ENE11 - Eoliennes en milieu urbain_top

Dispositif | Éolienne en milieu urbain

Éolienne en milieu urbain

(Source: Paul Brady Photography / Shutterstock.com)

Les éoliennes en milieu urbain concernent les éoliennes de petites tailles et petites puissances, aux technologies variées, pouvant être intégrées au bâti ou installées au sol. Même si les réalisations sont encore rares, cette technologie est en plein essor. Cette fiche traite exclusivement des mini- et micro-éoliennes domestiques.

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-éolienneéolienne domestique qui couvre des besoins très limités et sites isolésA ≤ 50,3 < D < 20,3 < P < 1
Mini-éolienneéolienne pour usage résidentiel5 < A ≤ 802 < D < 101 < P < 10
Petite éolienneéolienne pour usage industriel80 < A ≤ 20010 < D < 1610 < P < 50
Grande éolienneéolienne à moyenne et haute puissance, parcs éoliensA > 200D > 16P > 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.

Catégorie Variantes
GéométrieAxe horizontal (HAWT) ou vertical (VAWT) ou hybride
Mât et fondationsAutoportant ou haubané
RégulationAérodynamique ou électronique à pales fixes ou calage variable des pales
Orientation au ventMotorisée ou par gouvernail

image02

Répartition des éoliennes sur le marché (Source: Tractebel)

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.

image03

Représentation d'éoliennes à axe horizontal au vent (à gauche) et sous le vent (à droite) (Source: Customwind )

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.

DarrieusCarénée

image04

(Source: Archiexpo )

image05

(Source: Home Energy )

image06

(Source: WindWall)

image07

(Source: Elena energie)

image01

(Source: éolienne pour particuliers )

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:

SavoniusDarrieusHélicoïdal

image08

(Source: Windside )

image09

(Source: Windpower )

image10

(Source: Windspire )

image11

(Source: Aquilero )

image12

(Source: Quietrevolution )

image13

(Source: Pramac Wind)

Dispositif comportant deux ou trois lames qui, dans sa section transversale, forment un « S »Lames droites, verticales, reliées à la tour centrale par des supports horizontaux.Forme de lames reposant sur le modèle dit « troposkein », ou hélicoïdal. Le rotor est réalisé avec 2 ou 3 pales.

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.

image14

(Source: Hi-VAWT)

image15

(Source: GreenMe )

Quels sont les avantages et inconvénients des différentes technologies d'éoliennes?

AvantagesInconvénients
Eoliennes à axe horizontal
  • Performances supérieures
  • Conçues pour des plages de vents plus restreintes (vents laminaires et constants)
  • Difficultés de mise en œuvre et alignement avec le vent
  • Plus bruyantes
Eoliennes à axe vertical
  • Plus silencieuses (le rotor tourne plus lentement)
  • Conçues pour des plages de vents plus étendues , notamment pour des vents forts
  • Plus esthétiques , s'intègrent mieux à un environnement urbain
  • Performances moindres
  • Pas d'auto-démarrage (nécessite un mécanisme pour se lancer)

Quels sont les paramètres influençant la production d'énergie ?

Paramètres de base

La puissance instantanée d'une éolienne vaut:

image29

où:

  • 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,
    • 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.

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.

Modélisation 3D en contexte urbain

Vitesse en coupe transversale et orthogonale au niveau de la toiture

Vue en plan des vitesses à 3 m au-dessus de la toiture

image16image17image18

(Source: Tractebel )

Pour information, la Région de Bruxelles-Capitale (Bruxelles Environnement) a réalisé une étude de mesure de vent pour vérifier le potentiel de l'éolien urbain à Bruxelles.

Les résultats de cette étude peuvent être téléchargés au lien suivant .

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:

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.

Combien peut coûter une éolienne urbaine?

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).

Pour un estimatif complet il faut tenir compte du coût de la maintenance, dont le prix s'élève à ± 3% de l'investissement par an .

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.

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.

image19image20image21image22

World Trade Center au Bahreïn (réalisé) (Source: parlonsenergie )

Greenway Parkest à Chicago (réalisé)(Source: ArchDaily )

Bâtiment Strata SE1 à Londres (réalisé) (Source: Univers Nature )

Cor Building à Miami (Source: Inhabitat )

Dans les cas suivants, l'éolienne est « invisible » et intégrée entièrement dans l'architecture du bâtiment:

image23image24image25image26

Clean Technology Tower à Chicago (non réalisé) (Source: Inhabitat)

Rotating Tower à Dubai (non réalisé) (Source: Divisare )

Pearl River Tower à Guangzhou (réalisé) (Source: Englishclas , Moses Ling)

image27

Dynamic Tower - Dubai (non réalisé) (Source: Dynamic Architecture )

➩ Aller plus loin

mis à jour le 25/04/2017

N° de Code : G_ENE11 - Thématiques : Energie - Thématiques secondaires : Entretien/Maintenance | Urbanisme - Composants du projet liés : Toiture | Electricité | Energies renouvelables | Abords