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Réinventer la petite éolienne domestique

Une hélice et un mât en bois augmentent drastiquement la quantité (nette de dette énergétique) d’énergie qu’une petite éolienne peut produire sur sa durée de vie.

Traduit par: Camille Martin

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Petite éolienne avec pales et mât faits en bois. Image: InnoVentum.

Beaucoup des éoliennes domestiques que l’on peut trouver dans le commerce, équipée de pales en plastiques et de mâts en acier, sont connues pour leur manque de fiabilité, leur énergie grise/intrinsèque élevée et leur puissance médiocre. On peut corriger certains de ces défauts en construisant certaines pièces en bois.

L’utilisation du bois pour construire des éoliennes peut aussi améliorer la perception de l’éolien par le public de manière plus large, grâce aux qualités esthétiques du bois et à la possibilité de sourcer les matériaux localement. De plus, nous verrons que des innovations en matières de mâts d’éolienne rendent la construction de petites éoliennes plus aisée : il n’est plus nécessaire de recourir systématiquement à des engins de chantiers et à des fondations béton.

De faibles performances

Différents tests ont démontré que les éoliennes domestiques que l’on peut trouver dans le commerce ne sont pas toujours capable de générer assez d’électricité au cours de leur vie pour compenser l’énergie utilisée pour les produire.

Trois facteurs expliquent cela : en première ligne, les lois de la physique. Le rendement énergétique d’une éolienne augmente plus vite que son poids et la taille de son hélice, ce qui veut dire que plus une éolienne est petite, moins elle fournira de puissance en proportion avec sa taille. (NDLT : lorsque le diamètre de l’hélice est divisé par 2, le rendement lui, est divisé par 4).

Deuxièmement, les pales d’éoliennes sont généralement faites de plastique composite renforcé de fibre de verre, des matériaux dont la fabrication est très coûteuse en énergie (et qui sont impossibles à recycler). Cette énergie (grise) doit donc être « remboursée » avant de pouvoir considérer que l’éolienne produit de l’électricité, ce qui peut s’avérer difficile à réaliser sur la durée de vie des machines quand elles ont une hélice de diamètre modeste.

Enfin troisièmement, les possibilités de maintenance de ces petites éoliennes dépendent des fabricants et de leur capacité à ne pas faire faillite pour pouvoir proposer des pièces détachées à leur clients tout au long de la vie des éoliennes. Contrairement aux panneaux solaires, les éoliennes comportent beaucoup de composants mobiles, ce qui augmente la probabilité de devoir les réparer. Malheureusement, les entreprises fabricant des éoliennes domestiques tendent à avoir une durée de vie encore plus faible que celle de leurs produits. 1

Des pales de Bois sculptées à la main

Si les lois de la physiques sont immuables, ce ne sont pas seulement elles qui rendent les éoliennes domestiques aberrantes économiquement et en terme d’impact environnemental. Les deux autres facteurs sont également déterminants, et ce sont des problèmes auxquels il est possible de remédier. D’ailleurs, cela fait plus de deux décennies que des solutions sont trouvées, notamment grâce au travail de l’ingénieur écossais Hugh Piggott, qui construit des petites éoliennes de 1 à 2 kW avec des pales de bois massif, dont les hélices atteignent 2 à 4 mètres. 2

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Image: Hand carved wooden blades. Source: 5

Les pales sont taillées sur place et ne nécessitent que quelques outils simples et des compétences de base en menuiserie. Contrairement aux pales en fibre de verre, il n’y a besoin que des très peu voire pas d’utilisation d’énergie pour les fabriquer. Ce simple fait augmente la probabilité que l’éolienne produise plus d’énergie au cours de sa vie que la quantité qui a été utilisée pour la construire.

Avec ses éoliennes, Piggott prend à contre-pied la tendance de l’industrie à rechercher la plus grande efficacité : ses éoliennes sacrifient la puissance « crête » (NDLT : maximale, en conditions optimales) pour un fonctionnement plus fiable.

En effet, ses machines utilisent le système de régulation « Furling », qui empêche l’utilisation d’un vent qui dépasse les 8 m/s (Beaufort 5) (NDLT : L’éolienne pivote et se détourne de la perpendiculaire au vent puis devient moins efficace, sa vitesse ne peut plus augmenter), tandis ce que la plupart des modèles d’éoliennes domestiques continuent de fonctionner à des niveaux de vent plus élevés. Choisir de limiter le fonctionnement de l’éolienne à un niveau de vent plus faible augmente sa fiabilité dans le temps, car plus une machine tourne vite, plus ses composants s’usent rapidement. 3

Production locale

Une étude comparative des éoliennes Piggott avec d’autres modèles d’éoliennes du commerce a conclus que le rendement énergétique plus élevé obtenu par ces dernières pour les vents dépassant les 8 m/s est la plupart du temps gâché, car une grande partie de cette puissance supplémentaire est dégagée alors que les batteries sont déjà pleines. L’étude a également démontré que le modèle de Piggott est aussi environ 20 % moins cher à mettre en œuvre, en incluant les dépenses d’investissement et et les coûts opérationnels. 3

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Image: Wooden wind turbines in Nepal. Source: 5

Le modèle open-source de Piggott a permis l’apparition de milliers de petites éoliennes DIY (NDLT : le mouvement Do It Yourself, « faites-le vous-même » vise à créer ou réparer des objets de la vie courante, technologiques, ou artistiques, généralement de façon artisanale ) tout autour du globe. Plusieurs initiative visant à équiper des communautés rurales en électricité se sont également inspirées de ce modèle d’éolienne, en Mongolie, au Népal, au Pérou ou encore au Nicaragua.4567

Dans ces pays « en développement », le fait de pouvoir produire et faire la maintenance de ces éoliennes localement est un gros avantage par rapport aux éoliennes et panneaux solaires vendus dans le commerce.

Des Éoliennes du Commerce avec des Pales en Bois

S’il était commun d’utiliser des pales de bois massif pour les petits moulins et les premières éoliennes, ce n’est que récemment que l’industrie éolienne s’est intéressée de nouveau à cette question.89 On peut par exemple évoquer le succès rencontré par l’entreprise néerlandaise EAZ Wind, fondée en 2014 par 4 jeunes véliplanchistes. Cette société - qui salarie actuellement 40 personnes- vend ses éoliennes à pales en bois massif à des fermes et à des coopératives d’énergie verte dans la région. Leurs machines ont une puissance de 10 kW pour un diamètre d’hélice de 12 mètres, elles sont donc environ cinq fois plus grosses que les éoliennes Piggott.

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Image: Éolienne à pales de bois construite par EAZ Wind.

Les pales sont faites de poutres de bois collées les unes aux autres puis poncées pour obtenir la forme désirée. Elles sont ensuite couvertes d’un revêtement en époxy pour les préserver de l’humidité, et le côté tranchant est équipé d’une bande de plastique composite renforcé de fibre de glace pour le renforcer. D’après le fabricant, ces éoliennes -munie de tours de 15 mètres- produisent environ 30 kWh d’électricté par an, soit la consommation électrique de 10 foyers néerlandais. Une machine coûte 46 000 euro, ce qui revient moins cher qu’une installation photovoltaïque (c’est-à-dire 4600 euro par foyer, moins de la moitié du prix d’une installation solaire équivalente). Installée dans les venteuses régions nordiques des Pays-Bas, une telle éolienne aura une période de recouvrement de l’investissement financier initial comprise entre 7 et 10 ans.

Acceptation des Éoliennes

Il est à noter que le principal critère mis en avant par EAZ Wind pour son choix d’éoliennes à pales de bois n’est pas leur moindre coût énergétique. Il s’agit plutôt de leur souhait d’inciter les habitants des campagnes – particulièrement des fermes mais aussi des hameaux – à devenir autosuffisants énergétiquement, grâce à des éoliennes plus belles et produites localement qui suscitent moins de rejet chez les habitants. Comme dans beaucoup de pays, les grandes fermes d’éoliennes – et leurs lignes à haute tension – rencontrent une forte opposition locale aux Pays-Bas.

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Image: installation d’une éolienne à pales de bois. Image: EAZ Wind.

Cette approche semble porter ses fruits. Lorsqu’une ferme choisit d’installer une de ces éoliennes, les fermes voisines deviennent les clients suivants. A ce jour plus de 400 éoliennes ont été vendues par EAZ Wind.

L’acceptation de l’énergie éolienne semble dépendre de deux facteurs : premièrement, les éoliennes de bois ont une apparence plus « naturelle », ce qui les rend plus esthétiquement plaisantes. Deuxièmement, ces machines sont produites localement, ainsi l’achat d’une éolienne nourrit l’économie locale. Le bois des pales provient d’une région voisine et est transformé par des entreprises de la région.

Des Mâts de Bois

Les éoliennes fabriquées par EAZ Wind ont des pales de bois, mais leur mât est en acier. L’entreprise suédoise InnoVentum prend le problème sous un autre angle : les éoliennes produites par cette société ont un mât de bois tandis que ses pales sont en plastique. Les mâts qu’ils conçoivent mesurent entre 12 et 20 mètres et sont très particuliers : il s’agit de tours modulaires composées de courtes pièces de bois que l’on peut boulonner à même le sol en quelques heures.

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Image: Le mât d’éolienne de InnoVentum.

Cette tour avec ses jambes multiples ne nécessite pas ou presque pas de béton pour ses fondations et peut être mise en place sans utiliser de grue, en utilisant une corde et des treuils. Depuis 2012 environ quinze éoliennes ont été installées par l’entreprise. Tout comme EAZ Wind, InnoVentum souhaite travailler l’esthétique de ses machines pour améliorer la perception des éoliennes par la population.

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Image: Le mât d’éolienne modulaire en bois d’InnoVentum.

On peut facilement envisager des modèles d’éoliennes qui combineraient les deux approches pour obtenir de petites éoliennes utilisant le bois pour leur mât, leurs pales et d’autres pièces maîtresses. Une machine quasi intégralement faite en bois (à l’exception bien sûr de la mécanique et du générateur électrique) peut atteindre un coût énergétique d’autant plus faible pour sa fabrication, ce qui la rend plus économique et durable tout au long de sa vie. En matière d’émissions carbones, on peut même considérer une telle éolienne comme un puits de carbone, car le bois qui la compose séquestre du CO2 que les arbres ont absorbé dans l’atmosphère.

Combiner Éolien et Solaire

Les derniers produits de EAZ Wind et Inno Ventum incluent des panneaux solaires à leurs structures. En effet une éolienne et une installation photovoltaïque peuvent partager la même structure, le même système électrique et les mêmes équipements de stockage de l’électricité, et cette approche est plus économique financièrement et en termes de matières premières. Combiner ces deux sources d’énergie permet également de générer la puissance nécessaire à satisfaire la demande à un moment « t » en quasi permanence, ce qui évite de trop recourir à l’utilisation de batteries, qui sont la partie la moins durable d’une installation électrique « hors-réseau » (EN : off-grid).

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Image: InnoVentum.

Si l’on examine le modèle d’hybride éolienne-photovolataïque construit par EAZ Wind, on constate que la partie éolienne produit deux fois plus d’électricité que les panneaux solaires, ce qui reflète la météo locale (venteuse, mais pas très ensoleillée). L’ajout des panneaux solaires permet au rendement d’atteindre 45 000 kWh par an, soit la consommation annuelle de 14 foyers néerlandais. Cependant l’utilisation de panneaux solaire augmente drastiquement d’énergie intrinsèque du système et l’on ne peut plus considérer qu’il agit comme un puits de carbone.

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Image: InnoVentum.

Production d’énergie Décentralisée

On a constaté que les éolienne domestiques fabriquées en bois procurent des avantages supplémentaires que l’on retrouve dans toutes les sources d’énergie décentralisées. En effet ce sont les même personnes qui paient pour mettre en place le système et qui profitent ensuite l’énergie produite, ce qui améliore sa réception par les habitants.

L’énergie produite localement permet aussi d’éviter de recourir à l’installation de lignes à haute tension, et on sait que plus l’électricité et produite et utilisée localement, plus il devient facile d’intégrer l’imprédictibilité de l’énergie éolienne dans le mix énergétique national. Enfin, adapter la production d’énergie en fonction de la demande encourage les habitants à adopter des modes de vies plus sobres en énergie.

Kris De Decker

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  1. Kostakis, Vasilis, et al. “The convergence of digital commons with local manufacturing from a degrowth perspective: two illustrative cases.” Journal of Cleaner Production 197 (2018): 1684-1693. https://www.minasliarokapis.com/CleanerProduction2016_Kostakis_DigitalCommonsLocalManufacturing.pdf 

  2. How to build a wind turbine. High Piggott, 2003. https://www.scoraigwind.com/pirate%20oldies/Hugh%20Piggott%20Axial-flow%20PMG%20wind%20turbine%20May%202003.pdf 

  3. Sumanik-Leary, Jon, et al. “Locally manufactured small wind turbines: how do they compare to commercial machines.” Proceedings of 9 th PhD Seminar on Wind Energy in Europe. 2013. http://windempowerment.org/wp-content/uploads/2014/11/PhD_Seminar_2013_FullPaper_Sumanik-Leary-FINAL.pdf 

  4. Mishnaevsky, Leon, et al. “Materials for wind turbine blades: an overview.” Materials 10.11 (2017): 1285. https://www.mdpi.com/1996-1944/10/11/1285 

  5. Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Strength and reliability of wood for the components of low-cost wind turbines: computational and experimental analysis and applications.” Wind Engineering 33.2 (2009): 183-196. https://www.researchgate.net/profile/Hai_Qing2/publication/242770543_Strength_and_Reliability_of_Wood_for_the_Components_of_Low-cost_Wind_Turbines_Computational_and_Experimental_Analysis_and_Applications/links/590142fa0f7e9bcf65468690/Strength-and-Reliability-of-Wood-for-the-Components-of-Low-cost-Wind-Turbines-Computational-and-Experimental-Analysis-and-Applications.pdf 

  6. Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Small wind turbines with timber blades for developing countries: Materials choice, development, installation and experiences.” Renewable Energy 36.8 (2011): 2128-2138. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148111000565 

  7. Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1260/0309-524X.34.3.263 

  8. Clausen, P. D., F. Reynal, and D. H. Wood. “Design, manufacture and testing of small wind turbine blades.” Advances in wind turbine blade design and materials. Woodhead Publishing, 2013. 413-431. 

  9. Pourrajabian, Abolfazl, et al. “Choosing an appropriate timber for a small wind turbine blade: A comparative study.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 100 (2019): 1-8. 

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