Eau
Pour les articles ayant des titres homophones, voir O, Au et Aux.
| Eau |
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| Identification |
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| Nom UICPA |
eau |
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| Synonymes |
monoxyde de dihydrogène, oxyde d'hydrogène, hydrogénol, hydroxyde d'hydrogène, oxyde dihydrogéné, oxydane
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| No CAS |
7732-18-5 |
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| No ECHA |
100.028.902 |
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| No CE |
231-791-2 |
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| PubChem |
962 |
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| ChEBI |
15377 |
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| SMILES |
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| InChI |
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| Apparence |
liquide incolorea, inodore et insipide |
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| Propriétés chimiques |
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| Formule |
H2O [Isomères] |
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| Masse molaire2 |
18,015 3 ± 0,000 4 g/mol
H 11,19 %, O 88,81 %, 18,015 28 g mol−1 |
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| pKa |
pKe = 14,0 |
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| Moment dipolaire |
1,8546 D |
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| Indice d’iode |
gI2 100g−1 |
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| Indice d’acide |
mgKOH g−1 |
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| Indice de saponification |
mgKOH g−1 |
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| Propriétés physiques |
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| T° fusion |
0 °C à 1,013 25 bar |
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| T° ébullition |
100 °C à 1,013 25 bar3, 100,02 °C ± 0,044 |
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| Solubilité |
g l−1 |
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| Masse volumique |
1 000,00 kg m−3 à 4 °C
998,30 kg m−3 à 20 °C
958,13 kg m−3 à 100 °C (liquide)
726,69 kg m−3 à 300 °C - 15,5 MPa3 |
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| Pression de vapeur saturante |
6,112 mbar (glace, 0 °C)5
12,4 mbar (10 °C)
23,4 mbar (20 °C)
42,5 mbar (30 °C)
73,8 mbar (40 °C)
123,5 mbar (50 °C)
199,4 mbar (60 °C)6
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| Viscosité dynamique |
1,002 × 10−3 Pa s à 20 °C
0,547 × 10−3 Pa s à 50 °C
0,281 8 × 10−3 Pa s à 100 °C (liquide)
0,080 4 × 10−3 Pa s à 300 °C - 15 MPa3 |
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| Point critique |
374,15 °C, 22,12 MPa3,4 |
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| Point triple |
0,01 °C, 611,2 Pa3,4 |
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| Conductivité thermique |
0,604 W m−1 K−1 à 20 °C |
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| Vitesse du son |
1 497 m s−1 à 25 °C8 |
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| Thermochimie |
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| S0gaz, 1 bar |
188,7 J K−1 mol−1 |
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| S0liquide, 1 bar |
69,9 J K−1 mol−1 |
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| S0solide |
J K−1 mol−1 |
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| ΔfH0gaz |
−241,818 kJ mol−1 |
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| ΔfH0liquide |
−285,83 kJ mol−1 |
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| ΔfH0solide |
−291,84 kJ mol−1 |
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| ΔfusH° |
6,01 kJ mol−1 |
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| ΔvapH° |
44,2 kJ mol−1 à 20 °C,
43,990 kJ mol−1 à 25 °C,
40,657 kJ mol−1 à 100 °C,
2,26 MJ kg−1 à 100 °C |
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| Cp |
4 185,5 J kg−1 K−1 à 15 °C et 101,325 kPa,
75,403 J mol−1 K−1 à 15 °C et 101,325 kPa,
75,366 J mol−1 K−1 à 20 °C et 101,325 kPa,
75,291 J mol−1 K−1 à 25 °C et 101,325 kPa |
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| PCS |
kJ mol−1 |
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| PCI |
kJ mol−1 |
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| Propriétés optiques |
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| Indice de réfraction |
1,33 |
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| Constante de Verdet |
4,10 rad T−1 m−1 à 480 nm9 |
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| Écotoxicologie |
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| DL50 |
> 90 ml kg−1 (rat, oral)10 |
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| Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. |
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L'eau est une substance chimique constituée de molécules H2O. Ce composé, très stable, mais aussi très réactif, est un excellent solvant à l'état liquide. Dans de nombreux contextes, le terme eau est employé au sens restreint d'eau à l'état liquide, ou pour désigner une solution aqueuse diluée (eau douce, eau potable, eau de mer, eau de chaux, etc.).
L'eau est ubiquitaire sur Terre et dans l'atmosphère, sous ses trois états, solide (glace), liquide et gazeux (vapeur d'eau). L'eau extraterrestre est également abondante, sous forme de vapeur d'eau dans l'espace et sous forme condensée (solideb ou liquide) à la surface, près de la surface ou à l'intérieur d'un grand nombre d'objets célestes.
L'eau est un constituant biologique important, essentiel sous sa forme liquide pour tous les organismes vivants connusc. Compte tenu de son caractère vital, de son importance dans l'économie et de sa répartition inégale sur Terre, l'eau est une ressource naturelle dont la gestion est l'objet de forts enjeux géopolitiques.
Généralités
L'eau est présente sur Terre sous ses trois états : liquide, solide (
glace) et gazeux (
vapeur d'eau). La vapeur d'eau, invisible, est un composant de l'air. Les
nuages sont des accumulations de gouttelettes d'eau dans l'air.
La formule chimique de l’eau pure est H2O. L’eau que l’on trouve sur Terre est rarement un composé chimique pur, l’eau courante étant une solution d'eau, de sels minéraux et d'autres impuretés. Les chimistes utilisent de l'eau distillée pour leurs solutions, mais cette eau n'est pure qu'à 99 % : il s'agit encore d'une solution aqueuse.
Majoritairement observable sur Terre à l'état liquide, elle possède les propriétés d'un puissant solvant : elle dissout facilement et solubilise rapidement de nombreux corps sous forme d'ions, ainsi que de nombreuses autres molécules gazeusesd, et par exemple les composants de l'air, en particulier l'oxygène ou le dioxyde de carbone. L'expression « solvant universel »11 est toutefois sujette à maintes précautions, beaucoup de matériaux naturels (roches, métaux, etc.) étant non solubles dans l'eau (dans la plupart des cas ou de manière infime).
La surface de la Terre est recouverte à 71 % d’eau12 (97 % d’eau salée et 3 % d’eau douce dans différents réservoirs) sous différentes formes :
- liquide, dans les océans, les lacs, les fleuves et les rivières. Ailleurs que dans les zones humides plus ou moins tourbeuses ou marécageuses, dans les mers et océans, l'eau est présente dans les lagunes, lacs, étangs, mares, fleuves, rivières, ruisseaux, canaux, réseaux de fossés, de watringues ou comme eau interstitielle du sol ;
- gazeuse, sous forme de vapeur d'eau dans l'air. L'humidité de l'air provient de l'évaporation des mers, des plans d'eau et de l'évapotranspiration des plantes ;
- solide, sous forme de glace dans les glaciers dans la banquise, les icebergs, etc.
La circulation de l’eau au sein des différents compartiments terrestres est décrite par le cycle de l'eau. En tant que composé essentiel à la vie, l’eau a une grande importance pour l'Homme13 mais aussi pour toutes les espèces végétales et animales. Source de vie et objet de culte depuis les origines de l'Homme, l'eau est conjointement, dans les sociétés d'abondance comme la France, un produit de l'économie et un élément majeur de l'environnement.
Le corps humain est composé à 65 % d’eau pour un adulte, à 75 % chez les nourrissons et à 94 % chez les embryons de trois jours. Les cellules, quant à elles, sont composées de 70 % à 95 % d'eau. Les animaux sont composés en moyenne de 60 % d'eau et les végétaux à 75 %. On trouve néanmoins des extrêmes : la méduse (98 %) et la graine (10 %)14. L'eau de boisson passe la barrière intestinale et est diffusée par les réseaux sanguins et lymphatiques. Dans les membranes cellulaires, des pores spéciaux dits aquaporines permettent le passage de l'eau de part et d'autre de la membrane, tout en empêchant les ions de pénétrer dans la cellule. En 2009, environ 500 aquaporines étaient identifiées chez les plants et animaux, dont 1315 chez l'humain. Ces pores protéiques complexes « trient » les molécules ayant la même taille que la molécule d’eau, et ne laissent passer que l'eau16.
L'eau a la propriété particulière de présenter une anomalie dilatométrique : sa phase solide est moins dense que sa phase liquide, ce qui fait que la glace flotte17.
Étymologie et usage du mot
Le terme eau est un dérivé très simplifié du latin aqua via les langues d'oïl. Le terme aqua a été ensuite repris pour former quelques mots comme aquarium. Un mélange aqueux est une solution dont le solvant est l'eau. Le préfixe hydro dérive quant à lui du grec ancien ὕδωρ (hudôr) et non pas de ὕδρος (hudros) lequel signifie « serpent à eau » (d'où l'hydre 
).
Par « eau », on comprend souvent liquide incolore constitué en majorité d'eau, mais pas uniquement d'eau pure. Suivant sa composition chimique qui induit son origine ou son usage, on précise :
- eau minérale, eau de Seltz, eau de source, eau de mer, eau douce, eau potable, eau de pluie, eau du robinet, eau de table, eau gazeuse, eau plate, etc. ;
- en chimie, on parle d'eau lourde, eau tritiée, eau dure, eau distillée ;
- pour un usage plus ancien, on parle de l'eau-forte pour l’acide nitrique dilué, de l'eau régale pour un mélange d'acides qui dissout l'or, mais aussi d'eau-de-vie constituée d'éthanol dilué d'eau potable ;
- une femme perd ses eaux avant l'accouchement.
Géophysique : l'eau sur Terre et dans l'Univers
Cascades de Jonathan’s Run.
L'eau dans l'Univers
L'eau a été trouvée dans des nuages interstellaires dans notre galaxie, la Voie lactée. On pense que l'eau existe en abondance dans d'autres galaxies aussi, car ses composants, l'hydrogène et l'oxygène, sont parmi les plus abondants dans l'Univers.
Les nuages interstellaires se concentrent éventuellement dans des nébuleuses solaires et des systèmes stellaires tels que le nôtre. L'eau initiale peut alors être trouvée dans les comètes, les planètes, les planètes naines et leurs satellites.
La forme liquide de l'eau est seulement connue sur Terre, bien que des signes indiquent qu'elle soit (ou ait été) présente sous la surface d'Encelade, l'un des satellites naturels de Saturne, sur Europe et à la surface de Mars. Il semblerait qu'il y ait de l'eau sous forme de glace sur la Lune en certains endroits, mais cela reste à confirmer. La raison logique de cette assertion est que de nombreuses comètes y sont tombées et qu'elles contiennent de la glace, d'où la queue qu'on en voit (quand les vents solaires les touchent, laissant une traînée de vapeur). Si l'on découvre de l'eau en phase liquide sur une autre planète, la Terre ne serait alors peut-être pas la seule planète que l'on connaît à abriter la vie.
Origine de l'eau sur Terre
Les avis divergent sur l'origine de l’eau sur la Terre.
Formes de l'eau sur Terre
Le cycle de l'eau (connu scientifiquement sous le nom de cycle hydrologique) se rapporte à l'échange continu de l'eau entre l'hydrosphère, l'atmosphère, l'eau des sols, l'eau de surface, les nappes phréatiques et les plantes.
L'eau liquide est trouvée dans toutes sortes d'étendues d'eau, telles que les océans, les mers, les lacs, et de cours d'eau tels que les fleuves, les rivières, les torrents, les canaux ou les étangs. La majorité de l'eau sur Terre est de l'eau de mer. L'eau est également présente dans l'atmosphère en phase liquide et vapeur. Elle existe aussi dans les eaux souterraines (aquifères).
Répartition de l'eau sur Terre
Volume d'eau contenu dans
les différents réservoirs18
| Réservoirs | Volume
(106 km3) | Pourcentage
du total |
|---|
| Océans |
1 320 |
97,25 |
| Calottes glaciaires et glaciers |
29 |
2,05 |
| Eau souterraine |
9,5 |
0,68 |
| Lacs |
0,125 |
0,01 |
| Humidité des sols |
0,065 |
0,005 |
| Atmosphère |
0,013 |
0,001 |
| Fleuves et rivières |
0,0017 |
0,000 1 |
| Biosphère |
0,000 6 |
0,000 04 |
Le volume approximatif de l'eau de la Terre (toutes les réserves d'eau du monde) est de 1 360 000 000 km3. Dans ce volume :
- 1 320 000 000 km3 (97,2 %) se trouvent dans les océans ;
- 25 000 000 km3 (1,8 %) se trouvent dans les glaciers et les calottes glaciaires ;
- 13 000 000 km3 (0,9 %) sont des eaux souterraines ;
- 250 000 km3 (0,02 %) sous forme d'eau douce dans les lacs, les mers intérieures et les fleuves ;
- l'équivalent de 13 000 km3 (0,001 %) d'eau liquide sous forme de vapeur d'eau atmosphérique à un moment donné.
Si la fraction d'eau sous forme gazeuse est marginale, la Terre a perdu au cours de son histoire un quart de son eau dans l'espace19.
On sait depuis 2014 qu'une partie notable du manteau terrestre principalement constituée de ringwoodite, entre 525 et 660 km de profondeur, pourrait contenir jusqu'à trois fois le volume d'eau des océans actuels (et en serait la source principale). La quantification n'est pas encore définitive mais pourrait faire varier énormément le volume d'eau disponible sur Terre, même si son exploitabilité et sa disponibilité spontanée sont douteuses20,21.
Rôle de l'eau dans l'apparition de la vie
L'eau liquide semble avoir joué, et continue à jouer, un rôle primordial dans l'apparition et la persistance de la vie sur Terre. La forme liquide, contrairement aux états gazeux ou solide, maximise les contacts entre atomes et molécules, augmentant de fait leurs interactions. L'eau est une molécule polaire et un bon solvant, capable de solubiliser de nombreuses molécules. Le cycle de l'eau joue un rôle majeur, notamment par l'érosion des continents, qui permet d'apporter de grandes quantités de minéraux nécessaires à la vie dans les rivières, les lacs et les océans. Le gel de l'eau permet d'éclater les roches et augmente la disponibilité de ces minéraux22.
L'eau durant l'« Anthropocène »
Durant l'« Anthropocène »23, l'humanité a bouleversé le cycle de l'eau, par la surexploitation de certaines nappes, la déforestation, le dérèglement climatique, la canalisation de grands cours d'eau, les grands barrages, l'irrigation à grande échelle24. Elle l'a fait à une vitesse et à une échelle qui ne sont pas comparables avec les événements historiques passés, et avec des effets qui dépassent ceux des grandes forces géologiques24.
Propriétés
Propriétés physiques
Une main dans l'eau courante. La distorsion est due à la
réfraction.
Générales
La température de vaporisation de l'eau dépend directement de la pression atmosphérique, comme le montrent ces formules empiriques :
- pression normalisée dans la troposphère (0–11 km) :
- P r e s s i o n [ P a ] = 101 325 × ( 288 , 15 − 0 , 0065 × A l t i t u d e [ m ] 288 , 15 ) 5 , 255
![Pression[Pa]=101\,325\times \left({\frac {288,15-0,0065\times Altitude[m]}{288,15}}\right)^{{5,255}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/11de63d587e70ddec280e1b786354ce978bbf338)
- P o i n t d ′ e ´ b u l l i t i o n [ K ] ≈ 26 , 307 × ln ( P r e s s i o n [ P a ] ) + 69 , 771
![Point~d'{\acute e}bullition[K]\approx 26,307\times \ln(Pression[Pa])+69,771](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/032ed9eb13dc51b1f4f386b3edb722eb328a0ea0)
Son point d'ébullition est élevé par rapport à un liquide de poids moléculaire égal. Ceci est dû au fait qu'il faut rompre jusqu'à trois liaisons hydrogène avant que la molécule d'eau puisse s'évaporer. Par exemple, au sommet de l'Everest, l'eau bout à environ 68 °C, à comparer aux 100 °C au niveau de la mer. Réciproquement, les eaux profondes de l'océan près des courants géothermiques (volcans sous-marins par exemple) peuvent atteindre des températures de centaines de degrés et rester liquides.
L'eau est sensible aux fortes différences de potentiel électrique. Il est ainsi possible de créer un pont d'eau liquide de quelques centimètres entre deux béchers d'eau distillée soumis à une forte différence de potentiel25.
Un nouvel « état quantique » de l’eau a été observé quand les molécules d’eau sont alignées dans un nanotube de carbone de 1,6 nanomètre de diamètre et exposées à une diffusion de neutrons. Les protons des atomes d’hydrogène et d’oxygène possèdent alors une énergie supérieure à celle de l’eau libre, en raison d’un état quantique singulier. Ceci pourrait expliquer le caractère exceptionnellement conducteur de l’eau au travers des membranes cellulaires biologiques26.
Radioactivité : elle dépend des métaux et minéraux et de leurs isotopes présent dans l'eau, et peut avoir une origine naturelle ou artificielle (retombées des essais nucléaires, pollution radioactive, fuites, etc.). En France, elle est suivie par l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), y compris pour l'eau du robinet27.
L'eau comme fluide thermodynamique
L'eau est un fluide thermodynamique d'usage courant, efficace et économique3 :
- l'eau est stable en température jusqu'à une valeur élevée ;
- l'eau a une masse volumique maximale de 1 000 kg/m3 (soit 1 kg/l à l'origine la définition du kilogramme ; exactement 999,975 kg/m3 à 3,98 °C) ;
- l'eau a la capacité thermique à pression constante la plus élevée de tous les liquides (75,711 J mol−1 K−1 soit 4,202 6 kJ kg−1 K−1 à 20 °C). Les océans sont de bons accumulateurs de la chaleur ;
- l'eau a une très faible conductivité thermique (0,604 W/(m⋅K) à 20 °C) ;
- l'eau a la chaleur latente d'évaporation la plus élevée de tous les liquides (44,22 kJ/mol soit 2 454,3 kJ/kg à 20 °C), d'où l'efficacité de la transpiration comme moyen de rafraîchissement ;
- l'eau a une chaleur latente de fusion élevée (6,00 kJ/mol soit 333,0 kJ/kg) ;
- l'eau a la tension superficielle la plus élevée de tous les liquides (72 mN/m à 20 °C) à l'exception du mercure ; dans l'air humide, la formation de gouttelettes est facilitée ; l'eau monte dans un tube capillaire, telle la sève dans les arbres ;
- l'eau est transparente à la lumière visible, ainsi les organismes aquatiques peuvent vivre car la lumière du soleil peut les atteindre ; elle est cependant opaque au rayonnement infrarouge, absorbé par l'hydrogène, l'oxygène et leur liaison ;
- La couleur de l'eau est naturellement bleue en raison de sa vibration moléculaire.
Radiolyse
La radiolyse de l'eau est la dissociation, par décomposition chimique de l'eau (H2O) (liquide ou de vapeur d'eau) en hydrogène et hydroxyle respectivement sous forme de radicaux H· et HO·, sous l'effet d'un rayonnement énergétique intense (rayonnement ionisant). Elle a été expérimentalement démontrée il y a environ un siècle. Elle se fait en passant par plusieurs stades physicochimiques et à des conditions particulières de température et de pression, de concentration du soluté, de pH, de débit de dose, de type et énergie du rayonnement, de présence d'oxygène, de nature de la phase de l'eau (liquide, vapeur, glace). C'est un phénomène encore incomplètement compris et décrit qui pourrait, dans le domaine du nucléaire, des voyages dans l'espace ou pour d'autres domaines, avoir dans le futur des applications techniques nouvelles, entre autres pour la production d'hydrogène28.
Référence dans le système métrique
Référence massique
À l’origine, un décimètre cube (litre) d’eau définissait une masse de un kilogramme (kg). L’eau avait été choisie car elle est simple à trouver et à distiller. Dans notre système actuel de mesure – le Système international d'unités (SI) – cette définition de la masse n’est plus valable depuis 1889, date à laquelle la première Conférence générale des poids et mesures définit le kilogramme comme la masse d’un prototype de platine iridié conservé à Sèvres. Aujourd’hui à 4 °C, la masse volumique est de 0,999 95 kg/L. Cette correspondance reste donc une excellente approximation pour tous les besoins de la vie courante.
Référence de température
- Le système centigrade défini par Celsius (légèrement différent du degré Celsius actuel - voir ci-dessous) fixe le degré 0 sur la température de la glace fondante et définit comme degré 100 la température de l’eau en ébullition sous pression atmosphérique normalee. L’échelle est ensuite graduée de 0° à 100°. C’est ainsi que la température normale du corps humain est en moyenne de 37 °C.
- Le système Fahrenheit fixe originellement le point de solidification de l’eau à 32 °F et son point d’ébullition à 212 °F ; il est désormais aligné sur la température Celsius selon la formule T[°F] = 1,8 T[°C] + 32, la différence avec la première définition étant extrêmement faible.
- Le système kelvin sert pour la mesure absolue de la température thermodynamique ; son unité était jusqu'en 2019 égale à 1/273,16 fois la température absolue du point triple de l’eau (laquelle vaut donc, par réciproque de la définition, 0,01 °C).
- Le système Celsius est défini arbitrairement par une translation d'exactement 273,15 unités par rapport au kelvinf, pour se rapprocher au plus près du degré centigradeg.
Référence de densité
Propriétés chimiques
Forme
Modèles des liaisons hydrogène de l'eau.
La molécule d'eau possède une forme coudée due à la présence de deux doublets non-liants : les deux orbitales non-liantes et les deux orbitales liantes (liaisons O−H) se repoussent et s'approchent de la symétrie tétraédrique (en) que réalisent les quatre orbitales liantes de la molécule CH4. Elle possède donc une structure tétraédrique (type AX2E2 en méthode VSEPR) ; l'angle H-O-H est de 104,5°h et la distance interatomique dO-H vaut 95,7 pm soit 9,57 × 10−11 m.
Polarité
L'eau étant une molécule coudée, sa forme joue un rôle important dans sa polarité. En effet, du fait de sa forme coudée, les barycentres des charges partielles positives et négatives ne sont pas superposés. Cela entraîne une répartition inégale des charges ce qui donne à l'eau ses propriétés de molécules polaires29.
De là il vient que :
- l'électronégativité de l'atome O étant plus haute que celle de H, il y a une polarisation de cette molécule, ce qui en fait un bon solvant. Elle possède, en règle générale, un dipôle électrique permanenti. La polarité de la molécule H2O lui permet de réaliser des liaisons hydrogène intermoléculaires (+20 -25 kJ/mol). Les liaisons hydrogène sont des liaisons faibles, donc très mobiles, qui donnent à l'eau une structure ordonnée à l'origine de ses propriétés particulières ;
- on observe 2 charges partielles négatives (δ−), sur les doublets non liants de l'oxygène qui forment chacune une liaison hydrogène avec un atome d’hydrogène d'une autre molécule portant charge partielle positive (δ+) ;
- et une charge partielle positive (δ+), sur chaque atome d'hydrogène ce qui permet des liaisons hydrogène avec un oxygène d'une autre molécule portant une charge (δ−).
Ce qui explique, par exemple la forme particulièrement ordonnée des cristaux de glace. À quantité égale, la glace flotte sur l'eau (sa densité solide est plus faible que celle liquide).
Solvant
L'eau est un composé amphotère, c'est-à-dire qu'elle peut être une base ou un acide. L'eau peut être protonée, c'est-à-dire capter un ion H+ (autrement dit un proton, d'où le terme protonée) et devenir un ion H3O+ (voir Protonation). À l'inverse, elle peut être déprotonée, c'est-à-dire qu'une autre molécule d'eau peut capter un ion H+ et la transformer en ion OH−. Cependant, ces réactions se produisent très rapidement et sont minimes.
- 2H2O → H3O+ + HO−
Les solvants protiques ou polaires y sont solubles (grâce aux liaisons hydrogène) et les solvants aprotiques ou non-polaires ne le sont pas.
Alimentation humaine
L’eau est le principal constituant du corps humain. La quantité moyenne d’eau contenue dans un organisme adulte est d'environ 65 %, ce qui correspond à environ 45 litres d’eau pour une personne de 70 kilogrammes. Ce pourcentage peut néanmoins varier, plus une personne est maigre, plus la proportion d’eau de son organisme est importante. L'eau dépend également de l’âge : elle diminue avec les années, car plus les tissus vieillissent, plus ils se déshydratent, l’eau étant remplacée par de la graisse.
Dans l’organisme la concentration en eau varie d'un organe à l’autre et selon les cellules31 :
L'organisme humain a besoin d'environ 2,5 litres d'eau par jour (1,5 litre sous forme liquide et 1 litre acquis dans la nourriture absorbée), davantage en cas d'exercice physique ou de forte chaleur ; il ne faut pas attendre d'avoir soif pour en absorber, surtout pour les femmes enceintes et pour les personnes âgées chez qui la sensation de soif est retardée. Sans eau, la mort survient après 2 à 5 jours, sans fournir aucun effort (40 jours sans nourriture en étant au repos).
Chaque jour l'organisme absorbe en moyenne32,j :
Chaque jour, l'organisme en rejette33,j :
- 1 à 2 litres par l'urine (avec un minimum de 0,5 litre pour une personne correctement hydratée en conditions normales) ;
- 0,45 litre par la perspiration et la transpiration (valeurs augmentées avec la chaleur et/ou à l'activité physique) ;
- 0,3 litre (± 20 %) à 0,55 litre (± 10 %) dans un contexte d'activité physique, par la respiration ;
- 0,15 litre (± 10 %) par les selles.
Robinet d'eau public avec pompe manuelle.
L’accès à l’eau est un besoin vital pour toutes les espèces connues mais nombreux sont les animaux qui n’apprécient pas son contact direct.
On distingue huit types :
Les contrôles de qualité y recherchent d'éventuels polluants et substances indésirables, dont depuis peu, des médicaments, résidus de médicaments ou perturbateurs endocriniens34 pour limiter les risques environnementaux et sanitaires des résidus de médicaments sur les milieux aquatiques.
Production d'eau potable
Appareil de purification de l'eau au
XIXe siècle.
De l'eau relativement pure ou potable est nécessaire à beaucoup d’applications industrielles et à la consommation humaine.
En France, le nombre de paramètres qualitatifs de la potabilité est passé entre 1989 et 2003 de 63 à 48 dont 2 paramètres microbiologiques, 26 paramètres chimiques, 18 paramètres indicateurs et 2 paramètres de radioactivité. Rapporté aux quelque 143 000 substances chimiques présentes en Europe, le taux de contrôle est donc de moins de 0,02 %35.
Eau du robinet et eau en bouteille
Corporation des officiers des eaux de Paris.
La communication des acteurs de la chaîne de l'eau en France aborde souvent l'opposition entre consommation d'eau en bouteille ou du robinet, qui est source de quelques polémiques :
- les producteurs d'eau en bouteille mettent en avant la qualité gustative de cette eau (absence de nitrate, entre autres) et l'absence de métaux lourds (plomb, etc.) parfois retrouvés dans l'eau du robinet en présence de canalisations anciennes. Les enjeux économiques relatifs à la commercialisation de l'eau en bouteille ont parfois conduit à distinguer le calcaire et le carbonate de calcium CaCO3 en réalité identiques ; le calcaire étant aussi composé de carbonate de magnésium MgCO3, et tous deux indispensables à l'organisme ;
- les distributeurs d'eau du robinet mettent en avant le mauvais écobilan des bouteilles en plastique (pollution à la production, libération de produits chimiques lors de périodes de chauffe) et de leur transport, etc., ainsi que le coût, plus élevé, de l'eau en bouteille.
En France, les deux types d'eau contiennent des polluants36.
Par ailleurs, l'eau sert aussi à nettoyer la nourriture et les vêtements, à se laver mais aussi pour remplir des piscines (et il faut 60 m3 d'eau pour remplir une piscine privée moyenne37).[source insuffisante]
Prélèvements et consommation par secteur
En France, de 2008 à 2015 les distributeurs d'eau de France métropolitaine fournissent environ 5,5 milliards de mètres cubes d’eau potable par an38, soit, en moyenne, 85 m3 par habitant et par an38, ou 234 litres d’eau par personne et par jour38 dont un tiers vient des eaux de surface38 (20 % de cette eau est perdue via les fuites du réseau de distribution38) ; et au total « plusieurs dizaines de milliards de m3 d’eau sont prélevés chaque année »39 et utilisés comme eau potable (embouteillée ou non), mais aussi pour l'irrigation, l'industrie, l'énergie, les loisirs, le thermalisme, les canaux, l'entretien de voiries, la production de neige artificielle ou bien d'autres activités, mais c'est la production d'énergie qui en utilise le plus (59 % de la consommation totale) devant la consommation humaine (18 %), l'agriculture (irrigation) (12 %) et l'industrie (10 %)40. Une banque nationale des prélèvements sur l'eau41 (BNPE) est disponible en ligne pour le grand-public comme les experts depuis 2015. Elle doit permettre le suivi des prélèvements quantitatifs (par environ 85 000 ouvrages connus en 2015) et d'évaluer la pression sur la ressource en eau (métropole et outre-mer français), avec des données détaillées ou de synthèse téléchargeables (mais « encore à consolider » en 2015)42).
D'un point de vue économique, le secteur de l'eau est généralement considéré comme partie prenante du secteur primaire car exploitant une ressource naturelle ; il est même parfois agrégé au secteur agricole43.
Secteur domestique
Secteur agricole
L’agriculture est le premier secteur de consommation d’eau, notamment pour l’irrigation.
En France, l’agriculture absorbe plus de 70 % de l’eau consommée44, ce qui peut s’expliquer par différentes raisons :
- l’élevage dont le régime alimentaire implique la mobilisation de grandes quantités d’énergie et d’eau par ration produite ;
- l’irrigation massive dans le but d’assurer des rendements maximaux pour des cultures nécessitant énormément d'eau44 ;
- l’accroissement de la population qui nécessite la production de plus grandes quantités de denrées alimentaires ;
- des régimes alimentaires plus riches dus à une orientation croissante du mode de vie « à l’occidentale ».
De ce fait, au début des années 1960, les agriculteurs, pour accroître de manière conséquente leurs rendements, ont eu recours à l’agriculture intensive (utilisation d’engrais chimiques, de pesticides et de produits phytosanitaires). Cette agriculture intensive a eu pour conséquence de polluer les eaux des sols avec de fortes concentrations en azote, phosphore et molécules issues des produits phytosanitaires44. Aujourd’hui, les traitements pour éliminer ces polluants sont complexes, onéreux et souvent difficiles à appliquer. Par conséquent, on s’oriente vers d’autres pratiques agricoles plus respectueuses de l’Homme et de l’environnement comme l’agriculture « intégrée » ou « biologique ». L'agroforesterie et les bocages sont des solutions pour construire des micro-climats et permettre la circulation de l'eau jusqu'à l'intérieur des terres grâce aux phénomènes d'évapotranspiration des végétaux. Pour exemple un hectare de hêtraie, qui consomme de 2 000 à 5 000 tonnes d’eau par an, en restitue 2 000 par évaporation45.
Secteur industriel
L’eau est aussi utilisée dans nombre de processus industriels et de machines, telles que la turbine à vapeur ou l’échangeur de chaleur. Dans l'industrie chimique, elle est utilisée comme solvant ou comme matière première dans des procédés, par exemple sous forme de vapeur pour la production d'acide acrylique46,47,48. Dans l’industrie, les rejets d’eau usée non traitée provoquent des pollutions qui comprennent les rejets de solutions (pollution chimique) et les rejets d’eau de refroidissement (pollution thermique). L’industrie a besoin d’eau pure pour de multiples applications, elle utilise une grande variété de techniques de purification à la fois pour l’apport et le rejet de l’eau.
L’industrie est ainsi grande consommatrice d’eau :
- en Asie du Sud-Est et Pacifique, elle représente plus de 30 % des prélèvements d’eau49. Dans ces régions l'industrie assure désormais 48 % du PIB total et cette proportion est en augmentation constante. La pollution et les déchets industriels mettent en danger les ressources en eau parce qu'ils dégradent et détruisent des écosystèmes à travers le monde. Ce phénomène menace la sécurité de l'eau50 ;
- les industries extractives consomment de plus en plus d'eau, et en particulier l'industrie pétrolière et gazière qui l'utilisent pour augmenter la pression dans les puits afin d'extraire plus d'hydrocarbures et plus rapidement, notamment avec la fracturation hydraulique. Une étude publiée en 2016 ayant porté sur 129 pays a porté sur l'empreinte eau de notre consommation énergétique : elle a montré d'importantes différences (selon les pays et les secteurs) en termes de dépendance aux ressources internationales en eau douce.
Par exemple, si l'industrie pétrolière a une ampleur comparable en Amérique du Nord et en Chine elle consomme en Amérique du Nord trois fois plus d'eau douce internationale. De même selon les données disponibles pour l'UE-28 avec, en moyenne, 86 % de la consommation d'eau douce associée au secteur pétrolier se faisant hors du pays de consommation. Un pays comme la France ne menace pas ses propres ressources puisque son pétrole est importé. Il peut être tenté d'accorder moins d'importance à ce phénomène que la Chine où cette question relève de la sécurité intérieure. Les pressions exercées par des pays riches sur des pays pauvres peuvent conduire à aggraver ou créer des pénuries d'eau et déstabiliser certains équilibres géostratégiques, au détriment de la paix, de la sécurité de l'eau et de l'énergie51. Les agrocarburants ne sont pas de ce point de vue une solution, car quand ils sont issus de plantes cultivées, ou de cultures artificielles d'algues, ils consomment aussi beaucoup d'eau51. Le nucléaire consomme aussi de l'eau, qu'il réchauffe, ainsi en France, environ 60 % des prélèvements d’eau (industrie) servent au refroidissement des centrales nucléaires[réf. nécessaire] ;
- en Suisse, la population s'est accrue depuis 1975 mais sa consommation totale d'eau a diminué : en 1981, 500 litres par habitant et par jour étaient consommés ; en 2011, cette consommation est de 350 litres environ. Cette baisse est due notamment aux efforts de l'industrie52. Une bonne gestion de l’eau est donc possible avec une maîtrise des coûts53. Cependant, avec les canons à neige, l'industrie des loisirs pour les sports d'hiver utilise de plus en plus d'eau en la dégradant54,55.
Interconnexion eau énergie
Lutte contre les incendies
C’est parce que les combustibles se combinent avec l’oxygène de l’air qu’ils brûlent et dégagent de la chaleur. L’eau ne peut pas brûler puisqu’elle est déjà le résultat de la réaction de l’hydrogène avec l’oxygène.
Elle aide à éteindre le feu pour deux raisons :
- lorsqu’un objet est recouvert d’eau, l’oxygène de l’air ne peut pas parvenir jusqu’à lui et activer sa combustion ;
- la seconde est que l’eau peut absorber une grande quantité de chaleur lorsqu’elle se vaporise et, de ce fait, abaisser la température de la matière en combustion au-dessous de son point d’ignition.
Le craquage de l'eau ayant lieu à partir de 850 °C, on évite d'utiliser de l'eau sans additif si la température du brasier dépasse cette température. [réf. nécessaire]
Eaux usées
L'assainissement et l'épuration sont les activités de collecte et traitement des eaux usées (industrielles, domestiques, ou autres) avant leur rejet dans la nature, afin d’éviter la pollution et les nuisances sur l’environnement. L'eau après un premier traitement souvent est désinfectée par ozonation, chloration ou traitement UV, ou encore par microfiltration (sans ajout de produit chimique dans ces derniers cas).
Politique et économie
Le réservoir d'Itzelberg, sur la rivière Brenz (Allemagne).
Aux Pays-Bas, l'eau est un élément essentiel du paysage naturel.
La protection de ce bien commun qu'est la ressource en eau a motivé la création d'un programme de l'ONU (UN-Water), et d'une évaluation annuelle Global Annual Assessment of Sanitation and Drinking-Water (GLAAS)56, coordonné par l'OMS.
La multiplicité de ses usages fait de l'eau une ressource fondamentale des activités humaines. Sa gestion fait l’objet d'une surveillance permanente et affecte les relations entre les États.
Pour faire face à ces questions, un conseil mondial de l'eau, dont le siège est à Marseille, a été fondé en 1996, réunissant des ONG, des gouvernements et des organisations internationales. De manière régulière, un forum mondial de l'eau est organisé pour débattre de ces sujets, mais pas toujours dans la même ville. En parallèle au forum mondial de l'eau, un forum alternatif mondial de l'eau est organisé par des mouvements alternatifs.
En France, les nombreux acteurs de l'eau et leurs missions diffèrent selon les départements et les territoires. Il existait cinq polices de l'eau aujourd'hui coordonnées par les Missions interservice de l'eau57 (MISE). Les Agences de l'eau sont des établissements publics percevant des redevances qui financent des actions de collectivités publiques, d'industriels, d'agriculteurs ou d'autres acteurs pour épurer ou protéger la ressource en eau. La distribution d'eau potable est un service public gérée au niveau communal ou EPCI, soit directement en régie, soit déléguée à une société privée (affermage, concession). L'ONEMA remplace le conseil supérieur de la pêche, avec des missions étendues.
La nouvelle « loi sur l'eau et les milieux aquatiques » (LEMA) de 2007 modifie en profondeur la précédente loi et traduit dans la législation française la « directive-cadre de l'eau » (DCE) européenne.
La gestion de l’eau couvre de nombreuses activités :
La France est le pays des grandes entreprises de l'eau (Suez, Veolia, etc.). Celles-ci prennent une importance mondiale depuis les années 1990. Mais avec le Grenelle de l'Environnement et du grenelle de la mer, et sous l'égide de personnalités telles que Riccardo Petrella, la question de l'eau comme bien public reste posée.
En 2009, un colloque58 a porté sur la régulation et une plus grande transparence des services d'eau en France.
Problématique de l'eau en montagne
Les montagnes couvrent une part importante de la Terre. En Europe (35,5 % du territoire en Europe, 90 % en Suisse et en Norvège) et plus de 95 millions d’Européens y vivaient en 2006. Elles sont de véritables châteaux d’eau et jouent un rôle capital dans la gestion des ressources aquifères car elles concentrent une part importante des précipitations et tous les grands fleuves et leurs principaux affluents y prennent leur source.
En montagne, l'eau est une richesse écologique mais aussi source d'hydroélectricité et de commerce (mise en bouteille d’eau minérale), et le support de sports et loisirs en eaux vives. En Europe, 37 grandes centrales hydrauliques sont implantées en montagne (sur 50, soit 74 %) auxquelles s’ajoutent 59 autres grandes centrales sur 312 (18,9 %).
Les montagnes présentent des situations particulières, car elles sont tout d’abord des zones de risques :
- avec la pente et le relief, conjugués à une végétation souvent rase et fragile du fait d’un climat plus rude, elles sont des zones d’intenses érosions et de concentration rapide des eaux qui forment les crues et les inondations qui peuvent être ravageuses pour les parties basses des bassins et des plaines. Le phénomène est accentué par le surpâturage et la déforestation, par l’imperméabilisation du sol par les constructions, les aires de stationnement et les routes, en particulier dans les zones de fort développement urbain et touristique ;
- à l’inverse, l’abandon des secteurs les plus difficiles par les populations qui pratiquent des activités économiques traditionnelles comme le pastoralisme, a pour conséquences l’arrêt de l’entretien et la destruction des ouvrages collectifs, des zones de terrasses et des systèmes de drainage.
Mais l’eau en montagne, est surtout une source de richesse et de développement. Une meilleure valorisation de ce potentiel par l’aménagement du territoire peut être la source de nouvelles richesses pour l’économie des zones de montagne, mais dans le cadre d’un comportement économe et responsable. Avec le réchauffement climatique, les situations d’évènements extrêmes comme les sécheresses, les inondations et l’érosion accélérée, risquent de se multiplier et d’être, avec la pollution et le gaspillage, d’ici une génération un des principaux facteurs limitant le développement économique et social dans la plupart des pays du monde.
Selon les experts réunis à Megève en dans le cadre de l’« Année internationale de la montagne » avec la participation de la FAO, de l’UNESCO, du Partenariat mondial de l'eau et du Réseau international des organismes de bassin, afin de tirer un diagnostic et de formuler les propositions présentées au forum mondial de l'eau de Kyoto () : « La « solidarité amont-aval » reste trop faible : il vaut mieux aider les montagnes dans le cadre de politiques intégrées de bassins, pour qu’ils assurent la gestion et l’équipement nécessaires des hauts bassins versants. […] Il est impératif en effet de conduire en montagne des actions particulières renforcées d’aménagement et de gestion pour mieux se protéger contre les inondations et l’érosion, lutter contre les pollutions et optimiser les ressources en eau disponibles pour les partager entre les usagers, tant en amont que dans les plaines en aval. »[réf. souhaitée]
Problématique de l'eau et l'urbanisme
Certains territoires connaissent un développement important induit par la mise en service d’infrastructures routières nouvelles et un dynamisme économique. En France, les documents d’urbanisme sont révisés fréquemment pour permettre la construction d’espaces nouveaux[réf. nécessaire]. Or, l'extension des territoires urbanisés génère des impacts sur l’environnement : accroissement des prélèvements pour l’alimentation des populations en eau potable, augmentation des rejets (eaux pluviales et eaux usées), fragmentation des milieux naturels, etc.[réf. souhaitée] Ceux-ci ne sont pas toujours correctement appréhendés au niveau des documents d'urbanisme, qui structurent et planifient l'espace[réf. nécessaire]. Ces réflexions ont été au cœur du Grenelle de l’Environnement en 2007.
Ces impacts doivent être pris en compte en amont, dès la définition des projets structurants à l’échelle d’un territoire. Aussi convient-il de les intégrer dans l’élaboration des documents de planification urbaine (plans locaux d’urbanisme, cartes communales, etc.).
Enjeu géopolitique
L'eau est un objet et un vecteur de confrontations importantes. A ce titre, cette ressource est analysée sous le prisme de la géopolitique afin de rendre compte de son rôle dans le déclenchement de guerres59.
Enjeu sanitaire et social
En 2017, sur 6,4 milliards d'êtres humains, 3,5 milliards de personnes boivent chaque jour de l’eau dangereuse ou de qualité douteuse60. De plus, 2,4 milliards ne disposent pas de système d'assainissement d'eau. En 2018, 2 milliards d'êtres humains dépendent de l'accès à un puits. Il faudrait mobiliser 37,6 milliards de dollars par an pour répondre au défi de l'eau potable pour tous, quand l'aide internationale est à peine de trois milliards60.
L'impossibilité d'accès à l'eau potable d'une grande partie de la population mondiale a des conséquences sanitaires graves. Ainsi, un enfant meurt toutes les cinq secondes de maladies liées à l’eau et à un environnement insalubre61 ; des millions de femmes s'épuisent en corvées d’eau ; entre 40 et 80 millions de personnes ont été déplacées à cause des 47 455 barrages construits dans le monde, dont 22 000 en Chine62[réf. incomplète]. Selon l’ONG Solidarités International, 361 000 enfants de moins de cinq ans meurent chaque année de diarrhée causée par un accès inadéquat à l’Eau, l'Hygiène et l'Assainissement (EHA)63. Toutes causes confondues (diarrhées, choléra, gastro-entérites infectieuses aigües et autres infections), ces maladies hydriques64 représentent selon l'Unicef 1,8 million de victimes chez les moins de cinq ans65. Chaque année, 272 millions de jours de scolarité sont perdus à cause d'infections transmises par l'eau insalubre60.
Symbolique
- Dans la théorie des humeurs corporelles, l’eau était associée au flegme, aussi dénommée pituite en physiologie antique.
- Dans la symbolique occidentale, l’eau symbolise la purification, le renouveau : par exemple, l’eau coulante d’un fleuve.
- L'eau est aussi un symbole de la tradition française dans la célébration des 100 ans de mariage (même si à ce jour aucun couple n'a été recensé comme ayant atteint ce stade).
L’eau a longtemps revêtu plusieurs aspects dans les croyances et les religions des peuples. Ainsi, de la mythologie gréco-romaine aux religions actuelles, l’eau est toujours présente sous différents aspects : destructrice, purificatrice, source de vie, guérisseuse, protectrice ou régénératrice.
L'eau dans les cultures, mythes et religions
Les sciences laissent penser que l’eau est indispensable à la vie. La mythologie et certaines religions ont lié l'eau à la naissance, à la fécondité, à la pureté ou à la purification.
- L’eau est un des quatre éléments classiques mythiques avec le feu, la terre et l’air, et était vue par Empédocle comme l’élément de base de l’univers. Les caractéristiques de l’eau dans ce système sont le froid et l’humidité.
- Plusieurs dieux et déesses romains et grecs sont issus des eaux : ainsi Océan, un Titan, le fleuve qui entoure le monde et son épouse Téthys, une titanide, tous deux issus de l’eau, donnèrent naissance aux dieux fleuves et à plus de trois mille Océanides, leurs filles. D’autres plus célèbres ont leur vie liée à l’eau, tels Vénus (« celle qui sort de la mer ») issue de la mythologie romaine et Amphitrite (déesse de la mer), Poséidon ou Nérée (divinité marine), tous issus de la mythologie grecque.
- Avant Empédocle, Bouddha considérait les quatre éléments comme base de l’univers. Les caractéristiques de l’eau dans ce système sont le lien, le transport, la transmission, la communication, la synthèse. Les molécules d'eau s'allient et se délient des milliards de fois à chaque seconde. Du point de vue de l'unité dans l'approche symbolique, les quatre éléments forment une unité, qui peut être perçue comme la quintessence des quatre éléments. Dans cette perception, la symbolique de la terre (le solide, la structure), du feu (la température) et de l'air (le mouvement) peuvent être vus dans l'eau.
- C’est aussi l’un des cinq éléments chinois avec la terre, le feu, le bois et le métal, associé au Nord et à la couleur noire, et l’un des cinq éléments japonais.
- Pour les chrétiens, l'eau représente un « élément essentiel de purification et de vie », comme le rappelle le pape François dans son message pour la quatrième journée mondiale de prière pour la sauvegarde de la Création consacrée au thème de l'eau. Il mentionne le baptême, sacrement de la renaissance, où l'eau sanctifiée par l’Esprit est la matière par laquelle Dieu nous a vivifiés et renouvelés ; c’est la source bénie d’une vie qui ne meurt plus66.
L'eau destructrice
L’eau revêt cet aspect destructeur notamment lorsqu’on parle de fin du monde ou de genèse. Mais cela ne se limite pas aux religions monothéistes. Ainsi, dans l’épopée de Gilgamesh, une tempête qui dura six jours et sept nuits était à l’origine des inondations et de la destruction de l’humanité. Les Aztèques ont eux aussi cette représentation de l’eau puisque le monde du Soleil d’Eau placé sous le signe de l’épouse de Tlaloc est détruit par un déluge qui rasera même jusqu’aux montagnes. « Et l’Éternel dit : J’exterminerai de la face de la terre l’homme que j’ai créé, depuis l’homme jusqu’au bétail, aux reptiles, et aux oiseaux du ciel ; car je me repens de les avoir faits. » : c’est par cela qu’est désignée la fin du monde dans la genèse judéo-chrétienne, et d’ajouter : « Les eaux grossirent de plus en plus, et toutes les hautes montagnes qui sont sous le ciel entier furent couvertes »67. Le mythe des aborigènes d’Australie est, quant à lui, attaché à l’idée de punition et non pas de destruction, puisqu’une grenouille géante aurait absorbé toute l’eau et asséché la terre mais aurait tout recraché en rigolant aux contorsions d’une anguille. Les marées contribuent lentement aux phénomènes d'érosion et d'engraissement sur les littoraux mais ce sont les grandes inondations et tsunamis qui marquent périodiquement les esprits. Depuis l'ère industrielle, de nombreuses usines et autres facteurs de risques ont été concentrés dans les vallées et sur les littoraux, faisant que le risque technologique peut se combiner avec les risques liés aux manques ou excès d'eau. Le Genpatsu shinsai est par exemple au Japon l'association du risque nucléaire au risque de tsunami, l'occurrence simultanée de deux événements de ce type aggravant fortement leurs conséquences respectives.
L'eau purificatrice
À proximité du tombeau de
Daniel en
Ouzbékistan, de l'eau de source est bue et emportée par les pèlerins.
Cet aspect donne à l’eau un caractère presque sacré dans certaines croyances. En effet, outre la purification extérieure que confère l’eau, il y a aussi cette faculté d’effacer les difficultés et les péchés des croyants à son contact et de laver le croyant de toute souillure. Les exemples sont nombreux, allant de la purification dans le Gange dans l’hindouisme (où beaucoup de rituels sont exécutés au bord de l’eau tels que les funérailles) ou les ablutions à l’eau dans l’Islam jusqu’au baptême dans le christianisme ou l’initiation des prêtres shintoïstes.
L'eau guérisseuse et protectrice
Outre l’aspect purificateur, l’eau s’est étoffée au cours des siècles et des croyances d’une faculté de guérison. Plusieurs signes de culte et d’adoration datant du Néolithique ont été retrouvés près de sources d’eau en Europe. Longtemps, des amulettes d’eau bénite ont été accrochées à l’entrée des maisons pour protéger ses occupants du Mal. On considère que le contact avec certaines eaux peut aller jusqu’à guérir de certaines maladies. L’exemple le plus proche est celui du pèlerinage à Lourdes en France où chaque année des milliers de gens se rendent pour se baigner dans sa source. Parmi les cas de guérison par l’eau de Lourdes, 67 ont été reconnus par l’Église catholique. Les rituels thérapeutiques christianisés des bonnes fontaines en constituent une autre illustration68. Du point de vue de la science, les propriétés curatives ont été démontrées car aujourd’hui l’hydrothérapie est courante dans les soins de certaines maladies.
Le canular du monoxyde de dihydrogène (DHMO)
Le canular du monoxyde de dihydrogène, conçu par Eric Lechner, Lars Norpchen et Matthew Kaufman, consiste à attribuer à l’eau la dénomination scientifique de monoxyde de dihydrogène (DHMO), inconnue des non-initiés, et à tenir à son sujet un discours solennellement scientifique de manière à créer chez l’auditeur une inquiétude injustifiée.
Notes et références
Notes
- L'eau pure est légèrement bleue, mais elle est si transparente que cette couleur n'est perceptible qu'à partir de plusieurs mètres d'épaisseur. Pour plus de détails, voir Couleur de l'eau1.
- À grande profondeur dans les deux planètes géantes glacées du Système solaire, dans les satellites des deux planètes géantes gazeuses et dans les planètes naines, l'eau solide n'est pas de la glace ordinaire mais l'un de ses nombreux polymorphes.
- On ne sait pas quelles formes peut prendre la vie extraterrestre, mais il est probable que l'eau liquide lui soit également indispensable.
- L’eau pure est parfois désignée sous le nom de « solvant universel ». D'où la teneur en matière sèche ou gazeuse des eaux minérales. L'eau fortement minéralisée perd cette capacité de dissolution importante. Elle relargue parfois sa charge de matière transportée, par exemple sous forme de tartres ou roches chimiques dites évaporites.
- Au moment de la création de cette échelle, c'était le contraire : le 0 était sur l'eau en ébullition, et le 100 sur la glace fondante (Leduc et Gervais 1985, p. 26)(Parrochia 1997, p. 97-98)
- Par construction, un écart d'un degré Celsius est donc strictement égal à un écart d'un kelvin.
- La différence entre les deux échelles n'est que de quelques centièmes de degré de 0 à 100 °C.
- Dans la molécule CH4 les quatre doublets sont identiques et forment deux à deux des angles de 109,5° ; dans la molécule H2O les deux doublets liants se repoussent un peu moins que les autres couples de doublets, ce qui explique cet angle de 104,5°, un peu plus faible que celui de la symétrie tétraédrique (en).
- Une molécule d'eau peut cependant n'avoir aucun dipôle électrostatique lorsque ses atomes d'hydrogène sont délocalisés par effet tunnel. C'est le cas pour une unique molécule d'eau piégée dans la structure cristalline d'un béryl à des températures de quelques kelvins30.
Références
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- En vidéo : de l'eau sculptée avec des champs électriques [archive], Futura-Sciences, 4 octobre 2007 (consulté le 27 avril 2012).
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- Livre de la Genèse, (VI, 7)/ (VII, 19)
Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :
Bibliographie
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- Daniel Parrochia, Météores : Essai sur le ciel et la cité, Editions Champ Vallon, , 250 p. (ISBN 978-2-87673-238-4, lire en ligne [archive])
- Ghislain de Marsily, L'eau, Flammarion, , 129 p.
Articles connexes
Sciences
- Pluie, rosée, goutte, liquide
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Une cellule photovoltaïque, ou cellule solaire, est un composant électronique qui, exposé à la lumière, produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque. La puissance électrique obtenue est proportionnelle à la puissance lumineuse incidentea et elle dépend du rendement de la cellule. Celle-ci délivre une tension continue et un courant la traverse dès qu'elle est connectée à une charge électrique (en général un onduleur, parfois une simple batterie électrique).
Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium et plus rarement d’autres semi-conducteurs : séléniure de cuivre-indium (CuIn(Se)2, ou CIS), séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CuInGa(Se)2, aussi appelé CIGS), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté.
Les cellules sont souvent réunies dans des modules photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée.
Cellule photovoltaïque de quatre
pouces en silicium polycristallin.
Histoire
Production de cellules photovoltaïques de 1995 à 2013, par pays.
XIXe siècle
Le principe de l'effet photoélectrique (transformation directe d'énergie portée par la lumière en électricité) est appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel1 et son fils Edmond Becquerel qui note qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donne naissance à une tension électrique quand elle est éclairée.
La fabrication de la première cellule solaire en matériaux semi-conducteurs est attribuée à Charles Fritts en 18832,3. Cette cellule atteignait un rendement de près de 1 %, et utilisait de l'or et du sélénium, des matériaux coûteux4.
XXe siècle
Le sélénium puis le silicium (qui a finalement supplanté le cadmium-tellure ou le cadmium-indium-sélénium également testés pour des raisons de coût) se sont montrés propice à la production des premières cellules photovoltaïques : posemètres pour la photographie dès 1914, puis générateurs[réf. nécessaire]. Hassan Kamel Al-Sabbah a alors eu pour projet, en 1928, de faire du Moyen-Orient un « Sahara vert », qui plus tard a inspiré le projet Desertec5.
Les faibles rendements des cellules à cette époque ne permettent pas d'applications concrètes des cellules photovoltaïques. Cela change en 1954, où les travaux de Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller pour les laboratoires Bell permettent enfin d'aboutir6 à un rendement de 6 %4.
C'est en 1958 que la première application réelle des cellules photovoltaïques est trouvée, avec l'alimentation des émetteurs radio du satellite Vanguard 1. Le rendement de ces panneaux solaires était alors de 9 %4.
Les années 1960 voient le développement du photovoltaïque avec l'essor des satellites spatiaux, puis dans les années 1970 c'est l'alimentation en électricité des lieux reculés qui permet les premières applications au sol7.
XXIe siècle
La recherche porte aujourd'hui sur de nombreux types de matériaux et de structures, ayant pour objectif l'un ou plusieurs de ces buts :
- augmenter l'efficacité de conversion énergétique ;
- diminuer du prix de l'énergie solaire ;
- améliorer la flexibilité d'application ou exploiter une niche de marché ;
- améliorer fiabilité et durée de vie.
Les techniques utilisées vont des polymères/matériaux organiques (éventuellement souples)8 aux matériaux dont les composants sont abondants dans la croûte terrestre, en passant par des technologies telles que les points quantiques et beaucoup d'autres encore.
Principe de fonctionnement
Structure d'une cellule photovoltaïque.
Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron à la matrice et crée ainsi un « trou ». En l'absence de dispositif supplémentaire, l'électron trouve rapidement un trou pour se recombiner et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner en son sein : il apparaîtra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme dans une pile. L'une des solutions pour atteindre cet objectif, couramment utilisée, est de générer un champ électrique au moyen d'une jonction P-N, c'est-à-dire entre deux couches dopées respectivement P et N.
Typiquement, la couche supérieure de la cellule est composée d'un semi-conducteur dopé Nb. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à celle du matériau intrinsèque (i.e. non dopé), d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge négative. La couche inférieure de la cellule est généralement composée d'un semi-conducteur dopé Pc. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à celle du matériau intrinsèque (i.e. non dopé), les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).
Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N diffusent dans la couche P et se recombinent avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'Espace (ZCE) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.
En fonctionnement, un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou. Ces porteurs de charge diffusent jusqu'à la zone de charge d'espace. Là, sous l'effet du champ électrique, ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où les porteurs de charges (électrons ou trous) sont séparés immédiatement par le champ électrique. Le phénomène est aussi efficace à proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, le nouvel électron (respectivement le trou) conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (respectivement la zone P). La ZCE est très mince, il est ainsi souvent possible de fabriquer des cellules finesd.
D'un point de vue électrique, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode. Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise souvent un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne transmission des photons vers l'absorbeur. Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions, aussi appelées « cellules tandem ».
Matériau : silicium
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape du processus est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98 % seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999 %, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.
Le silicium est produit sous forme de lingots de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques, le cas échéant mises au carré, de près de 200 µm d'épaisseur, appelées « wafers ». Après un traitement visant à l'enrichir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés, les wafers deviennent des cellules photovoltaïques.
La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner environ deux à trois ans pour compenser l’énergie nécessaire à sa fabrication (durée qu'on appelle retour énergétique)9,10, selon sa technique de fabrication, c'est-à-dire pour produire autant d'énergie qu'il en a été consommée pour sa fabrication. Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules à base de silicium sont décrits dans les trois paragraphes suivants.
Il existe d'autres types de cellules : les films photovoltaïques ou cellules solaires en couche mince, souples et prometteurs, mais leur utilisation est minoritaire après une baisse drastique des parts de marché dans les années 200011.
Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherche ambitieux pour réduire les coûts de fabrication et de recyclage des cellules photovoltaïques. De fait, en 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium et les prix des cellules n'ont pas baissé autant qu'espéré. L'industrie cherche donc à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 μm d'épaisseur à 200, puis 150 μm en 2019, diminuant la quantité de matière et d'énergie nécessaires, mais aussi les prix. En 2019, des cellules de seulement 0,2 μm d'épaisseur sont produites avec un rendement de 20 %, mais le coût des procédés mis en œuvre ne les rendent accessibles que pour les applications spatiales12.
Silicium amorphe
Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôt sous vide, à partir de plusieurs gaz. L'une des techniques les plus utilisées est le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ».
Cette technique a comme avantages :
- de fonctionner avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel de 20 à 3 000 lux) ;
- d'être un peu moins chère que les autres techniques ;
- d'être intégrable sur supports souples ou rigides.
Elle a cependant pour inconvénients :
- un rendement faible en plein soleil, de 5 à 7 %13 ;
- une nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m2 plus faible, environ 60 Wc/m2)14 ;
- une performance qui diminue avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3 à 6 mois), pour se stabiliser ensuite (-10 à -20 % selon la structure de la jonction).[réf. nécessaire],15,16
Silicium monocristallin
Cellule photovoltaïque à base de silicium monocristallin.
Le toit, le capot et de grandes parties de la coque extérieure du corps du
Sion sont équipés de cellules de silicium monocristallin.
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension, sans joint de grains. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.
Cette technique a comme avantage un bon rendement, de 16 à 24 % (en 2015) (~150 Wc/m2)14,13,17,18, et un nombre de fabricants élevé. Cependant, elle a un coût élevé, un rendement plus faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus19, et baisse du rendement quand la température augmente.
Silicium polycristallin
Cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin.
Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristallites. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristallites et les joints de grains.
Elle a comme avantages :
- une forme de cellule carréee permettant un meilleur foisonnement dans un module ;
- un bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m2 (voire plus)14, cependant un peu moins bon que celui du silicium monocristallin ; rendement de 14 à 18 %17,18 ; et un lingot moins cher à produire que le monocristallin. Cependant, elle a un rendement faible sous un faible éclairement ou soleil diffus.
Le terme « silicium multicristallin » est utilisé par la Commission électrotechnique internationale (réf. IEC TS 61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme polycristallin est utilisé pour les couches déposées sur un substrat (en petits grains).
Fabrication
Cellule photovoltaïque tandem
Une cellule photovoltaïque tandem est un empilement de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux différents, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines. Elle a une sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde, et un rendement élevé. Son coût est cependant plus élevé et sa réalisation est plus complexe. Des cellules tandem organiques ont atteint un rendement de 12 %20 et 18 % pour un tandem de perovskite et de silicium21.
Cellule photovoltaïque organique
Les cellules photovoltaïques organiques ont au moins leur couche active constituée de molécules organiques. Un rendement de plus de 15 % a été atteint22.
Cellule photovoltaïque multi-jonction
Les cellules multi-jonctions ont été développées pour des applications spatiales, pour lesquelles le paramètre clef n'est pas le rapport puissance/prix (Wc/$) mais la puissance massique, soit le rapport Wc/kg. Le développement a donc porté sur des cellules d'une grande efficacité de conversion. Cette technologie se retrouve également dans la filière photovoltaïque à concentration (CPV), qui bénéficie aussi particulièrement de l'utilisation de cellules de haut rendement.
Les cellules solaires à multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces déposées par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM/MOVPE) ou par Épitaxie par jet moléculaire (EJM/MBE). La cellule multi-jonction typique pour application spatiale est la triple jonction constituée de l'empilement des semi-conducteurs GaInP/GaAs/Ge dont le rendement de conversion avoisine les 30 %23,24,25,26. De manière plus générale, chaque semi-conducteur est caractérisé par une énergie minimum appelée bande interdite, ou gap. Les photons ayant une énergie inférieure à ce gap ne peuvent pas être absorbés par le semi-conducteur et ne contribuent donc pas à la génération d'électricité. Les photons d'énergie supérieure au gap provoquent un échauffement du matériau par mécanisme de thermalisation. Il est donc intéressant de superposer judicieusement des semi-conducteurs de gaps différents, permettant de mieux exploiter le spectre solaire et ainsi d'augmenter l'efficacité des panneaux photovoltaïques. Le rendement record de conversion photovoltaïque est ainsi de 47,1 % et a été mesuré sur une cellule 6-jonctions et sous concentration (x143) au NREL27.
Cellule photovoltaïque CIGS
La technique consiste à fabriquer un matériau semi-conducteur à base de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium. Les attraits de cette technologie par rapport aux technologies basées essentiellement sur le silicium sont la possibilité de contrôler et d'optimiser les propriétés du matériau. Un désir de distanciation de l'utilisation d'éléments chimiques rares tels que l'indium a récemment poussé la recherche vers la fabrication de matériaux similaires mais où l'indium et le gallium sont remplacés par les éléments zinc et étain, plus abondants. Cette technologie, nommée CZTS dû aux éléments présents dans sa structure, n'est cependant pas encore disponible sur le marché.
Cellule à pérovskites
Un domaine de recherche ayant fait l'objet d'une très grande attention durant la dernière décennie est la technologie des pérovskites hybrides organiques-inorganiques, abrégées dans cet article simplement en « perovskite ». Les rendements de conversion de cellules de laboratoire à pérovskites, qui pâtissent encore de problèmes de stabilité, ont été quintuplés en cinq ans pour atteindre environ 20 % en 2015, rendement proche de celui des cellules à base de silicium (25 %). Dans une étude publiée par la revue Science28, des équipes de chercheurs indiquent avoir découvert des anomalies dans la structure du matériau, dont la composition était jusque-là pensée uniforme. Ils proposent de corriger celle-ci afin d’améliorer la circulation des électrons avec un traitement chimique, permettant d’améliorer l’uniformité, la stabilité et l’efficacité de ces matériaux29. En 2017, une équipe de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne publie une étude suggérant que l'instabilité des cellules à pérovskites peut être surmontée grâce à certaines technologies à faible coût, permettant la fabrication de cellules performantes de confection peu coûteuse30.
Usages
Les cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, etc.) ou bien regroupées sur des modules solaires photovoltaïques.
Elles sont très utilisées en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellement fournie peuvent coûter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pas trop d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculatrices, montres, gadgets, etc. Il est possible d'augmenter leur plage d'utilisation avec un stockage (condensateur ou une batterie). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage d'énergie, il est indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du système pendant la nuit.
Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parcmètres, avion solaire, bateau solaire31...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas des centrales solaires photovoltaïque. Une installation photovoltaïque est avant tout une installation électrique obéissant à des normes strictes qui en France sont éditées par l'UTE32. On citera la norme C15712-1 pour les installations raccordées au réseau et la C15712-2 en cours de rédaction pour les installations des sites isolés (avec stockage d'énergie par batterie). Par ailleurs la C15-100 reste valable et applicable en particulier sur la partie AC33. La particularité d'une installation PV réside dans l'existence de courants continu et alternatif et de sources de danger pouvant venir de plusieurs endroits. À ce titre, une vigilance accrue est conseillée en maintenance ou lors d'un sinistre provoquant l'intervention des services d'urgence.
De nos jours, une incitation à l'équipement solaire photovoltaïque en autoconsommation34 pour les particuliers permet l'octroi d'une prime à l'investissement de 0,39 €/kWh installé. Afin d'éviter les arnaques, certaines associations voient le jour et proposent des simulation de rentabilité solaire photovoltaïque en ligne35.
Fin de vie
Prospective, recherche et développement
Évolution, en Europe, de la production d'énergie solaire en
watts par personne entre 1992 et 2014.
Les différentes techniques du photovoltaïque n'ont pas encore atteint leur plein potentiel et de nombreuses pistes de recherche sont encore à explorer. Il s'agit de diminuer le prix de revient de l'électricité produite et d'augmenter la fiabilité, la durée de vie, la souplesse d'usage, la facilité d'intégration dans des objets, etc.
Incitation à l'innovation
Le manque de silicium purifié ou la pénurie de produits dopant (Le prix de l'indium a décuplé de 2002 à 2009, du fait de sa raréfaction) accroît encore l'incitation à l'innovation sur un marché en forte croissance qui s'annonce colossal, surtout si on parvient à baisser le prix de revient de l'électricité produite et à le rapprocher de celui des combustibles fossiles.
L'enjeu contemporain majeur reste donc d'élaborer des cellules très performantes mais aussi stables (pouvant résister plusieurs années à des conditions météorologiques difficiles), ne nécessitant pas de ressources rares, et facilement réalisables en grandes quantités, par exemple grâce à l'impression 3D30.
De nouveaux développements sont périodiquement annoncés par les sociétés de fabrication, par exemple :
- une alternative au sciage a été développée par Evergreen Solar : c'est le dépôt de silicium encore liquide sur un film où il se cristallise directement à l'épaisseur du wafer ;
- la taille des wafers croit régulièrement. Ceci diminue le nombre de manipulations ;
- on cherche à mieux valoriser toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont l'infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes : transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité, rafraîchissement).
Intégration dans la vie commune
En 2015 et 2016, un concept de « route solaire » (en anglais wattway) a été proposé en France par la société Colas. Des dalles photovoltaïques de 7 mm d'épaisseur sont collées à une chaussée classique ; 1 km d'une telle route pourrait alimenter l'éclairage public d'une ville de 5 000 habitants selon l'Ademe et le Groupe COLAS ; et 20 m un foyer en électricité (hors chauffage). Ce projet est soutenu par la ministre de l'environnement36. La « route solaire » a été inaugurée officiellement le , dans le village normand de Tourouvre. Jusqu’à ce jour, le concept était déjà expérimenté sur quatre sites pilotes : deux en Vendée, un à Septèmes-les-Vallons, près de Marseille, un dans les Yvelines sur des parkings, ou devant des bâtiments publics37.
Concepts alternatifs
Évolution temporelle des rendements selon le
NREL. Légende : technologies multi-jonction, silicium cristallin, couches minces, technologies émergentes.
Concentration de la lumière
Des concentrateurs (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre pour produire des cellules photovoltaïques à concentration (HCPV), associées à des trackers plus performants qui permettraient, en outre, d'alléger les systèmes en divisant le poids de béton par dix et la quantité de métal par deux38. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qu'est la cellule photovoltaïque et ses semi-conducteurs.
Fin 2007, Sharp annonce disposer d'un système concentrant jusqu'à 1 100 fois le rayonnement solaire (contre 700 fois pour le précédent record en 2005) ; début 2008, Sunergi atteint 1 600 fois. La concentration permet de diminuer la proportion du panneau consacrée à la production de l'électricité et donc son coût. De plus, ces nouveaux matériaux (les III-V notamment) supportent très bien l'échauffement important dû à la concentration du flux solaire39.
Utilisation de l'infra-rouge
Des panneaux solaires transformant les infrarouges en électricité (cellules thermophotovoltaïques) ont été mis au point par le Boston College de Chestnut Hill (Massachusetts). Une production électrique devient théoriquement possible à partir de toute source de chaleur, même de nuit40. Pour l'instant, seule une partie de la lumière visible, principalement les rayonnements verts et les bleus, est transformée en électricité et le rayonnement infrarouge n'est utilisé que par les panneaux thermiques pour chauffer de l’eau.
Une équipe du MIT, David Bierman, Marin Soljačić et Evelyn Wang, a développé un nouveau type de convertisseur thermophotovoltaïque. Le fonctionnement de leur dispositif consiste d’abord à convertir l’intégralité du spectre lumineux visible en chaleur en utilisant une couche de nanotubes de carbone. La deuxième couche absorbeur/émetteur de cristaux photoniques va concentrer cette chaleur. Lorsque la température atteint 1 000 °C, elle va émettre un nouveau rayonnement. Cette couche de cristaux photoniques étant sélective, elle laisse passer une bande étroite de ce rayonnement en direction d’une cellule photovoltaïque optimisée pour convertir ce rayonnement en électricité41.
Matériaux moins communs
Basés sur le cuivre
D'autres semi-conducteurs (sélénium, association cuivre-indium-sélénium (CIS) en couche mince) sont étudiés. En France, l'institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP)42 s'intéresse au CIS au rendement modeste de 12 %, mais à faible coût de fabrication. En 2009, selon ENF, 25 entreprises produisent ce type de panneau solaire, Würth Solar est le principal vendeur avec 15 MWc vendus en 200743. Showa Shell doit mettre en service en septembre 2010 une centrale photovoltaïque de 1 MW en modules « CIS », sur son terminal pétrolier de la Préfecture de Niigata44.
Boîtes quantiques
L'usage de matériaux composés de « boîtes quantiques » permettra d'atteindre 65 % dans le futur (avec un maximum théorique de 87 %)45,46,47,48,49. Les dispositifs à multi-jonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu, en décembre 2006, un rendement de 40,7 % d'efficacité et un consortium (dirigé par des chercheurs de l'université du Delaware) a obtenu, en septembre 2007, un rendement de 42,8 %50.
Cellules solaires organiques
Des cellules photovoltaïques en polymères peuvent être fabriquées avec des composés organiques (matières plastiques), pour réaliser des panneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïques, espère-t-on à faible coût de fabrication. Pour l'instant, leurs rendements sont faibles (5 % maximum), ainsi peut-être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent à résoudre. Début 2008, le groupe japonais Fujikura a annoncé51[réf. incomplète] avoir testé une cellule photovoltaïque organique de type Grätzel pendant 1 000 heures à 85 °C et une hygrométrie de 85 %. Elle s'est avérée non seulement plus résistante, mais d'un rendement amélioré de 50 à 70 %, grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie à l'intérieur de la cellule où elle libère à nouveau des charges électriques en activant d'autres pigments photosensibles.
Notes et références
Notes
- La tension de la cellule est quasi constante, quoique légèrement décroissante, lorsque le courant la traverse. La puissance électrique répond à la loi P = U ⋅ I
- une petite proportion des atomes du matériau considéré est remplacée par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence. Par exemple, le silicium possède quatre électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le phosphore.
- par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13.
- On peut, en revanche, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté.
- Coins arrondis dans le cas du silicium monocristallin.
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Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
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Éolienne
Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique, dite énergie éolienne, laquelle est ensuite le plus souvent transformée en énergie électrique. Les éoliennes produisant de l'électricité sont appelées aérogénérateurs, tandis que les éoliennes qui pompent directement de l'eau sont parfois dénommées éoliennes de pompage ou pompe à vent. Une forme ancienne d'éolienne est le moulin à vent.
Les termes « centrale éolienne », « parc éolien » ou « ferme éolienne » sont utilisés pour décrire les unités de production groupées, installées à terre ou en mer.
Les pays du monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont la Chine, les États-Unis, l'Allemagne, l'Espagne, l'Inde, le Royaume-Uni et, en proportion de la population, le Danemark (voir Production d'énergie éolienne).
Comme l'énergie solaire et d'autres énergies renouvelables intermittentes, l'éolien peut constituer un système d'alimentation autonome, mais il nécessite alors soit une source d'énergie d'appoint pour les périodes moins ventées (par exemple des centrales à gaz), soit un stockage d'énergie de réseau (batteries, stockage hydraulique ou, plus récemment, hydrogène, méthanation, air comprimé), soit encore un réseau électrique intelligent.
Éoliennes en mer photographiées en 2014.
Étymologie
En 1885, Ernest-Sylvain Bollée, inventeur de l'éolienne Bollée, utilise le mot « éolienne » pour la première fois comme nom commun à partir de l'adjectif substantivé (énergie éolienne). Le mot trouve sa place dans le Larousse en 19071.
Historique
L'ancêtre de l'éolienne est le moulin à vent, apparu en Perse dès l'an 620 et suivi de la pompe à vent, apparue au IXe siècle dans l'actuel Afghanistan. De nos jours, ils sont encore utilisés couplés à une pompe à eau, généralement pour drainer et assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou permettre l'abreuvage du bétail.
En 1888, Charles Francis Brush construit une grande éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec stockage par batterie d'accumulateurs.
La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est mise au point par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne « Lykkegard », dont il vend soixante-douze exemplaires en 19082.
En 1923, le généticien britannique John Burdon Sanderson Haldane écrit :
« Si une éolienne dans le jardin pouvait produire 50 kg de charbon par jour (or, elle peut produire l’équivalent en énergie), nos mines de charbon fermeraient dès demain. Personnellement, je pense que d’ici 400 ans, on aura peut-être résolu le problème de l’énergie en Angleterre de la façon suivante : le pays sera recouvert de rangées d’éoliennes de métal, entraînant des moteurs électriques qui eux-mêmes fourniront un courant à très haute tension à un grand réseau électrique. De grandes centrales judicieuses espacées utiliseront le surplus d’énergie des périodes venteuses pour effectuer la décomposition électrolytique de l’eau en oxygène et en hydrogène. Ces gaz seront liquéfiés et stockés dans de vastes réservoirs à double paroi sous vide, probablement enterrés. (…) Par temps calme, les gaz seraient recombinés dans des moteurs à explosion reliés à des dynamos pour récupérer de l’électricité ou, plus probablement, dans des piles à combustibles3. »
Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionna de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'études scientifiques et techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche)4. Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.
Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier pour que le Danemark reprenne les installations d'éoliennes.
Description
Éolienne à axe horizontal
Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.
En 2017, la plus grande éolienne mesure 187 m de haut pour une puissance de 9,5 MW5. En 2019, le prototype de l'Haliade X, installé à Rotterdam, d'une puissance de 12 MW, atteint 260 m de haut6.
Composition
L'éolienne la plus courante, à axe horizontal, se compose d'un mât, une nacelle et un rotor. Des éléments annexes, comme un poste de livraison pour injecter l'énergie électrique produite au réseau électrique, complètent l'installation.
Une telle éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamiques, mécaniques et électrotechniques. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de 350 kW7, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 et 350 kW7) et du petit éolien (inférieur à 36 kW7).
Mât
Le mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal), ou à une hauteur où le vent souffle de façon plus forte et plus régulière qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.). Les mâts sont généralement en acier, mais des mâts de béton sont de plus en plus utilisés par certains producteurs (par exemple en France, pour environ 1 000 éoliennes montées de 2004 à début 2013 par Enercon, 300 ont un mât de béton)8.
Nacelle
La nacelle est montée au sommet du mât et abrite les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.
Rotor
Le rotor est composé du nez de l'éolienne recevant les pales (en général trois), fixé sur un arbre tournant dans des paliers installés dans la nacelle. Le rotor, solidaire des pales, est entraîné par l'énergie du vent. Il est branché directement ou indirectement (via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilise l'énergie recueillie (pompe, générateur électrique, etc.).
Puissance théoriquement récupérable
La puissance du vent contenue dans un cylindre de section S 
est :
- P c i n e ´ t i q u e = 1 2 . ρ . a . S . V 3
avec :
- V e o l i e n n e = a . V 0.5 ≤ a ≤ 1. V e o l i e n n e
: Vitesse du fluide au niveau de l'éolienne - ρ
: masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar) - V
: vitesse du vent en m/s
Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage à travers la turbine (dans le cas contraire, cela reviendrait à « arrêter le vent »).
Formule de Betz
L'énergie récupérablea est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de l'éolienne, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est égale aux 16⁄27 de la puissance incidente.
La puissance maximale théorique d'une éolienne est ainsi fixée à :
- P m a x = 16 27 . 1 2 . ρ . S . V 3
- e t a = 2 3 V e o l i e n n e = a . V
soit :
- P m a x = 0 , 37. S . V 3
Où :
-
- P
= puissance en watts (W) ;
- S
= surface balayée par les pales en mètres carrés (m2) ;
- V
= vitesse du vent en mètres par seconde (m/s)
Cette puissance maximale est ensuite affectée du coefficient de performance propre au type et au modèle d'éolienne et au site d'installation. Ce coefficient est en général compris entre 0,20 et 0,70.
Pour le calcul de la puissance d'une éolienne tenant compte de l'énergie cinétique et potentielle, voir : calcul de la puissance d'une turbine type éolien ou hydrolienne.
Production d'énergie électrique
Du fait de l'intermittence du vent et des variations de sa puissance, il est important de distinguer deux notions :
- Puissance nominale
- une des caractéristiques importantes des éoliennes est leur puissance électrique nominale. Ainsi faire référence à une éolienne de 2 MWc (mégawatt-crête) signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 × 106 watts). La vitesse de vent minimale pour atteindre cette puissance maximale est de l'ordre de 15 m/s, soit environ 55 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie, mais au-dessus, la production n'est pas plus importante et quand la vitesse du vent atteint le seuil de sécurité (souvent aux alentours de 25 à 35 m/s – 90 à 126 km/h), l'éolienne est bridée, voire mise à l'arrêt9. La production réelle d'énergie électrique est donc fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent sur le site.
- Facteur de charge
- Rapport entre l'énergie électrique produite sur une période donnée et l'énergie que l'éolienne aurait produite si elle avait fonctionné à sa puissance nominale durant la même période. Cet indicateur est souvent calculé sur une année et exprimé en pour cent (%), c'est d'ailleurs le cas dans la suite de cette section. En moyenne sur l'ensemble de l'Europe, ce facteur de charge a varié entre 17,7 et 21,0 % entre 2003 et 200810, alors qu'en France il a été de 22 % pour les années 2009 et 201011,12. En 2022, la Neue Zürcher Zeitung a calculé le facteur de charge de 18 000 éoliennes en Allemagne sur un total de 28 000. Selon le quotidien suisse, leur facteur de charge est inférieur à 20 %. Seules 15 % des éoliennes ont un facteur de charge qui dépasse 30 %. Deux seulement se trouvent dans le sud de l'Allemagne13.
En 2009, l'éolien représentait 1,3 % de la production mondiale d'électricité :
- En France
- la production électrique via l'éolien représentait 1,5 % de la production totale d'électricité en 200912 et 1,7 % en 201011.
- Au Danemark
- avec un parc de 3 482 MW en 2009 et une production de 24 194 TJ, la production éolienne représentait 18,5 % de la production d'électricité (soit 2,99 % de la consommation totale d'énergie)14.
- Eolienne et parcs d'éoliennes
-
Éoliennes et lignes à haute tension près de Rye, en Angleterre.
-
-
Autres caractéristiques techniques
Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est trop fort. En effet, les pales fléchissent sous la force du vent et, par vent trop fort, viendraient percuter le mât. L'inertie de la turbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur des pales alors que la surface résistante au vent est proportionnelle au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.
Les pales de grande taille sont réalisées avec des matériaux composites à base de fibre de verre ou de carbone et une résine époxy ou polyester15 ; d'autres matériaux peuvent être utilisés16. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.
- Éléments d'une éolienne
-
-
-
Segments du mât sur remorques et embase d'une pale.
-
Pales de remplacement mesurant environ 15 m de long.
Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui détectent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.
Chaque pale en rotation se comporte comme un gyroscope, et du fait de la force de gravité qui s'exerce sur elle, elle est soumise à une force de précession qui, étant perpendiculaire à la fois à l'axe de rotation et à la force de gravité, est horizontale. Cette force de précession est donc parallèle à la pale lorsque celle-ci est horizontale, et lui est perpendiculaire lorsque la pale est verticale. À terme, ces changements cycliques de force sur les pales peuvent fatiguer et faire casser la base des pales, ainsi que l'axe de la turbine.
Éolienne de pompage, pour puiser de l'eau.
Quand une éolienne puissante possède plus d'une pale, celles-ci sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve réduit.
Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes, fonctionnent à un nombre de Reynolds plus élevé, et sont par conséquent[réf. nécessaire] plus efficaces. Le prix d'une éolienne augmentant avec le nombre de pales, le nombre optimal pour un système à axe horizontal est donc de trois, car avec deux pales les problèmes de balourd seraient plus importants. En effet le nombre de pales doit être impair pour que l'équilibrage soit optimal17.
Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes commercialisées ont deux pales, car il est plus facile et plus économique de fabriquer celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales, plus silencieuses, doivent généralement être montées sur place.
La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.
Comme le mât produit des turbulences derrière lui, le rotor est généralement placé devant le mat. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale, afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât, malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.
Les anciens moulins à vent sont équipés de voilures en guise de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée. De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée par rapport à la puissance qu'elles reçoivent. Elles font tourner le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle du vent dont la poussée implique qu'elles soient montées sur un mât particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui des pales profilées rigides.
Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent.
Des essais ont été effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques et bénéficier de l'effet Magnus.
Éolienne à axe vertical
Outre les éoliennes classiques à axe horizontal parallèle à la direction du vent, les éoliennes dites « à axe vertical » présentent un axe perpendiculaire à la direction du vent. L'axe est souvent positionné à la verticale, mais des éoliennes de ce type peuvent aussi être positionnées à l'horizontale18,19. Ce type d'éoliennes se décline suivant plusieurs principes.
Le type Darrieus
L'éolienne de type Darrieus repose sur l’effet de portance subi par un profil soumis à l'action d'un vent relatif, tel l'effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique – deux profils disposés de part et d'autre de l'axe – jusqu'au rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Québec (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'une rafale. Il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol.
Le type Savonius
Éolienne combinant les technologies Darrieus et Savonius,
Noveol.
Le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d'intégrer l'éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l'esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. Il existe une variante, appelée Savonius hélicoïdal (ou twisted Savonius en anglais), qui permet d'augmenter le rendement en proposant de façon continue une surface d'accroche au vent. Au lieu d'avoir des demi-cylindres verticaux, ceux-ci sont tordus de façon hélicoïdale autour de l'axe de rotation. Du fait de leur faible encombrement au sol, de leur bon rendement et du besoin d'un très faible vent, ils sont utilisés en ville sur les toits des maisons, sur des bateaux, comme le Hornblower Hybrid, ou encore dans la Tour de la Rivière des Perles, une tour à énergie positive. Elles sont également adaptées à une position horizontale, l'axe de rotation restant perpendiculaire au vent et non dans le profil du vent, comme les éoliennes classiques à axe horizontal.
Certain constructeurs ont également conçu des éoliennes intégrant à la fois la technologie Darrieus et la technologie Savonius en cherchant à combiner les avantages de ces deux technologies.
Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet, dont l'anémomètre constitue une bonne illustration. Citons aussi les modèles à écran où on masque le côté « contre-productif » de l'engin. Ce modèle utilise un système d’orientation de l'écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Finalement l'accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l'éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de grande taille dans un parc à éoliennes.
Le type à voilure tournante
Le type à voilure tournante (ou panémone) est caractérisé par l'optimisation dynamique du calage des pales en temps réel. Celles-ci se comportent de la même manière que la voile d'un voilier qui ferait un cercle dans l'eau avec un vent déterminé. Les pales reproduisent ainsi fidèlement toutes les allures d'un voilier suivant leur cap tangentiel (angle) par rapport à la direction du vent. Il en résulte que la poussée tangentielle sur les bras du rotor supportant les pales est toujours optimisée. Cette forme de captation de l'énergie éolienne est très ancienne (Iran, Crète…). Ce procédé, qui a reçu la médaille d'argent au Salon international des inventions de Genève en 2006, donne lieu à plusieurs expérimentations21,22.
D'autres modèles sont construits par diverses entreprises pour s'affranchir des limites dues à la taille des pales, à leur vitesse de rotation et au bruit. Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en permettant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut, une production de 8 000 kWh/an est annoncée (2007)[réf. nécessaire]. Ce dispositif est installé seulement sur de petites éoliennes ; il modifie les efforts de l'air sur les pales. Il agit de façon à sortir le rotor du lit du vent de façon à diminuer ses effets sur les pales.[pas clair]
- Le type à voilure tournante épicycloïde est caractérisé par des performances identiques au type Darrieus, mais avec des vitesses de rotation plus lentes et un démarrage dès 1 m/s de vent (3,6 km/h). Cette technologie est peu bruyante et peut s'intégrer en milieu urbain23.
Régulation aérodynamique sur les pales
- Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur le moyeu et permet ainsi de modifier l'énergie récupérée par l'éolienne. Entre autres, il permet d’arrêter l’éolienne afin de la protéger des vents violents (en plaçant les pales en drapeau et en réduisant donc la prise au vent) ou à maximiser le couple transmis au rotor pour la faire démarrer.
- Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l’effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor.
- Les volets (aérofrein ou flaps) s’ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique.
- Les spoilers, encastrés dans le bord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous les spoilers au même moment modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale.
Arrêt par frein à disque automatique
Il ne s’agit plus d’un système de ralentissement, mais d'arrêt complet de l’éolienne.
Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l’intermédiaire d’un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l’éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique est détecté.
Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques.
Éoliennes pour sites peu ventés
Les modèles d'éoliennes de classe III, spécialement adaptés aux sites bénéficiant de vitesses de vents moyennes sur un an, allant jusqu’à 7,5 mètres par seconde, ont connu des progrès technologiques importants et présentent des rendements supérieurs de l’ordre de 10 à 25 % par rapport à la précédente génération. Elles sont généralement de plus grande hauteur et possèdent des pales beaucoup plus longues, ce qui leur permet de diminuer le rapport entre la puissance électrique et la surface balayée par les pales, donc d'augmenter significativement la durée d’utilisation des machines (facteur de charge). Leur production est également plus régulière, ce qui limite les difficultés de gestion des pics de puissance par les réseaux d’électricité. Enfin, elles peuvent être installées au plus près des zones de consommation, ce qui permet de limiter les investissements du réseau de distribution. Les sites peu ventés sont également beaucoup plus répandus et souvent beaucoup plus facilement accessibles que les sites de classe I (fortement ventés) ou II (moyennement ventés), ce qui ouvre de nouvelles perspectives sur les marchés internationaux. Le lancement de nombreux modèles est annoncé pour 2017 par Nordex, Gamesa, Enercon, Vestas et GE Wind24.
Caractéristiques techniques
Plage de fonctionnement
Le rendement énergétique et la puissance développée des éoliennes sont fonction de la vitesse du vent. Pour les éoliennes tri-pales, en début de plage de fonctionnement (de 3 à 10 m/s de vent), la puissance est approximativement proportionnelle au cube de cette vitesse, jusqu'à un plafond de vitesse de 10 à 25 m/s déterminé par la capacité du générateur. Les éoliennes tri-pales actuellement commercialisées sont conçues pour fonctionner dans la plage de 11 à 90 km/h (3 à 25 m/s), que ce soit celles d'Enercon25, celles d'Areva pour l'éolien en mer26, ou celles d'Alstom pour les éoliennes terrestres27 comme en mer28. Au-delà de ces vitesses, elles sont progressivement arrêtées pour sécuriser les équipements et minimiser leur usure29.
La Chine a émis une référence technique pour les turbines terrestres dans les zones cycloniques, standard applicable à partir de , mais non obligatoire. Il a été mis au point par le fabricant chinois Windey, qui a développé des turbines pouvant faire face à des vents extrêmement puissants grâce à leur structure mécanique renforcée et à un algorithme de contrôle qui stoppe les éoliennes au-delà d'une vitesse de 70 m/s. Ces turbines ont ainsi résisté au cyclone Haiku le et à ses vents de plus de 60 m/s30.
Facteur de charge
La puissance est représentative du maximum de production possible, mais l'énergie produite dépend de nombreux autres paramètres comme la force du vent ou les opérations de maintenance nécessaires. Le facteur de charge, rapport entre la production effective et la production maximale théorique, est couramment utilisé comme indicateur de l'énergie produite par une installation électrique. Alors qu'une éolienne a, en moyenne, un facteur de charge de 20 %31, celui du solaire photovoltaïque est situé autour de 10 %31, à comparer avec celui du nucléaire : 80 % en moyenne, 73 % en France en 2012 et 76 % en 201132.
Les pays dotés de parcs éoliens en mer ont un facteur de charge plus élevé. Au Danemark en 2012, le facteur de charge de l'éolien en mer atteignait 45 % contre 25 % pour le parc éolien terrestre33.
Critères de choix de sites éoliens
Un mât de mesure permet de connaître le potentiel éolien.
Les critères de choix d'une implantation éolienne dépendent de la taille, puissance et du nombre d'unités. Ils nécessitent la présence d'un vent régulier (cf. atlas éolien) et diverses conditions telles que : proximité d'un réseau électrique pour y raccorder les aérogénérateurs, absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques, sites classés, zones à phénomènes d'écho en montagnes, paysages, ) et de préférence une zone dite "non-conflit" par les promoteurs de l'éolien (population peu dense et offrant peu de résistance).
Le vent
L'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du ventb, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et de la fréquence des vents présents. Un site avec des vents de 30 km/h de moyenne sera huit fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.
Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives (supérieures à 90 km/h) qui conduiraient à la destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » (pales en drapeau) pour en limiter l'usure. La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizés par exemple).
Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire, car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes en montagne, régions à phénomènes d'écho...).
De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents, la courbure des arbres, dans le même sens, indiquant la régularité des vents.. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station météorologique proche, le mieux étant d'effectuer la mesure sur le lieu même d'implantation.
En France, un projet est considéré comme économiquement rentable si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25 km/h. Cette rentabilité dépend de nombreux autres facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet en mer) ainsi que les coûts de rachat de l'électricité et de prise en charge des impacts environnementaux (sur la faune, les paysages, par nuisances acoustiques et stroboscopiques).
Certains sites sont particuliers en ce qu'ils augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :
- l'accélération par effet géométrique : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux montagnes ou deux grands bâtiments, il est accéléré par effet Bernoulli. De même, lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré à son sommet. Ces lieux sont cependant souvent de surface restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est irrégulière ;
- la mer et les lacs ne présentent aucun obstacle au vent, aussi, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, crée des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.
De manière générale, il est toujours nécessaire d'effectuer une mesure de vent précise durant plusieurs mois, afin de s'assurer du potentiel éolien du site34. Une étude précise permet ensuite d'extrapoler les données et de déterminer plus ou moins précisément les caractéristiques annuelles du vent (fréquence, vitesse…) et son évolution au cours des années.
Autres critères
Fondation en béton d'une éolienne.
D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site :
- La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne. Il existe aussi des éoliennes haubanées.
- L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doit permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.
- La connexion au réseau électrique. Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets en mer, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes beaucoup plus faibles.
- Les éoliennes, selon leur taille, vitesse de rotation et emplacement, peuvent avoir un effet négatif sur les oiseaux ou chauve-souris (collision, dégradation de l'habitat, etc.) notamment si elles sont éclairées de nuit (cf. pollution lumineuse) ou disposées sur un corridor de migration aviaire. Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet35 : les réserves naturelles, les routes migratoires importantes (cols montagneux), etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux. La Ligue pour la protection des oiseaux (LPO) a publié en 2017 une étude complète s’intéressant « spécifiquement à la mortalité directe par collision des oiseaux avec les éoliennes », compilant « l’ensemble des suivis environnementaux réalisés sur les parcs éoliens français » et croisant ces données avec la localisation des zones spéciales de conservation et des zones de protection spéciale36. Des études sont également en cours pour mieux apprécier et réduire l'effet des éoliennes sur les chauve-souris37.
- Les éoliennes industrielles de 2 MW ont une puissance sonore de 104 à 108 décibels (dBA) (Vestas V90 ou Enercon E 126)[réf. nécessaire]. La distance entre les éoliennes et les habitations varie selon les pays. Le bruit mesuré en dBa diminue avec la distance et est parfois couvert par le bruit du vent alors que les infrasons et les basses fréquences se propagent sur de longues distances[réf. nécessaire]. En 2006, l’Académie de Médecine française proposait à titre conservatoire une distance minimale de 1 500 m pour les éoliennes de plus de 2,5 MW, dans l'attente d'études sur le volume sonore des éoliennes sur une période de plusieurs semaines et sur les effets de ce bruit sur la santé38. Bien que la taille des éoliennes se soit accrue, la législation française n'a pas évolué et reste à la traîne en comparaison d'autres pays Européens[non neutre]. En juin 2015, le ministère de la Santé finlandais a rendu un rapport dans lequel il préconisait 2 km[réf. nécessaire]. En , l'État libre de Bavière a imposé une distance aux habitations de 10 fois la hauteur de l'éolienne afin de protéger la population des effets néfastes.
- Si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude des effets sonores sur les habitations est recommandée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction des résultats de l'étude, cette implantation peut être modifiée afin notamment de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA le jour et 3 dBA la nuit en France39). Les études acoustiques en dbA ne mesurent pas les infrasons[réf. souhaitée]. La distance entre les éoliennes et les habitations est en France au minimum de 500 mètres. Une étude financée par l'industrie éolienne publiée en 2015 a conclu que le niveau de gêne déclaré par les riverains n'était pas corrélé à la distance entre leur habitation et l'éolienne40.
Sur la terre ferme
Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une hauteur de plus de 10 mètres jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts et moins perturbés par la « rugosité » du sol. Dans les zones où le relief est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines de mètres. Des mesures in situ et des modèles mathématiques permettent d'optimiser le positionnement d'éoliennes.
Pour les zones isolées et exposées aux cyclones
Pour ces zones, des éoliennes spéciales ont été conçues : elles sont haubanées pour pouvoir être couchées au sol en 45 min et sont de plus allégées. Elles peuvent aussi résister aux tremblements de terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations aussi profondes que les autres et se transportent en pièces détachées. Par exemple, sept éoliennes de 275 kW unitaires rendent Terre-de-Bas excédentaire en électricité, lui permettant d'en fournir à la Guadeloupe. De 1990 à 2007, 20 MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installés en Guadeloupe. Toutes peuvent être couchées au sol et arrimées, comme ce fut le cas lors des passages des ouragans Ivan et José.
Mi-2007, il y avait environ 500 de ces éoliennes installées dans le monde, pour une puissance totale de 80 MW. La puissance des aérogénérateurs qui les équipent est passée de 30 à 275 kW en dix ans.
Pleine mer
Éoliennes en mer près de Copenhague.
À la condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer (offshore) entraînent moins de conséquences sur le paysage terrestre. En revanche, l'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des vagues et du courant, la protection contre la corrosion (particulièrement importante du fait des embruns et du sel) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et les opérations de maintenance peuvent nécessiter de gros moyens. En contrepartie, une éolienne en mer peut fournir jusqu'à 6 MW de puissance (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3 MW), qui peuvent produire une énergie utile d'environ 15 GWh/an dans des sites bien ventés et avec un facteur de charge de 30 %, soit 2 500 heures/an environ.
Dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple au Danemark), il est assez simple de les installer avec un bon rendement. L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou terrestres) du Danemark produit, début 2006, 23 % de l'électricité nécessaire au pays41. Ce pays est précurseur et en tête dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970. Aujourd'hui, de grands parcs sont en construction au large de l'Angleterre42, dans l'estuaire de la Tamise, ainsi qu'en Écosse, pour une puissance totale d'environ 4 000 MW.
La France ne possède pas encore de parc en mer en 2018, mais des appels d'offres organisés en 2012 et 2014 ont sélectionné des projets de parcs à St-Nazaire-Guérande (420 à 750 MW), Courseulles-sur-Mer (420 à 500 MW) et Fécamp (480 à 500 MW) et dans la baie de Saint-Brieuc (480 à 500 MW) en 201243, puis en 2014 aux îles d'Yeu et de Noirmoutier (Vendée) et au Tréport (Seine-Maritime), pour 500 MW chacun44. Le parc éolien au large de Dieppe et du Tréport (62 éoliennes, 496 MW) est prévu pour une mise en service en 202145, et celui de Fécamp (83 éoliennes, 498 MW) en 202246.
Les éoliennes flottantes peuvent être installées plus loin des côtes, où l’eau est beaucoup plus profonde et les vents plus forts et plus stables, permettant un facteur de charge plus important. Alors que les turbines terrestres peuvent tourner en moyenne 80 jours par an, les éoliennes flottantes peuvent produire de l’électricité 160 jours par an. Le premier parc éolien de ce type a vu le jour au large de l’Écosse47. Le champ de cinq éoliennes flottantes, chacune d’une taille de 253 mètres et d'un poids de 12 000 tonnes, a une capacité totale de 30 MW, soit la consommation électrique d'environ 22 000 foyers.
Selon le rapport 2019 de l'Agence internationale de l'énergie, l’éolien en mer pourrait attirer 1 000 milliards de dollars d’investissements d’ici à 204048 ; le potentiel éolien en mer permettrait de répondre aux besoins en électricité du monde entier, mais il ne représente aujourd'hui que 0,3 % de la production mondiale. Cette énergie renouvelable pourrait devenir la première source de production d'ici 2040.
Altitude
De nouvelles éoliennes sont capables de s'élever dans le ciel pour atteindre les vents d'altitude, plus puissants et plus réguliers. Pour l'instant, au stade expérimental, elles sont de trois types :
- les ballons éoliens gonflés d'un mélange d'hélium et d'hydrogène emportent leur alternateur à une altitude de 300 m et l'actionnent en tournant sur eux-mêmes. D'après leur constructeur, la puissance de chaque unité pourra atteindre 1 MW ;
- les voiles souples actionnent un alternateur au sol en s'élevant à une altitude de 800 à 1 200 m. Une fois l'altitude atteinte, la voile redescend. Chaque unité pourrait fournir jusqu'à 3 MW ;
- des structures s'élèvent à une altitude entre 5 000 et 10 000 m où le vent fait tourner leurs hélices. La puissance de celles-ci pourrait atteindre 100 MW, mais leur implantation nécessite des accords avec l'aviation pour éviter tout risque de collision49.
Villes
Éolienne urbaine de 2
m de diamètre, d'une puissance de 1,75
kW à
14 m/s, spécialement conçue pour obtenir un très faible niveau sonore (
Saint-Sébastien,
Espagne, 2010). Hauteur du mât : 5,5
m, vitesse de démarrage :
2,5 m/s, durée de vie : 20 ans, conforme au code de l'urbanisme espagnol.
Poteau d'éclairage urbain intégrant éolienne et panneaux solaires à
Weihai, en Chine.
En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit, fonctionnant dans un système d'énergie distribuée, permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites installations telles que des routeurs Wi-Fi peuvent être alimentées par une éolienne portative qui recharge une petite batterie.
En Chine, plusieurs villes dont Weihai, dans la province du Shandong, ou encore l'autoroute de la province de Hubei reliant Jingzhou au barrage des Trois-Gorges, sont équipées de poteaux sur lesquels sont couplés de petits générateurs éoliens silencieux et des panneaux solaires, pour alimenter l'éclairage des lampadaires ; le surplus d'énergie peut être réinjecté dans le circuit électrique de la ville. L'emplacement du poteau d'éclairage est choisi à bon escient (voir photo). Ces installations utilisent généralement des éoliennes à axe horizontal. Il apparaît aujourd'hui des installations du même type, avec une éolienne à axe vertical de type Savonius hélicoïdal (Twisted Savonius) offrant 40 W d'éolien plus 80 W de solaire sur un seul poteau et une forme plus compacte50. Certains hauts gratte-ciel, tels que la Tour de la Rivière des Perles, comprennent des éoliennes dans leur structure, profitant ainsi des vents forts provoqués par les différences de température des structures en verre de ces bâtiments, selon qu'ils sont du côté ombré ou ensoleillé. Du point de vue énergétique, ces éoliennes de type Savonius hélicoïdal bénéficient en outre de l'effet Venturi provoqué par la taille du canal qui les contient lorsque le vent s'y engouffre. L'énergie éolienne est couplée avec l'énergie électrique fournie par les vitres de cette tour qui sont faites de panneaux solaires transparents
Solutions expérimentales
En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical, hélicoïdales, à effet Venturi ou un mélange de ces différentes techniques, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible et ne font pas de bruit.
Des éoliennes peuvent également être placées sur le toit des tours[réf. souhaitée].
Dans le monde
En 2012, l'énergie éolienne a confirmé son statut de deuxième source} d'électricité renouvelable après l'hydroélectricité : avec une production mondiale de 534,3 TWh, elle représente 11,4 % de la production d'électricité renouvelable et 2,4 % de la production totale d'électricité51.
Poids économique des acteurs de l'industrie éolienne
Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité aux réseaux délivre de l'ordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer, mais des modèles plus petits sont également disponibles.
C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes pour faire fonctionner des équipements tels que le conditionnement d'air. Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne de ce type délivrant 3 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté.
Certaines éoliennes produisent uniquement de l'énergie mécanique, sans production d'électricité, notamment pour le pompage de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui des moulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à la fin du XVIIIe siècle en France servaient à la minoterie.
Fabricants d'éoliennes
Modèle
Enercon E66. Hauteur : 100
m, puissance : 2
MW (parc d'Assigny).
Montage d'une éolienne en France.
La situation concurrentielle du secteur éolien diffère entre les deux grands segments de marchés : sur celui de l’éolien terrestre, en 2016, la concurrence est largement dispersée avec un nombre d’acteurs important, sans que se dégage un industriel disposant d’une place dominante sur le marché mondial. La plupart des grands acteurs industriels peuvent s’appuyer sur un marché national actif, ce qui leur permet de disposer d’une assise solide pour disputer et gagner des parts de marché sur les marchés internationaux. C’est notamment le cas de GE Wind aux États-Unis, Enercon, Senvion et Nordex en Allemagne, Suzlon en Inde et Goldwind, United Power et Mingyang en Chine. Les autres acteurs sont fragilisés et font l'objet d'un mouvement de consolidation du secteur24.
Le segment de marché de l’éolien en mer, lui, est beaucoup plus restreint et n'a encore qu’un déploiement international limité : principalement cantonné sur quelques marchés en mer du Nord, en mer Baltique et au large des côtes britanniques, il reste aux mains d’une minorité d’acteurs expérimentés, au premier rang desquels le numéro un mondial Siemens Wind Power avec 80 % du marché et MHI Vestas, la filiale commune formée en 2013 par le Danois Vestas, numéro un mondial sur le segment du terrestre, et le Japonais Mitsubishi. D’autres fabricants sont positionnés sur ce marché et ont déjà livré leurs premières machines, mais sont en difficulté car les perspectives de croissance ne sont pour l’instant pas aussi importantes qu’espérées. Depuis 2013, une vague de consolidation affecte ce secteur : rapprochement en 2013 de Vestas et de Mitsubishi, puis en 2014 création d'Adwen, filiale commune d'Areva et de Gamesa. En 2015, le Français Alstom, qui développe l’éolienne en mer Haliade 150, est passé dans le giron de l’Américain GE24.
Dans l'éolien terrestre, l'Allemand Nordex et l'Espagnol Acciona ont annoncé en leur intention de fusionner leurs forces pour entrer dans le top 5 mondial. Les dirigeants de Gamesa ont annoncé le qu’ils étaient entrés en discussion avec Siemens en vue d’un rapprochement de leur activité éolienne, créant le poids lourd du secteur mondial avec environ 15 % de part de marché devant General Electric (11 %) et Vestas (10 %)24. Ces discussions ont abouti à un accord annoncé le : le siège de la nouvelle société sera situé en Espagne et celle-ci restera cotée à la Bourse de Madrid ; Siemens détiendra 59 % de la nouvelle entité et versera un paiement en numéraire de 3,75 euros par action aux actionnaires de Gamesa, soit au total plus d'un milliard d'euros ; Areva aura trois mois pour choisir entre vendre sa participation dans Adwen ou racheter la part de Gamesa puis vendre la totalité de la société à un autre acteur ; General Electric serait intéressé52. En , Siemens et Gamesa ont annoncé une restructuration pouvant concerner jusqu'à 6 000 postes dans 24 pays. Lors de l'annonce de leur union mi-2016, les deux industriels comptaient 21 000 salariés, dont 13 000 issus de Siemens. Le chiffre d'affaires a reculé de 12 % entre avril et , en raison d'une « suspension temporaire » du marché indien, et le groupe prévoit une forte baisse en 201853.
Au premier semestre 2016, Vestas a vu son chiffre d’affaires bondir de 23 %54.
En 2015, selon une étude publiée le par Bloomberg New Energy Finance (BNEF), General Electric a été détrôné par le groupe chinois Goldwind qui a installé 7,8 GW de turbines dans le monde dans l'année, devançant Vestas (7,3 GW) et General Electric (5,9 GW). En 2014, Goldwind était 4e avec 4,5 GW installés. La Chine a représenté en 2015 la moitié du marché mondial et cinq fabricants chinois apparaissent dans le top 10. Siemens est le premier européen du classement 2015, au 4e rang mondial avec 5,7 GW, dont 2,6 GW en mer, segment où il est le leader incontesté, quatre fois plus gros que le numéro deux ; sa fusion en discussion avec l'espagnol Gamesa (3,1 GW) pourrait le porter au 1er rang mondial55.
Les dix premiers fabricants en 2015 étaient24 :
NB : Vestas reste au 1er rang pour le chiffre d'affaires avec 8 400 M€ contre 4 180 M€ pour Goldwind.
General Electric Wind finalise son ascension, Vestas perd sa première place après douze ans de règne ; les Allemands reviennent en force ; les quatre principaux fabricants chinois d'éoliennes Goldwind, United Power, Sinovel et Mingyang sont dans le Top 10, mais aucun ne figure dans le Top 5.
Dans le secteur des éoliennes en mer, deux des principaux fabricants, Areva et Gamesa, ont signé en un accord sur la création d'une coentreprise détenue à parts égales par les deux groupes, avec pour objectif 20 % de part de marché en Europe en 2020, ainsi que de se placer sur le marché asiatique, chinois en particulier, en phase de décollage. Gamesa a un prototype d'éolienne de 5 MW et Areva des machines de 5 à 8 MW, dont 126 exemplaires installés fin 2014, soit 630 MW, et 2,8 GW en portefeuille de projets. En prenant le meilleur de chaque technologie, la coentreprise compte aboutir, à terme, à une seule plate-forme de 5 MW56.
Les principaux fabricants d'éoliennes construisent des machines d'une puissance d'environ 1 à 6 MW. Il existe de très nombreux autres fabricants d'éoliennes, parfois de très petite dimension pour des applications individuelles ou de niche.
Les principaux fabricants d'éoliennes étaient d'abord originaires principalement du Danemark et d'Allemagne, pays qui ont investi très tôt dans ce secteur. En 2010, certains pays augmentent leurs investissements pour combler leur retard, comme les États-Unis avec GE Wind qui a presque doublé ses parts de marché en cinq ans, ou la France avec Areva, qui détenait jusqu'en 2007, 70 % du capital de REpower (12e au classement 2010). Le marché est marqué en 2010 par l'émergence des acteurs asiatiques (8 sur les 15 premiers), qui parviennent à gagner des marchés en Occident.
Liste non exhaustive de fabricants57 :
- Allemagne : Enercon, Nordex, Senvion, Siemens, Fuhrlander, Vensys, Bard, e.n.o. energy, Avantis, Eviag ;
- Belgique : Turbowinds ;
- Canada : Pioneer Power Solutions, AWE ;
- Chine : Goldwind, Windey, Sinovel, DEC, Dongfang, Guangdong Mingyang ;
- Corée du Sud : Unison, Doosan, Samsung, Hyundai ;
- Danemark : Vestas, Norwin ;
- Espagne : Gamesa, Acciona, M Torres, ACSA ;
- États-Unis : GE Wind Energy, SUREnergy, Clipper, Jacobs, Windmatic ;
- Finlande : Winwind ;
- France : Areva Winds (Multibrid), DDIS, Vergnet, Alizeo, Noveol, Alstom Power (Ecotècnia), Naval Group ;
- Inde : Suzlon, NEPC, RRB Energy, Ghodawat, Pioneer Wincon ;
- Italie : Leitwind ;
- Japon : Mitsubishi, Subaru ;
- Norvège : Statoil, Sway, Blaaster ;
- Nouvelle-Zélande : Windflow ;
- Pays-Bas : Lagerwey, EWT, WES, XEMC-Darwind, STX Windpower ;
- Tchéquie : Wikov.
Conséquences sur l'emploi
En , selon le Syndicat des énergies renouvelables (SER), le secteur éolien avait créé durant les cinq années précédentes en moyenne 33 nouveaux emplois par jour en Europe58.
Recherche et développement
Autres productions utilisant l'énergie éolienne
- 2009 : les Néerlandais de Dutch Rainmaker ont fabriqué une éolienne dont l'énergie est utilisée pour condenser la vapeur d'eau présente dans l'air ambiant. Le premier prototype a ainsi condensé 500 litres d'eau douce en 24 heures.
- 2010 : l'institut allemand Fraunhofer explique dans un communiqué avoir réussi à mettre au point un processus de production de méthane à partir de la production en excès des éoliennes59. L'électricité est utilisée pour électrolyser l'eau, produisant du dioxygène (rejeté) et du dihydrogène. Cet hydrogène est recombiné à du CO2 (sans doute par réaction de Sabatier) pour produire du méthane, qui est réintroduit dans le circuit de distribution public de gaz naturel. La première partie de cette réaction était déjà utilisée par Poul La Cour en 1890 (cf. section « Historique »).
Stockage de l'énergie éolienne
Une méthode utilisée pour exploiter et stocker les productions excédentaires des éoliennes consiste à les coupler à des installations de pompage-turbinage au sein de centrales hydro-éoliennes : un parc éolien génère de l'électricité grâce à des aérogénérateurs. Une partie de cette électricité est envoyée sur le réseau pour alimenter les consommateurs, l'excédent est utilisé pour pomper de l'eau vers une retenue d'altitude. Lors des périodes de vent faible, l'eau de la retenue est turbinée dans une centrale hydroélectrique et stockée dans une retenue basse ; l'électricité ainsi obtenue est envoyée sur le réseau.
Un projet de ce type est opérationnel aux Îles Canaries dans l'île de El Hierro depuis 2014. Ce système de 11,5 MW permet d'éviter annuellement le transport de 6 000 tonnes de fioul par tankers, et l'émission de 18 000 tonnes de CO260,61. Sur son premier semestre de fonctionnement, ce système a couvert en moyenne 30,7 % de la demande d'électricité de l'île, selon les données en temps réel publiées par le gestionnaire de réseau Red Eléctrica de España (REE)62.
Une autre technique utilisée pour stocker l'énergie fournie par les éoliennes est la production d'hydrogène vert par électrolyse.
Production d'eau potable
Eole Water est une entreprise française dans le domaine des systèmes de production d’eau par condensation de l’air. Elle a développé des capacités de production d'eau potable à partir de l'énergie éolienne ou solaire63.
Accidents
Les accidents liés aux éoliennes sont relativement rares. Une éolienne de 240 m s'est effondrée en 2021 en Allemagne, sans faire de victime64. En France, une pale d'éolienne s'est détachée de son mat en , également sans faire de victime65. Selon les statistiques réalisées en Allemagne depuis 2005, il n'y a eu que six effondrements d'éoliennes sur 29 715 turbines installées64. Le , un aigle royal, une espèce d'oiseau protégée, est tué par une éolienne de la centrale du Mont-Soleil en Suisse66. Il peut arriver aussi que le feu se déclare au niveau de la turbine d'une éolienne67.
Fin de vie
En fin de vie, ou quand elle devient obsolète, une éolienne peut être remplacée par un modèle plus efficace. Elle est alors soit revendue sur le marché international de l'occasion, soit démantelée68.
Si le recyclage de l'acier composant le mât, du cuivre et des équipements électroniques est maîtrisé, le traitement des pales pose problème du fait de leur composition : composées d’un mélange de fibre de verre et de fibre de carbone liées à l’aide de résine de polyester, elles dégagent à la combustion des microparticules qui obstruent les filtres des incinérateurs69. Divers procédés permettent toutefois de les utiliser comme combustible dans des cimenteries après broyage70 voire d'en recycler les matériaux. Deux procédés sont en cours d'industrialisation en 2022 pour employer des résines, permettant de récupérer les principaux constituants des pales après démantèlement71,72.
En France, depuis 2020, la loi impose à tous les exploitants de parcs éoliens de retirer l'intégralité des fondations lors du démantèlement, sauf dérogation « sur la base d'une étude adressée au préfet démontrant que le bilan environnemental du décaissement total est défavorable, sans que la profondeur excavée ne puisse être inférieure à 2 mètres dans les terrains à usage forestier au titre du document d'urbanisme opposable et 1 m dans les autres cas »73.
Débats sur l'énergie éolienne
Réglementation
En France, l'implantation d'une éolienne domestique est réglementée ; les règles applicables varient selon la taille de l'éolienne. Le site Service-public.fr précise les règles à respecter pour une éolienne d'une hauteur maximale de 12 mètres sans permis de construire, le non-respect de ces règles expose le contrevenant à une amende de 1 200 €. Au-delà de 12 mètres de haut la demande de permis de construire est obligatoire. Toutes les zones ne sont pas susceptibles de recevoir une implantation d'éolienne domestique ; quatre zones principales sont interdites74. D'autres règles sont à prendre en compte. Il est par exemple nécessaire de demander une autorisation de défrichement si le terrain sur lequel l'éolienne va être implantée avait une destination forestière. Pour une éolienne de moins de 50 mètres, une distance d'au moins trois mètres doit être respectée par rapport à la limite séparative du voisinage. Les voisins doivent être informés au préalable de l'installation d'une éolienne. La norme EN 50 308 : « Aérogénérateur, mesures de protection, exigences pour la conception, le fonctionnement et la maintenance » s'applique à l'éolien75.
En ce qui concerne l’acoustique des sites éoliens, l’arrêté ICPE du 76, applicable depuis le , réglemente ce domaine. Cet arrêté concerne l’ensemble des parcs français de travaux publics comme privés, ou des « travaux intéressant les bâtiments et leurs équipements soumis à une procédure de déclaration ou d'autorisation ». Certaines circonstances caractérisent l'atteinte à la tranquillité du voisinage ou l'atteinte à la santé comme « le non-respect des conditions fixées par les autorités compétentes en ce qui concerne soit la réalisation des travaux, soit l'utilisation ou l'exploitation de matériels ou d'équipements », « l'insuffisance de précautions appropriées pour limiter ce bruit », ou encore « un comportement anormalement bruyant ».
Afin de vérifier le bruit provenant des éoliennes, des études de développement77 sont faites dans les futurs parcs éoliens, ces mesures sont prises au niveau des zones à émergence réglementée (ZER) durant une à plusieurs semaines. Le but est ensuite de déterminer le bruit ambiant du site sur lequel les éoliennes seront placées en modélisant au préalable le bruit des futures éoliennes.
De nouvelles mesures sont prises après la construction des éoliennes, ces mesures sont faites en alternant des phases d’arrêts et des phases de fonctionnement des éoliennes. Si durant ces mesures il y a un dépassement de 3 à 5 dB au-dessus des 35 dB il faut calculer un programme de bridage des machines afin de réduire le bruit.
La réglementation ICPE permet au préfet, en cas de plainte des riverains, de demander une expertise sur le site. Si celle-ci démontre que la réglementation en matière de bruit n’a pas été respectée, le parc peut être arrêté. Cependant dans les faits, l’arrêt d'un parc pour non-respect de la réglementation en matière d’acoustique n’a jamais eu lieu.
Notes et références
Notes
- Pour une éolienne sans récupération d'énergie potentielle.
- L'énergie cinétique du vent est de l'ordre de 1/2 m.v2 ; la quantité d'air (masse m) qui passe – par unité de temps – à travers la surface parcourue par les pales (le débit) est proportionnelle à la vitesse v ; c'est ce qui explique le cube.
Références
- Éric Leroy, Le moulin à vent : Homonyme du passé (lire en ligne [archive]).
- (en) DRUID-DIME Winter Conference [archive] [PDF].
- (en) John Burdon Sanderson Haldane, en:Daedalus; or, Science and the Future [« Dédale ou la science de l’avenir »] (Conférence), Université de Cambridge, (lire en ligne [archive]),
trad. fr. : John Burdon Sanderson Haldane et Bertrand Russell (trad. de l'anglais), Dédale & Icare, Paris, Éditions Allia, , 109 p. (ISBN 978-2-84485-977-8).
- L'aérogénérateur 800 kVA BEST - Romani [archive], cavey.org
- « 187 mètres : la plus grande éolienne du monde inaugurée en Angleterre » [archive], sur rtbf.be, (consulté le ).
- Brigitte Bornemann, « Haliade-X 12 vue du ciel de Saint-Nazaire » [archive], sur Énergies de la mer, .
- Quelle est la différence entre le petit et le grand éolien ? [archive], surles-energies-renouvelables.eu (consulté le 5 décembre 2018).
- Systèmes Solaires (journal sur les énergies renouvelables), no spécial « Atlas 2013 des parcs éoliens en France », 2003.
- [PDF]Gamme du fabricant Enercon [archive], sur enercon.de
- (en) Energy - Yearly statistics 2008 [PDF] [archive], Eurostat, pages 12 et 13.
- Bilan électrique français 2010 (RTE) [archive] - 20 janvier 2011, pages 14 et 16 [PDF]
- Bilan électrique français 2009 [archive] [PDF], RTE, 13 janvier 2010, pages 8 et 9.
- (de) « Windkraft in Deutschland: Grosse Versprechen, kleine Erträge » [archive], Neue Zürcher Zeitung, .
- [PDF]Non trouvé le 5 décembre 2018 [archive] - Danish Energy Agency, novembre 2010, pages 5, 9 et 10.
- « Avec quels matériaux sont fabriquées les pales des éoliennes » [archive], sur lenergeek.com, (consulté le ).
- Leon Mishnaevsky Jr., Kim Branner, Helga Nørgaard Petersen, Justine Beauson, Malcolm McGugan et Bent F. Sørensen, « Materials for Wind Turbine Blades : An Overview », Materials, (www.mdpi.com/1996-1944/10/11/1285/pdf).
- Futura-Sciences, « Pourquoi les éoliennes ont-elles 3 pales ? » [archive], sur Futura-Sciences (consulté le )
- « La première éolienne urbaine française a été installée sur un bâtiment collectif dans le pas de Calais » [archive], sur actu-environnement.com, (consulté le ).