Les grands parcs éoliens avec une forte densité de puissance installée ralentissent le vent et génèrent moins d'électricité que ne le pensait
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Il est très probable que l'énergie éolienne peut
contribuer moins à
la palette énergétique de
l'avenir que certaines estimations. Ce ...
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Moins d'énergie peut être retirée à partir du vent que ce qui était supposé jusqu'à présent. Par exemple, une prévision précédente d'une étude 2013 par l'Agence fédérale allemande pour l'environnement a conclu que près de sept watts de puissance électrique par mètre carré pourraient être générés à partir de l'énergie éolienne. Cependant, une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'Institut Max Planck de biogéochimie à Jena a montré que la quantité d'énergie effectivement possible de l'énergie éolienne est beaucoup plus faible. Ces chercheurs ont calculé qu'un maximum de 1,1 watts d'électricité pourrait être générée par mètre carré sur une grande (10 5 km 2) Parc éolien dans l'état du vent du Kansas (USA). La corrélation entre la quantité d'énergie produite et le nombre d’éoliennes n’est pas linéaire, comme plusieurs turbines ralentissent de plus en plus vers le bas le vent. Ceci est particulièrement perceptible dans les cas de très fortes densités de turbine. Cet effet applique probablement une région, bien que la quantité d'électricité effectivement produite par l'énergie éolienne varie légèrement d'une région à l'autre. Alors que beaucoup plus d'éoliennes peuvent être déployées au Kansas avant cet effet de ralentissement influe fortement sur le taux de production d'électricité, il est peu probable qu'il serait possible d'exploiter le potentiel de l'énergie éolienne identifié par l'Agence fédérale de l'environnement en Allemagne.
À la fin de 2014, les éoliennes allemandes avaient une capacité totale installée de 39 gigawatts. L'Agence fédérale allemande pour l'environnement suppose qu'il serait possible de construire plus de parcs éoliens qui atteindre une capacité totale d'environ 1.200 gigawatts, couvrant une superficie de 14 pour cent de l'Allemagne. Ces chiffres correspondent à 23 watts de puissance installée par mètre carré, et devrait donner une production d'environ 6,7 watts d'électricité par mètre carré. Il est cependant fort probable que cette estimation est trop optimiste. Ceci est la conclusion d'une étude menée par une équipe internationale de scientifiques dirigée par Axel Kleidon, un chef de groupe de recherche à l'Institut Max Planck de biogéochimie à Jena, qui a regardé l'énergie éolienne dans l'État américain du vent du Kansas. Kansas est presque la moitié de la taille de l'Allemagne et compte actuellement environ 2,7 gigawatts de capacité installée, ce qui correspond à 0,013 watts par mètre carré.
Les chercheurs ont travaillé avec un modèle de simulation complexe largement utilisé dans les prévisions météorologiques et pour la première fois inclus les parcs éoliens et leurs impacts sur le vent. «Lorsque nous avons considéré que quelques éoliennes, nous avons trouvé ce que nous attendions, que plusieurs turbines génèrent plus d'électricité», explique Lee Miller, premier auteur de l'étude et chercheur à l'Institut Max Planck de biogéochimie. "Mais quand nous avons considéré de plus en plus des turbines, nous avons constaté que la vitesse du vent a diminué et chaque turbine génère moins d'électricité."
La production par une baisse de la turbine avec l’augmentation de la capacité installée
Comme le vent serait réduit de manière significative si la capacité installée des éoliennes à Kansas devait augmenter sensiblement, la production d'électricité serait limitée à un maximum de 1,1 watts. Ce rendement énergétique maximal est considérablement plus faible que celle suggérée dans les estimations précédentes, comme celle de l'Agence fédérale de l'environnement, car ils ne prennent pas l'effet de ralentissement des turbines en compte.
Pour obtenir un taux de production d'électricité de 1,1 watt par mètre carré, cependant, il serait nécessaire d'avoir 10 watts de puissance installée par mètre carré. À ce titre, les turbines ne ferait que produire environ dix pour cent de leur production potentielle maximale. Avec seulement 0,3 watts de puissance installée par mètre carré, ils atteignent 40 pour cent de leur capacité, ce qui est à peine réduite lorsque la capacité augmente installée à 0,6 watts par mètre carré. "Il n'y a donc pas de problème de déployer plus de parcs éoliens dans le Kansas, ce qui pourrait donner un total de 50 fois plus d'électricité», explique Axel Kleidon.
Si les opérateurs de parcs éoliens ont atteint la limite de 1,1 watt par mètre carré, les impacts résultant prolongeraient au-delà de la réduction du rendement des turbines. "Le vent est également ralenti naturellement par la turbulence atmosphérique», explique Axel Kleidon. "Ces échanges de turbulence chaleur et l'humidité entre le sol et l'atmosphère." Si la turbulence est réduite en raison du ralentissement du vent par les turbines, ce serait aussi avoir des conséquences sur le climat.
L’énergie solaire génère 20 watts d'électricité par mètre carré - sans effet de ralentissement
Kleidon explique la physique derrière la limite sur la production d'électricité à partir de l'énergie éolienne: l'atmosphère entraîne les vents près de la surface avec étonnamment peu d'énergie. "Par conséquent, plus de cette énergie extraite par les éoliennes, plus l'effet de ralentissement sur le vent», explique le physicien. "Si la puissance installée d'un parc éolien ne dépasse pas un certain niveau, l'énergie extraite de l'environnement peut être réapprovisionné, en particulier au-dessus." Plus la puissance totale d'un parc éolien, plus sa densité installé peut être. "Ces effets se traduisent par des éoliennes dans les grands parcs éoliens en mesure de générer beaucoup moins d'énergie qu'une éolienne isolée», dit Kleidon.
L'effet de ralentissement pourrait aussi réduire fortement le potentiel de l'énergie éolienne en Allemagne et ailleurs. La valeur réelle du potentiel dépend des conditions de vent dans la position spécifique, ce qui est très favorable au Kansas. Dans quelle mesure ces résultats s'appliquent à la production d'énergie éolienne en Allemagne est un sujet que les chercheurs étudient actuellement. Ils ont presque complètement exclu la possibilité qu'il pourrait être loin d'être aussi élevé que sept watts. La production d'électricité à partir de l'énergie éolienne est significativement inférieure à celle produite par les installations d'énergie solaire. Le plus efficace de ces chiffrera en moyenne de 20 watts par mètre carré aujourd'hui. En outre, il n'y a pas d'effet de ralentissement avec l'énergie solaire. Chaque panneau solaire supplémentaire sur un toit génère la quantité d'électricité prévu.