De nouvelles recherches publiées ce lundi révèlent que le potentiel d’énergie éolienne au-dessus des océans est tel qu’il pourrait théoriquement être utilisé pour produire de l’énergie à l’échelle d’une civilisation, à condition que nous soyons disposés à couvrir d’énormes étendues de mer avec des turbines et que nous puissions trouver des moyens de les installer et de les entretenir dans des environnements océaniques souvent extrêmes.
Il est très peu probable que nous construisions un jour des turbines en pleine mer à une telle échelle – en fait, cela pourrait même altérer le climat de la planète, selon la recherche. Mais le message plus modeste est que l’énergie éolienne en pleine mer a un grand potentiel – renforçant l’idée que les parcs éoliens flottants, au-dessus des eaux très profondes, pourraient être la prochaine étape majeure de la technologie de l’énergie éolienne.
“Je considère cette étude comme une sorte de feu vert pour cette industrie d’un point de vue géophysique”, a déclaré Ken Caldeira de la Carnegie Institution for Science à Stanford, en Californie.
L’étude, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, a été menée par Anna Possner, chercheuse à la Carnegie Institution, qui a travaillé en collaboration avec Caldeira.
L’étude part de recherches antérieures qui ont montré qu’il existe probablement une limite supérieure à la quantité d’énergie pouvant être produite par un parc éolien situé sur la terre ferme.
Cette limite s’explique à la fois par le fait que les structures naturelles et humaines sur le sol créent des frottements qui ralentissent la vitesse du vent, mais aussi par le fait que chaque éolienne extrait une partie de l’énergie du vent et la transforme en électricité que nous pouvons utiliser, ce qui laisse moins d’énergie éolienne aux autres éoliennes.
“Si chaque éolienne extrait environ la moitié de l’énergie qui la traverse, il ne reste plus qu’un quart de l’énergie à la deuxième rangée, et ainsi de suite”, explique Mme Caldeira.
L’océan est différent. D’abord, la vitesse du vent peut être jusqu’à 70 % plus élevée que sur terre. Mais ce qui est plus important, c’est ce que l’on pourrait appeler le renouvellement du vent.
Les nouvelles recherches ont montré que, dans les océans des latitudes moyennes, les tempêtes transfèrent régulièrement à la surface une énergie éolienne puissante provenant d’altitudes plus élevées, ce qui signifie que la limite supérieure de la quantité d’énergie que vous pouvez capter avec des turbines est considérablement plus élevée.
“Sur terre, les turbines ne font que gratter l’énergie cinétique de la partie la plus basse de l’atmosphère, alors qu’au-dessus de l’océan, elles épuisent l’énergie cinétique de la plus grande partie de la troposphère, c’est-à-dire de la partie inférieure de l’atmosphère”, a déclaré M. Caldeira.
L’étude compare un parc éolien théorique de près de 2 millions de kilomètres carrés situé soit au-dessus des États-Unis (centré sur le Kansas), soit en plein Atlantique.
Elle constate que couvrir une grande partie du centre des États-Unis avec des parcs éoliens serait encore insuffisant pour alimenter les États-Unis et la Chine, ce qui nécessiterait une capacité de production de quelque 7 térawatts par an (un térawatt équivaut à un billion de watts).
Mais l’Atlantique Nord pourrait théoriquement alimenter ces deux pays et bien plus encore. L’énergie potentielle qui peut être extraite au-dessus de l’océan, à superficie égale, est “au moins trois fois plus élevée”.
Selon l’étude, il faudrait une installation éolienne encore plus grande, de 3 millions de kilomètres carrés au-dessus de l’océan, pour répondre aux besoins énergétiques actuels de l’humanité, soit 18 térawatts. C’est une superficie encore plus grande que le Groenland.
L’étude conclut donc que “sur une base annuelle moyenne, l’énergie éolienne disponible dans l’Atlantique Nord pourrait être suffisante pour alimenter le monde en électricité”.
Mais il est essentiel de souligner que ces calculs sont purement théoriques.
Ils sont contrecarrés par de nombreux facteurs pratiques, notamment le fait que les vents ne sont pas aussi forts en toutes saisons et que les technologies permettant de capter leur énergie à une telle échelle, et encore moins de la transférer à terre, n’existent pas actuellement.
Oh, et puis il y a un autre problème de taille : les simulations de modélisation effectuées dans le cadre de l’étude suggèrent que l’extraction d’une telle quantité d’énergie éolienne de la nature aurait des effets à l’échelle planétaire, notamment le refroidissement de certaines parties de l’Arctique jusqu’à 13 degrés Celsius.
“Essayer de produire de l’énergie à l’échelle de la civilisation à partir du vent, c’est un peu chercher les ennuis”, a déclaré M. Caldeira.
Selon lui, l’effet sur le climat serait moindre si la quantité d’énergie exploitée était réduite par rapport à ces chiffres extrêmement élevés et si les parcs éoliens étaient plus espacés sur le globe.
“Je pense que cela conforte l’idée que nous allons vouloir utiliser un portefeuille de technologies, et ne pas nous reposer uniquement sur celles-ci”, a déclaré M. Caldeira.
Les gourous de l’énergie affirment depuis longtemps que, parmi les sources renouvelables, l’énergie solaire est la plus à même de se développer et de générer une puissance de l’ordre du térawatt, suffisante pour satisfaire une grande partie de la demande énergétique humaine. M. Caldeira ne le conteste pas.
Mais son étude suggère qu’au moins si le vent en haute mer devient un jour accessible, il pourrait aussi avoir un potentiel considérable.
Alexander Slocum, professeur d’ingénierie mécanique au MIT, qui s’est intéressé à l’éolien offshore et à son potentiel, et qui n’a pas participé à la recherche, a déclaré qu’il considérait l’article comme une “très bonne étude” et qu’il ne semblait pas biaisé.
“La conclusion de l’article, selon laquelle les parcs éoliens en pleine mer peuvent répondre à la plupart de nos besoins en énergie, est également étayée par l’histoire : lorsqu’une technologie devient limitée (par exemple, les voitures à chevaux) ou monopolisée (OPEP), il devient nécessaire de chercher des alternatives”, a poursuivi M. Slocum par courrier électronique.
“L’automobile l’a fait aux chevaux, les États-Unis l’ont fait à l’OPEP avec la fracturation, et maintenant les énergies renouvelables le font à l’industrie des hydrocarbures.”
“Les auteurs reconnaissent que des défis techniques considérables entrent en jeu dans la récolte effective de l’énergie de ces sites lointains, mais j’apprécie qu’ils se concentrent sur l’ampleur de la ressource”, a ajouté Julie Lundquist, chercheuse en énergie éolienne à l’Université du Colorado, Boulder.
“J’espère que ces travaux stimuleront l’intérêt pour l’énergie éolienne en eaux profondes.”
Soulignant la nature théorique des calculs, Lundquist a ajouté par courriel que “les déploiements actuels et prévisibles d’éoliennes, tant sur terre qu’en mer, sont beaucoup plus petits que ce qui serait nécessaire pour atteindre les limites d’énergie atmosphérique qui font l’objet de ce travail et d’autres.”
La recherche met en évidence une sorte de troisième acte pour l’énergie éolienne. Sur terre, les turbines sont très bien établies et de nouvelles sont installées chaque année.
En mer, les zones côtières voient également de plus en plus d’installations de turbines, mais toujours dans des eaux relativement peu profondes.
Mais pour atteindre la haute mer, où la profondeur dépasse souvent plus d’un kilomètre, il faudra probablement une autre technologie : une turbine flottante qui s’étend au-dessus de l’eau et repose sur une sorte de très grande structure flottante immergée, accompagnée de câbles qui ancrent l’ensemble de la turbine au fond de la mer.
L’expérimentation de cette technologie est déjà en cours : Statoil s’apprête à construire un grand parc éolien flottant au large de l’Écosse, qui sera situé dans des eaux d’une centaine de mètres de profondeur et aura une capacité de production d’électricité de 15 mégawatts (millions de watts).
Les turbines mesurent 253 mètres (830 pieds), mais 78 mètres (256 pieds) de cette longueur correspondent à la partie flottante sous la surface de la mer.
“Les choses que nous décrivons ne seront probablement pas économiques aujourd’hui, mais une fois que vous avez une industrie qui commence dans cette direction, cela devrait inciter cette industrie à se développer”, a déclaré M. Caldeira.