les facteurs d'influence. Celle-ci permettra de:
- choisir la technologie appropriée au site;
- dimensionner au mieux la puissance de l'éolienne;
- évaluer la production théorique annuelle. Pour cette dernière, il ne suffit pas de considérer uniquement la puissance nominale de la machine mais la courbe de puissance depuis la vitesse de démarrage jusqu'à la vitesse maximale.
Une bonne prédiction de la production annuelle d'énergie est à la base de toute évaluation d'un projet d'implantation de petite éolienne. Pour cela, le projet se basera idéalement sur des courbes de puissance testées ou certifiées, par des laboratoires de test reconnus, comme par exemple, le National Renewable Energy Laboratory (NREL - USA). Néanmoins, les fabricants de petites éoliennes ne sont actuellement pas obligés de suivre les procédures de certification onéreuses auxquelles sont soumises les grandes éoliennes.
La conformité des éoliennes aux normes spécifiques, telles que AWEA établies en 2009, Renewable UK en 2014 et l'IEC en 2013, devraient aider à rendre les éoliennes disponibles sur le marché plus performantes, plus fiables, et ainsi consolider le marché.
Quels sont les impacts des éoliennes en milieu urbain?
Les éoliennes peuvent avoir un impact sur l'environnement humain (particulièrement important en milieu urbain) et naturel. Les éléments à prendre en considération dans le cadre de l'évaluation d'un projet sont: le bruit et les vibrations, la sécurité, l'ombre induite, l'impact visuel et l'impact sur la biodiversité.
Bruit et vibration
Le bruit qu'émet une turbine éolienne est provoqué par le frottement des lames avec l'air et, dans une moindre mesure, par le générateur. Le bruit peut être diminué en choisissant un modèle adapté et en jouant sur la vitesse de rotation du rotor.
Dans le cas d'une installation intégrée au bâti, l'éolienne peut être source de vibrations communiquées au bâtiment qui peuvent avoir un impact sur ce dernier (fissuration, problème de stabilité). Il y a par conséquent lieu de s'assurer que le bâti est adapté pour un tel projet et d'évaluer, le cas échéant, les mesures à mettre en œuvre pour minimiser ces vibrations (silent-blocks, caissons d'isolation du mât, toiture constituée d'une épaisse dalle de béton, etc.).
Les risques doivent faire l'objet d'analyses par un bureau d'études expérimenté. Les cas de nuisances liées aux vibrations en cas d'installation en toiture, même en béton, sont en effet nombreux. Cette question est d'autant plus primordiale si le bâti est existant et que le projet éolien n'a pas été intégré dans sa conception à l'origine.
En Région de Bruxelles-Capitale, le bruit et les vibrations sont régis par:
- L'arrêté du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale du 21/11/2002, relatif à la lutte contre le bruit et les vibrations générés par les installations classées ;
- L'arrêté du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale du 21/11/2002, relatif à la lutte contre les bruits de voisinage .
Ces arrêtés fixent des normes de bruit à respecter en fonction du moment de la journée. L'information se retrouve aussi de manière résumée sur le site de Bruxelles Environnement. Lors de l'évaluation d'un projet, il est donc opportun de consulter les normes qui s'appliquent et de les comparer avec les valeurs de bruit fournies par le fabricant de l'éolienne envisagée afin d'évaluer l'impact sonore du projet.
Sécurité
Le marché du petit éolien est relativement récent, au regard de celui du grand éolien, éprouvé depuis une plus longue période, dans les campagnes et en offshore. Il existe actuellement une grande diversité de marques et de modèles de petites éoliennes, à des prix variables. De cette diversité découle une qualité de conception inégale et donc une fiabilité variable. Les modèles de mauvaise qualité pourraient constituer un risque pour les personnes qui fréquentent le site d'exploitation et/ou les riverains du projet.
En ce qui concerne la fabrication de l'éolienne , il y a lieu de se référer à des normes ou certifications telles que la norme IEC 61400-2 ou la certification MCS 006 pour garantir un équipement de qualité qui pourra assurer une meilleure fiabilité du projet d'un point de vue sécurité.
Il existe également un risque de projection de glaces en période hivernale si de la glace se forme sur les pales du rotor. Il y a alors lieu d'envisager la mise en place d'un système de détection de glace asservi aux systèmes de contrôle de l'éolienne ou de prévoir l'arrêt systématique de l'installation en période de gel et de dégel.
Par ailleurs, des contrôles et entretiens réguliers devraient être envisagés pour s'assurer du bon fonctionnement continu de l'éolienne tout au long de sa durée de vie, estimée à 20 ans.
Ombres portées
L'effet d'ombres portées créé par la rotation des pales devant le soleil peut constituer une nuisance pour le voisinage. Cette ombre se déplace en fonction de la position du soleil dans le ciel (échelle journalière et saisonnière). Il est important d'en tenir compte lors de l'élaboration du projet, par des études d'ombres portées qui orienteront le choix de la localisation de l'éolienne.
Afin de pallier une nuisance trop importante, il est possible d'imposer de brider la machine au-delà d'un niveau d'ensoleillement (par exemple: max. 30 minutes par jour, max. 30 heures par an).
Impact visuel
L'impact visuel dans le contexte urbain constitue un facteur d'acceptation important. Une bonne intégration au bâti permettra d'harmoniser la présence des éoliennes dans le paysage urbain et facilitera son acceptation par les riverains.
Impact sur la biodiversité
Le petit éolien représente un moindre risque pour les espèces de haut vol et migratrices que le grand éolien. Néanmoins, le petit éolien peut impacter d'autres espèces protégées plus locales, telles que les chauves-souris, hirondelles, martinets… Il convient donc de vérifier l'impact du projet sur de telles population animales.
Rentabilité des éoliennes urbaines?
Investissement
Le marché des petites éoliennes n'est pas encore assez mature (de nombreux projets sont encore en phase de recherche et développement) pour bénéficier d'économies d'échelle. Frais d'installation et raccordement compris, il est souvent cité une fourchette allant de 5 000 € à 10 000 € le kW installé, ce qui en fait une technologie de production électrique chère.
Le prix d'installation dépendra de différents facteurs , notamment selon:
- le fait que l'éolienne est installée au sol ou sur un bâtiment (recours à une grue ou un ascenseur, type de fondation ou ancrage au bâtiment,…);
- le type et la hauteur de l'éolienne : une éolienne avec un rotor d'un plus grand diamètre qui est mieux adapté aux zones avec moins de vents forts, est plus chère qu'une éolienne adaptée aux vents forts (rotor de plus petit diamètre) ;
- le type et la puissance des batteries et la longueur du câble qui doit être tiré pour en assurer le raccordement au réseau.
Le coût d'installation peut ainsi représenter la moitié voire 100% du coût de l'investissement. Enfin, l'installation sur un bâtiment peut aussi avoir des impacts sur le coût de la structure du bâtiment (prise en compte de la surcharge et des vibrations).
Maintenance
Le coût de maintenance, s'élève à ± 3% de l'investissement par an.
On veillera par ailleurs à prévoir un emplacement avec accès facile pour la maintenance et le démontage des différentes pièces, sans avoir recours à une grue.
Retour sur investissement
La rentabilité des petites éoliennes dépend du modèle choisi et de sa réponse aux paramètres influençant sa production. Actuellement cette rentabilité est faible voire nulle, l'investissement restant trop important au regard de la production d'électricité. Elles ne sont par conséquent pas appropriées à l'affectation résidentielle qui optera plutôt pour du photovoltaïque, mais pourraient avoir une place dans le tertiaire dans le cas où le maître d'ouvrage souhaite s'inscrire dans une vision forte et visible de production d'électricité de source renouvelable.
Quelle est la réglementation à suivre en matière d'éolienne urbaine ?
En Région de Bruxelles-Capitale, les éoliennes sont considérées comme installation classée en fonction de leur puissance. La puissance à considérer est la puissance cumulée , dans le cas où plusieurs éoliennes sont placées sur le même circuit électrique (on parlera alors d'un parc éolien).
Pour des puissances de 1 à 250 kW (mini, petites et grandes éoliennes), la classification se fait suivant la rubrique 55-2A de la liste coordonnées des installations classées . L'installation est alors soumise à une autorisation de classe 1C, ce qui implique qu'une déclaration préalable doit être introduite auprès de Bruxelles Environnement, comportant les éléments suivants:
- description du projet,
- localisation précise sur plan,
- fiches techniques des modèles d'éoliennes envisagés,
- notice d'évaluation des incidences sur l'environnement et la sécurité.
Après analyse du dossier et éventuellement demandes complémentaires, Bruxelles Environnement délivre une prise d'acte accompagnée de conditions d'exploitation adéquates (durée de validité), fixées de manière à encadrer l'activité et à minimiser les éventuels impacts du projet sur la sécurité du public et l'environnement. Ces conditions devront être respectées à tout moment pendant la durée d'exploitation de l'installation.
D'un point de vue urbanistique, l'implantation d'une éolienne ou d'un parc éolien est toujours soumise à permis d'urbanisme, quelle que soit la puissance du projet.
Pour tout savoir sur le permis d'environnement, voir aussi le Guide administratif sur le site de Bruxelles Environnement. Les conditions spécifiques d'exploitation peuvent être, quant à elles, trouvées dans les guides exploitants.
Quelles sont les aides et primes disponibles ?
En Région de Bruxelles-Capitale, un système de certificats verts (CV) soutient la production d'énergie éolienne. De plus, des subventions, primes et exonération fiscale peuvent être obtenues.
Exemples d'application
L'architecture contemporaine offre des exemples d'intégration de l'énergie éolienne dans la façade. Néanmoins, peu d'expériences probantes ont été enregistrées en matière d'éoliennes intégrées au bâti. Plus qu'une réelle réponse aux enjeux climatiques, elles apportent actuellement une conscientisation de la population.
Les exemples ci-dessous, démontrent que les éoliennes peuvent devenir un élément architectural pivot, conférant au projet une image forte.
World Trade Center au Bahreïn (réalisé)
Greenway Parkest à Chicago (réalisé)
Bâtiment Strata SE1 à Londres (réalisé)
Cor Building à Miami
Dans les cas suivants, l'éolienne est « invisible » et intégrée entièrement dans l'architecture du bâtiment:
Clean Technology Tower à Chicago (non réalisé)
Rotating Tower à Dubai (non réalisé)
Pearl River Tower à Guangzhou (réalisé)
Pearl River Tower à Guangzhou (réalisé)
Dynamic Tower - Dubai (non réalisé)
Aller plus loin
Dans le Guide
Autres publications de Bruxelles Environnement
- Bruxelles Environnement (2010), Le bruit à Bruxelles - données de base pour le plan - Partie 37. Les valeurs acoustiques et vibratoires utilisées en Région bruxelloise (Fiche documentée sur les valeurs acoustiques et vibratoires en RBC)
- Bruxelles Environnement (2010), Le bruit à Bruxelles - données de base pour le plan - Partie 56. Les vibrations: normes et cadre réglementaire en Région bruxelloise (Fiche documentée sur les normes et cadre réglementaire vis-à-vis des vibrations en RBC)
- Clauses types pour l'élaboration d'un cahier des charges public de fourniture et d'exploitation des installations photovoltaïques
Sites Web
- UrbanWind (site du projet Wineur (Wind Energy Integration in the Urban Environment))
Bibliographie
- IEA Wind (2016), IEA Wind TCP - 2015 Annual Report
- RenewableUK (2015), Small and Medium Wind UK Market Report
- Arribas L., Testing and certification for small wind turbines (SWT): challenges and actions to address them , Présentation au workshop 'Needs and Gaps on Standardisation for Renewable Energy : Actions to facilitate the best use of Standardisation for renewables', CIEMAT
- Cace J. et al. (2007), Guidelines for small wind turbines in the built environment , rapport du projet WINEUR supporté par le programme européen Intelligent Energy Europe
- Celik A.N.(2003), Energy output estimation for small-scale wind power generators using Weibull-representative wind data , Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 91, pp. 693-707
- Drew, D. et al. (2015), The importance of accurate wind resource assessment for evaluating the economic viability of small wind turbines , Renewable Energy 77, pp. 493-500
- Elliot D. and Infield D. (2014), An assessment of the impact of reduced averaging time on small wind turbine power curves, energy capture predictions and turbulence intensity measurements , Wind Energy 17.DOI: 10.1002/we.1579, pp. 337-342
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- Petites éoliennes en milieu urbain , projet Wineur
- VUB, ULB, 3E (2014), Identificatie sites, opzetten windmetingscampagnes en uitvoering van haalbaardheidstudies in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest - Eindrapport , Bruxelles (en néerlandais)
- VUB, ULB, 3E (2014), Identificatie sites, opzetten windmetingscampagnes en uitvoering van haalbaardheidstudies in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest - Eindrapport (Résumé), Bruxelles
Normes
- Norme IEC (International Electrotechnical Commission) 61400-2:2013 - Wind turbines - Part 2 : Small wind turbines
- Norme AWEA ( American Wind Energy Association ) 9.1 - 2009 - Small Wind Turbine Performance and Safety Standard
