1 Perfectionner les pales Légères et résistantes, flexibles mais pas trop, profilées mais aussi silencieuses, les pales des éoliennes doivent répondre à des exigences contradictoires, qui mettent les concepteurs à rude épreuve. Ce sont elles que l'on voit en premier, et qui témoignent du fonctionnement de l'éolienne. Les pales, qui ont déjà é nor mément évolué ces dernières années, sont encore l'objet de toute les attentions des ingénieurs. C'est en partie grâce à elles que la puissance des éoliennes a été multipliée par cent en vingt ans. Et ce n'est pas fini, il reste des marges de progrès, affirment tous les constructeurs. Toujours plus grandes : telle pourrait être leur devise, aussi bien en éolien terrestre qu'offshore. Sur terre, les sites les plus venteux ont été investis en priorité. Les producteurs se tournent donc vers des zones de vents plus faibles, qui nécessitent des machines plus grosses. Elles requièrent également des pales plus légères, qui démarrent plus facilement et fonctionnent donc même lorsque les vents sont peu puissants. « Nous développons des rotors de 126 mètres pour des projets éoliens dans des zones autrefois considérées comme non rentables, indique ainsi Nicolas Wolff, directeur général de Vestas France. La formule idéale est un équilibre entre la taille, la flexibilité et le poids. » De même, Nordex, spécialisé en éolien terrestre, vise de plus en plus les vents de classe 3 (inférieurs à 7,50 mètres par seconde sur l'année), grâce à des pales atteignant 131 m de diamètre et en y incorporant des fibres de carbone pour ne pas les alourdir malgré l'augmentation de la taille. De son côté, Alstom Power a réussi à « surclasser » ses rotors : les pales de 100 m de diamètre, autrefois destinées aux vents de classe 2 (7,50 à 8,50 m/s), s'adressent désormais à ceux de classe 1 (entre 8,50 et 10 m/s), tandis que celles de 110, auparavant pour classe 3, visent la classe 2. C'est la course à la taille dans l'éolien offshore aussi. Pour profiter au mieux des vents puissants et réguliers, et amortir les coûts d'installation en mer, les constructeurs optent pour des pales de plus en plus grandes et larges. La prochaine génération d'éoliennes de 5 MW d'Areva sera équipée de pales de 135 m de diamètre, tandis qu'Alstom a mis en service en novembre 2013 la plus grande éolienne offshore, de 6 MW, avec des rotors de 150 m. Objectif à terme : fournir à EDF Énergies nouvelles 240 unités pour équiper les quatre champs de Courseulles-sur-Mer, Fécamp et Saint-Nazaire à partir de 2016. Vestas va encore plus loin, avec des pales de 164 m de diamètre, conçues pour les conditions de vent de l'Europe du Nord. La première machine de ce type, d'une puissance de 8 MW, est en test au Danemark, et devrait être disponible industriellement début 2017. Areva vise également les 8 MW, avec cette fois-ci un rotor de 180 mètres ! Allonger, mais sans trop alourdir l'ensemble, sans quoi le surcoût à la construction annihilera les gains en production. Sans compter qu'un allègement de quelques pourcents sur les pales a des répercussions positives sur l'ensemble de la structure : moins d'efforts sur les parties fixes, structures porteuses plus faiblement dimensionnées, etc. Pour alléger les pales de leurs éoliennes, certains constructeurs comme Areva sont passés de composites alliant carbone et fibres de verre à des composites 100 % fibres de verre. « Cela demande beaucoup de recherches sur les matériaux, surtout sur leur durée de vie, indique Rémi Coulon, responsable commercial en charge du renouvelable chez Areva. Nos turbines sont aujourd'hui conçues pour vingt-cinq ans, au lieu de vingt auparavant. » Les efforts portent également sur la résine de ces composites. « Aujourd'hui, elles sont à base de polymères thermodurcissables comme les polyesters ou l'époxy, observe Robert Bellini, ingénieur au ser-vice réseaux et renouvelables à l'Ademe. Certains constructeurs essayent d'autres polymères, thermoplastiques, pour obtenir des pales plus légères et résistant mieux à la fatigue. » Autre avantage : ces thermoplastiques sont fabriqués à plus basse température, et sont plus facilement réparables que les thermodurcissables. Reste un handicap : ils sont moins visqueux, et les fibres de verre ou de carbone s'imprègnent moins bien. Réduire le poids, oui, mais sans toucher à la résistance des pales ! Pour éviter des zones de faiblesse mécanique, Siemens fabrique des pales d'une seule pièce, plutôt que de coller deux moitiés de pales comme la plupart des constructeurs. De son côté, Areva met en forme les fibres de ses composites de manière à offrir la plus grande résistance là où les contraintes sont les plus fortes. Il est encore possible de gagner en performance, même lorsque les pales sont conçues au mieux, en jouant sur le contrôle-commande de l'éolienne, afin d'adapter au mieux son fonctionnement au régime du vent. Alstom Power a ainsi mis au point un système de pales orientables, de gestion des paliers de la boîte de vitesses et de la réactivité électrique… Objectif : produire plus tout en diminuant les contraintes mécaniques sur la nacelle. Pour Robert Bellini, de l'Ademe, l'idéal serait des pales qu'on puisse contrôler selon le vent grâce à des capteurs et de petits actuateurs. Mais cela reste du domaine de la recherche. Certains constructeurs s'en approchent cependant. Ainsi, Siemens a conçu un système de gestion des éoliennes lors des forts vents, soufflant en rafales. Généralement, les éoliennes sont prévues pour s'arrêter au-delà d'une certaine vitesse de vent. Siemens préfère dégrader les performances de ses machines, en modifiant l'angle des pales, pour profiter des vents forts. Et qui dit contrôle des pales en fonction du vent dit détection précise de ces vents, en temps réel, notamment pour anticiper les rafales. Les Lidar, des instruments basés sur un laser, se sont révélés aussi performants que les anémomètres, avec un avantage supplémentaire : la mesure du vent à distance. Reste à les intégrer à un système complet de gestion en temps réel, comme l'imagine Robert Bellini. Enfin, optimiser une éolienne, c'est produire de l'électricité par tous les temps. Cela implique, dans certains cas, d'empêcher le givre de se déposer sur les pales. Car il les alourdit, créant des déséquilibres qui risquent de casser les machines. Celles-ci doivent donc être arrêtées, parfois fréquemment dans les pays nordiques, voire dans certaines régions françaises comme le Cantal. Plusieurs constructeurs comme Vestas ou Nordex ont donc ajouté des systèmes de dégivrage des pales, en chauffant à l'aide d'un fil électrique dans lequel on fait passer du courant, ou par soufflage d'air chaud. « Il faut également prévoir des alliages métalliques et des joints qui résistent aux très basses températures, des systèmes de chauffage de composants électroniques pas trop gourmands en énergie, et des huiles qui ne soient pas trop visqueuses à basse température », complète Arnaud Deleu, directeur développement produit chez Vergnet. 2 Minimiser les coûts Des éoliennes toujours plus performantes, mais pas à n'importe quel prix. Réduire le coût du kilowattheure implique d'améliorer la fabrication, le montage et la maintenance des machines. À quoi servirait une éolienne produisant deux fois plus, si elle coûtait trois fois plus cher ? L'avenir de l'éolien passe aussi par une rationalisation des coûts de production et d'entretien. Mieux industrialiser la fabrication, renforcer l'efficacité du montage sur site et améliorer la maintenance : trois obligations à remplir pour réduire les coûts de l'éolien. Moins sophistiqué que les pales ou la nacelle, le mât n'est pas pour autant oublié. Dans le terrestre, le projet Eolift vise à remplacer l'acier par du béton. De plus, les différentes parties de ces mâts seraient assemblées sans une énorme grue : à l'aide d'un portique, chaque morceau serait ajouté par-dessous, en soulevant la partie déjà construite. Outre un gain d'environ 15 % sur les coûts de construction, l'impact environnemental serait lui aussi moindre, puisque le béton nécessite moins d'énergie lors de sa fabrication que l'acier. De plus, couler le mât sur place limiterait les coûts de transport. Ce projet, démarré en 2013, a pour objectif de construire un démonstrateur à l'échelle 1 d'un mât en béton précontraint pour une éolienne de 120 mètres de haut avec une turbine de 3 MW, ainsi que l'outil d'assemblage de la tour et de levage de la nacelle. La démonstration finale est attendue pour 2015. À terre, le transport des rotors peut se révéler compliqué en raison de leur taille. Un casse-tête qui n'existe pas dans l'éolien offshore où les pales sont produites sur port et amenées par bateaux. « Les pales d'une soixantaine de mètres sont difficiles à transporter sur terre, confirme Laurent Carme, vice-président de la plateforme on shore d'Alstom Power. Mais les tentatives de fabriquer des pales en plusieurs sections n'ont pas encore donné satisfaction. » Dans l'offshore par contre, de nombreux progrès restent à faire sur les fondations. Aujourd'hui, elles sont surdimensionnées, par précaution, ce qui entraîne des surcoûts. En étudiant mieux les contraintes auxquelles les éoliennes sont soumises, mais aussi en surveillant davantage les fondations par monitoring, on pourrait mieux anticiper l'évolution de l'ensemble, et ainsi réduire la taille des fondations. Autre enjeu : plus le montage de l'éolienne est rapide, plus son coût est faible, surtout en mer, où les bateaux de levage sont très coûteux, la journée de location se payant jusqu'à la centaine de milliers d'euros ! Areva a ainsi mis au point un système de montage plus rapide, avec un pré-assemblage à quai (notamment la partie électrique), un design minimisant le nombre d'opérations de levage et un temps d'installation réduit de près de 20 %. La maintenance ensuite, déjà importante dans l'éolien terrestre, devient décisive dans l'offshore. Si les premières éoliennes en mer étaient de simples déclinaisons de machines conçues pour la terre ferme, c'est de moins en moins le cas. « L'éolien terrestre et l'éolien offshore sont fondamentalement différents, souligne Rémi Coulon, responsable commercial pour le renouvelable chez Areva. La mer est un environnement beaucoup plus complexe et dangereux. La moindre défaillance a des conséquences économiques très lourdes. » Les constructeurs sont donc obnubilés par la fiabilité du matériel. Areva va jusqu'à surpressuriser la nacelle pour éviter que l'air marin, corrosif, n'y rentre. Des systèmes d'entretien automatique, comme le graissage, permettent de raréfier les interventions. La plupart des compo sants sont redondants, afin que l'un puisse prendre le relais lorsque l'autre est à l'arrêt. Autre impératif : installer de nombreux capteurs pour surveiller le fonctionnement des machines, ainsi que des alertes automatisées, et intervenir préventivement plutôt qu'en cas de casse. La mesure de la vitesse de rotation des pièces tournantes, des bains d'huile, de la température de fonctionnement de nombreux composants, permettent ainsi d'analyser la performance et l'usure de chaque éolienne, et de les comparer les unes aux autres. La plupart des composants sont également pilotables à distance. Cela minimise les périodes où les éoliennes sont hors-service, et permet d'effectuer la maintenance plus rapidement et à moindre coût. Par exemple, Siemens mesure les charges subies par chaque éolienne au cours de sa vie, en fonction du vent, pour calculer la fatigue subie par chaque pièce et adapter les paramètres des machines. Bref, le secteur passe d'une maintenance corrective à une maintenance préventive, avec de solides économies à la clé. L'élément déterminant est le taux de disponibilité des machines. Aujourd'hui, les constructeurs promettent entre 95 et 98 %. L'innovation en maintenance ne concerne pas que les composants de l'éolienne, mais également les moyens d'intervention. « Nous avons mis au point un système de levage simple intégré dans la nacelle, pour soulever des pièces de plusieurs dizaines de tonnes sans avoir recours à des navires d'installation spécialisés, indique par exemple Rémi Coulon. Ces réparations in situ sont également facilitées par notre boîte de vitesses modulaire. » Améliorer la fiabilité, c'est aussi éviter les efforts inutiles sur toutes les structures. Alstom a ainsi mis au point un système baptisé Pure Torque, chargé de transférer les tensions mécaniques des pales directement au mât de l'éolienne et non à l'arbre tournant. En séparant le rotor de l'alternateur, ce dispositif permet que seule la force de rotation soit transférée au générateur. Enfin, s'il est un choix drastique pour la maintenance, c'est bien celui du mode d'entraînement. Beaucoup, comme Siemens, optent pour des systèmes directs, qui évitent des pièces en mouvement, et sont donc plus fiables. Mais qui dit système direct dit générateur plus gros. Pour limiter sa taille, les adeptes de cette option ont alors recours à des aimants permanents à base de terres rares, coûteux. D'autres comme Areva préfèrent des systèmes hybrides, avec un seul palier de multiplication qui, selon le constructeur, conjugue la simplicité et la fiabilité de l'entraînement direct avec la compacité de l'en traî nement démultiplié. La plupart des constructeurs d'éoliennes terrestres, ainsi que certains fabricants offshore comme Vestas restent, en revanche, fidèles aux boîtes de vitesses classiques, pour éviter le recours aux aimants permanents. « Grâce aux nombreux tests grandeur nature que nous avons effectués sur notre banc de test, nous avons la même fiabilité qu'une machine sans boîte de vitesses, pour un poids moindre », assure Nicolas Wolff. Si les alternateurs à aimants permanents nécessitent moins de maintenance, ils requièrent cependant une grande prudence : si une pièce du rotor se colle au stator par aimantation, c'est irrémédiable. C'est pourquoi il existe des projets de rotors avec des aimants bobinés (un fil conducteur enroulé, dans lequel on fait passer du courant, crée le champ magnétique). « Les rotors hybrides contenant à la fois des aimants permanents et des aimants bobinés offrent une maintenance plus facile et sont plus légers, souligne Robert Bellini, ingénieur à l'Ademe. Et leur rendement est similaire à celui des aimants permanents. »  3 Réduire l'impact sur l'environnement Mieux intégrer les éoliennes dans leur environnement, c'est augmenter le nombre de sites éligibles, réduire les oppositions et produire par tous les temps. En France, un grand nombre de sites venteux ne peuvent pas héberger un parc éolien à cause des perturbations que créent les pales en mouvement sur les radars, notamment ceux de la météo. On estime que 3 000 à 4 000 MW de sites propices seraient ainsi bloqués ! La mise au point d'éoliennes plus « furtives » serait donc une grande avancée, permettant d'investir des zones venteuses aujourd'hui délaissées. Plusieurs constructeurs s'y emploient, en s'inspirant notamment des travaux sur la furtivité dans l'aéronautique. Première piste, étudiée dans le projet Sipré mené par l'Onera, Meteo France et la société Oktal : simuler avant même l'implantation les perturbations que pourraient causer les éoliennes. Une simulation plus fine permettrait de lever l'interdiction sur certains sites où l'on s'apercevrait que la perturbation est négligeable. Dans d'autres cas, il suffirait de déplacer les éoliennes d'un ou deux kilomètres pour que le projet devienne acceptable. Mais la piste la plus prometteuse reste de rendre les éoliennes plus furtives. Pour cela, elles doivent réfléchir au minimum les ondes radar, par exemple en ajoutant sur la surface des pales un matériau qui absorbe les ondes électromagnétiques et empêche la réflexion des ondes. C'est le but du projet Eodis démarré en septembre 2010, visant à intégrer dans les pales de tels matériaux. Mené par EADS avec l'Onera et la PME Plastinov, ce projet a montré que des films absorbants intégrés dans une pale de 24 mètres de long réduisaient de 90 à 99 % la réflexion des ondes électromagnétiques. Mais en créant un surpoids de 2 à 3 %. Reste à prouver que cette technique fonctionne à l'échelle industrielle. La furtivité pourrait relancer au moins la moitié des projets d'éoliennes bloqués pour cause de radars. Enfin, il est également possible de modifier les radars eux-mêmes, soit en améliorant leur traitement du signal (pour éliminer les signaux créés par les éoliennes), soit en changeant leurs caractéristiques techniques. La crainte du bruit des pales figure aussi parmi les causes d'opposition les plus fréquentes aux éoliennes. Pour atténuer ce phénomène, mais aussi augmenter la performance des éoliennes, Siemens ajoute de petits ailerons en bout de pale, qui évitent les grosses turbulences. La lutte contre les nuisances sonores passe aussi par les logiciels de pilotage. « On sait piloter chaque éolienne individuellement dans un parc, selon les contraintes du site, indique Nicolas Wolff, de Vestas. Si le bruit doit être plus faible entre 20 heures et 8 heures, on peut programmer une diminution des nuisances sur ce créneau. » Si l'impact des éoliennes sur les oiseaux est aujourd'hui assez bien documenté, c'est moins le cas pour les chauves-souris, qui sont pourtant importantes pour l'équilibre écologique. C'est pourquoi le projet Chirotech a pour but de mieux comprendre le comportement de ces mammifères volants, pour mieux les protéger. « On peut prévoir lorsqu'elles arrivent près des éoliennes, et stopper les pales à ce moment-là, indique Robert Bellini, ingénieur à l'Ademe. Nous avons montré que cela permettait de baisser la mortalité, avec une très faible incidence sur la production, puisque les chauves-souris sortent surtout par vent faible, au crépuscule. » L'environnement immédiat de l'éolienne, c'est enfin l'infrastructure électrique locale, souvent défaillante dans des pays comme l'Afrique ou sur les îles. C'est pourquoi Vergnet propose des solutions hybrides éolienne-thermique, pour offrir une électricité disponible en permanence et à bas coût. Ce qui lui permet d'atteindre des productions électriques renouvelables à 50 à 60 %. « Au-delà, cela met en jeu de l'électronique de puissance ou des batteries, deux solutions coûteuses et fragiles », souligne Jérôme Douat, président du directoire du constructeur français.