Le guide du petit éolien

La France compterait en 2009 plus de 650 petites éoliennes. Que vous soyez un particulier ou à la tête d'une entreprise, vous envisagez peut être de produire votre propre électricité. Avec une plage de puissance allant de 100 watts à 30 kilowatts (classification Ademe), le petit éolien constitue une solution à envisager. Encore faut-il se poser les bonnes questions, y répondre bien sûr… et dans l'ordre !

Récupérer l'énergie du vent est simple en théorie, mais plus complexe dans la pratique. En effet, Eole, le dieu des vents, a une vilaine manie : il change souvent d'humeur et parfois se fâche. Une éolienne doit pourtant produire de l'électricité sur une large plage de vitesses de vent et résister aux fortes bourrasques. De plus, sa longévité, ainsi que sa fiabilité, conditionnent le retour sur investissement. Le choix du matériel s'avère donc particulièrement important. S'il est envisageable d'acquérir et de monter seul une installation de faible puissance, la mise en oeuvre d'un aérogénérateur de plus de 5 kW nécessite l'intervention de professionnels. L'installateur étudiera les besoins et le vent, déterminera la meilleure solution en fonction du budget et de la rentabilité du projet, et s'occupera des démarches administratives, parfois laborieuses.
Ce guide a pour ambition de vous permettre d'affiner votre projet et de vous donner les clés pour échanger « à égalité » avec les professionnels du secteur.

Avant de se lancer, il convient de s'assurer de la faisabilité du projet et de ces limites sur deux aspects :

• La ressource est-elle suffisante ? Autrement dit : le vent souffle-t-il suffisamment souvent et suffisamment fort ?
• Qu'ai-je le droit d'installer à l'endroit prévu ?

L'étude de vent

La présence d'un ancien moulin à vent à proximité du terrain semble de bon augure…. Mieux, si des éoliennes ont déjà été érigées dans le même secteur, c'est forcément qu'il y a du potentiel. En réalité, pas si sûr !
L'Ademe propose sur son site une carte de France des gisements de vents. Les antennes régionales de l'agence fournissent même des cartes locales plus précises (voir exemple en Pays de Loire). Utile, mais insuffisant pour prendre une
décision, d'autant plus que les mesures sont effectuées entre 50 et 60 mètres de hauteur.

Résultat : pour assurer son projet, mieux vaut faire réaliser une étude de vent.

Les agences départementales de Météo France commercialisent des « roses des vents » qui permettent de visualiser le sens et l'intensité moyenne des vents sur une période donnée, allant de la semaine à plusieurs années, pour une station météo précise. Pour 38 € HT (tarif 2009), on dispose ainsi de données primordiales, mais encore insuffisantes. En effet, à moins d'habiter à quelques mètres de la station, le terrain pressenti n'offre pas forcément le même vent, car il subit les effets du relief, de la végétation et des constructions avoisinantes. Il faut donc procéder à une mesure in situ sur une période la plus longue possible, et idéalement à des hauteurs différentes. Cette mesure du vent s'effectue grâce à un anémomètre et une girouette placés sur un mât et connectés à un boîtier électronique enregistreur (le « logger »). La rose des vents de chaque hauteur de mesure est alors comparée à celle de la station météo pour la même période. On en déduit un « coefficient de corrélation » entre la station et le terrain en question. L'application de ce coefficient à une rose des vents de Météo France sur plusieurs années donne une bonne indication du potentiel vent.
La réalisation d'une étude de vent préalable à l'installation de petites éoliennes coûte, selon sa complexité, sa durée, et sa précision, entre 600 € HT (1 mois à 12 mètres, étude basique) et 5000 € HT (3 mois à 30 mètres, étude approfondie). Une somme parfois remboursée par l'installateur en cas de commande. La location d'un anémomètre enregistreur est facturée entre 500 et 1000 € / mois.

Eléments réglementaires

Les démarches administratives peuvent être compliquées et surtout longues. L'idéal est d'en confier la tâche à l'installateur.

L'autorisation de construire

L'intérêt de mesurer le potentiel de vent à plusieurs hauteurs prend tout son sens d'un point de vue réglementaire. En effet, aucune formalité n'est officiellement nécessaire pour ériger une éolienne de moins de douze mètres (hors pales). Plus précisément, « sont dispensées de toute formalité au titre du présent code, en raison de leur nature ou de leur très faible importance, sauf lorsqu'ils sont implantés dans un secteur sauvegardé dont le périmètre a été délimité ou dans un site classé : les éoliennes dont la hauteur du mât et de la nacelle au-dessus du sol est inférieure à douze mètres » Article R421-2 du Code de l'Urbanisme.

En pratique, la plupart des communes demandent une déclaration préalable aux travaux pour les éoliennes de moins de douze mètres. Si le terrain est à proximité d'un site classé, la consultation du plan des servitudes, annexe du Plan d'Occupation des Sols (POS) ou du Plan Local d'Urbanisme (PLU), permet de connaître le périmètre protégé. Une commune peut d'ailleurs interdire l'implantation d'éoliennes, même en dehors de tout site protégé, en l'indiquant clairement dans son PLU ou POS. A vérifier en mairie… Pas question bien sûr de se lancer dans l'implantation d'une éolienne au bord de la plage (bande des 100 mètres, Loi Littoral).

En outre, la commune peut s'opposer à un projet d'éolienne, si elle considère que des nuisances trop importantes seraient infligées aux voisins du candidat à la production d'énergie. Mieux vaut donc bien s'entendre avec ses voisins avant de se lancer dans un tel projet… ou avec le maire !

Et bien sûr attendre un mois après sa déclaration de travaux avant de les commencer. Pour les éoliennes de plus de douze mètres, un permis de construire est obligatoire (ainsi qu'une notice d'impact, si elle mesure moins de cinquante mètres, cas le plus fréquent pour du petit éolien)

Dans les communes sans PLU (donc encore sous le régime des POS), le permis de construire est déposé auprès du préfet. Dans les communes munies d'un PLU, ou lorsque l'éolienne est prévue pour être utilisée dans un mode d'autoconsommation, le permis de construire est délivré par le maire. L'examen du permis de construire est censé prendre deux mois. En réalité, il faut généralement patienter près d'une dizaine de mois avant d'obtenir le précieux sésame.

L'autorisation de produire du courant
Les petites éoliennes sont soumises à une déclaration auprès de la direction de l'énergie (DGEC) du ministère de l'Ecologie. Cette procédure peut s'effectuer en ligne sur le site AMPERE.

L'autorisation de connecter l'éolienne au réseau
Elle ne concerne pas les installations en « site isolé », c'est à dire non connectées au réseau. En revanche, dès que le bâtiment à alimenter est connecté au réseau, même si la totalité de la production sera autoconsommée, une demande de raccordement est nécessaire. La demande s'effectue auprès d'ERDF, plus précisément au service ARD de la région concernée.

L'autorisation de vendre son courant
Pour pouvoir vendre son trop plein d'électricité à un opérateur (EDF, Poweo, Direct Energie…), d'autres démarches sont nécessaires.

• Si l'installation se trouve au sein d'une ZDE (Zone de Développement de l'Eolien), le producteur bénéficie du « tarif d'achat ». Cela signifie que la totalité de l'électricité qu'il produit est sub-ventionnée, autrement dit achetée par EDF à un tarif supérieur à son propre tarif de vente. Au 1er septembre 2009, ce tarif d'achat était de 8,2 c€/kWh. Il est dégressif en fonction de l'ancienneté de l'installation et de sa productivité. La production éolienne sera subventionnée pour les projets réalisés jusqu'en 2012 a minima, et pour une durée maximum de quinze ans.

Pour bénéficier du tarif d'achat, il ne suffit pas que l'éolienne se situe dans une ZDE. Il faut tout d'abord demander un « certificat ouvrant droit à l'obligation d'achat » (CODEA) auprès de la DRIRE locale (Direction Régionale de l'Industrie, de la Recherche et de l'Environnement). Puis, enfin, effectuer une demande de contrat d'achat auprès d'EDF ou d'un autre opérateur le cas échéant.

• Si l'installation ne se situe pas dans une ZDE, il est possible de vendre le surplus ou la totalité de sa production de gré à gré à un fournisseur d'électricité agréé par RTE (gestionnaire du Réseau de Transport d'Electricité) nommé « responsable d'équilibre ». Plusieurs opérateurs proposent déjà ce service dont Poweo, Direct Energie ou Enercoop (liste complète sur le site de RTE).

Le prix de rachat proposé par ces entreprises est compris entre 4 cts et 8 cts d'euros HT le kWh (généralement indexé sur les cours de la bourse européenne d'électricité PowerNext). Intéressant pour une entreprise qui récupère la TVA sur ses achats d'électricité. Beaucoup moins pour un particulier, qui de facto, paye TTC mais vend HT…

L'interdiction de faire du bruit
Reste la question du bruit. Le Code de la Santé Publique ne prévoit pas de distance minimale à respecter. En revanche, il dispose que l'exposition sonore supplémentaire (émergence sonore) des habitations environnantes ne doit pas dépasser trois décibels la nuit et cinq décibels le jour (mesures prises à l'extérieur).

(extrait du récépissé de dépôt d'une déclaration préalable)

Vous avez déposé une déclaration préalable à des travaux ou aménagements non soumis à permis. Le délai d'instruction de votre dossier est de un mois et, si vous ne recevez pas de courrier de l'administration dans ce délai, vous bénéficierez d'une décision de non-opposition à ces travaux ou aménagements.
Toutefois, dans le mois qui suit le dépôt de votre dossier, l'administration peut vous écrire :

• soit pour vous avertir qu'un autre délai est applicable, lorsque le code de l'urbanisme l'a prévu pour permettre les consultations nécessaires (si votre projet nécessite la consultation d'autres services…);
• soit pour vous indiquer qu'il manque une ou plusieurs pièces à votre dossier ;

• Si vous recevez une telle lettre avant la fin du mois qui suit le dépôt de votre déclaration, celle-ci remplacera le présent récépissé.
• Si vous n'avez rien reçu à la fin du mois suivant le dépôt de votre déclaration, vous pourrez commencer les travaux après avoir :

• affiché sur le terrain ce récépissé sur lequel la mairie a mis son cachet pour attester la date de dépôt ;
• installé sur le terrain, pendant toute la durée du chantier, un panneau visible de la voie publique décrivant le projet. Vous trouverez le modèle de panneau à la mairie, sur le site internet urbanisme du gouvernement, ainsi que dans la plupart des magasins de matériaux.

Attention : la décision de non-opposition n'est définitive qu'en l'absence de recours. En effet, dans le délai de deux mois à compter de son affichage sur le terrain, sa légalité peut être contestée par un tiers devant le tribunal administratif. Dans ce cas, l'auteur du recours est tenu de vous en informer au plus tard quinze jours après le dépôt du recours.

Certains rêvent de se désabonner d'EDF par défi. Les plus écolos se moquent de la rentabilité. D'autres visent un retour sur investissement rapide, quitte à y mettre le prix. Les plus raisonnables souhaitent alléger leur facture. Les plus ambitieux la réduire à néant grâce à leur production excédentaire. Des entrepreneurs valorisent la communication positive apportée par la présence visible d'une éolienne dans leur usine… Malheureusement, la réalisation simultanée de tous ces objectifs et dans l'état actuel des choses reste impossible. Un choix s'impose.

L'éolien de pompage

On trouve encore sur le marché des éoliennes multipales entièrement mécaniques et reliées à une pompe à eau. Elles permettent d'exploiter un puits trop éloigné d'une source de courant pour être équipé d'une pompe électrique. Très solides, les plus puissantes aspirent entre 500 et 1500 litres/heure et affichent une durée de vie de 50 ans.

Eléments généraux sur les performances

D'une manière générale, la plage de vent permettant de faire tourner une éolienne s'étend de 15 km/h à moins de 100 km/h. Au delà, un système de sécurité déclenche l'arrêt du rotor pour des raisons de sécurité. Pour un même emplacement, on génère de meilleures performances en plaçant l'éolienne le plus haut possible. En plaçant la nacelle à
25 mètres de hauteur au lieu de 12 mètres, la quantité supplémentaire de vent remboursera pratiquement toujours la pose d'un mat plus long. Encore faut-il être prêt à en passer par le permis de construire.

D'après RTE, sur l'année 2007, la productibilité mensuelle des installations éoliennes était variable, de 10% à 35% (énergie effectivement produite rapportée à l'énergie maximale théoriquement productible), pour une valeur moyenne sur l'année de 24%. En conséquence, pour du petit éolien, il ne faut généralement pas espérer une durée de production annuelle supérieure à 2000 heures. Autre calcul, une éolienne d'un kW produira chaque mois entre 70 et 255 kWh et sa production annuelle plafonnera à 2000 kWh.

Il convient à ce stade de définir plus précisément la notion de puissance pour une éolienne. Le chiffre généralement indiqué par le fabricant est la puissance nominale, c'est à dire celle pour laquelle son rendement est le plus élevé (énergie reçu / énergie récupérée). En effet, la puissance réellement fournie par l'éolienne dépend de la vitesse du vent.
La puissance maximale est appelée puissance crête. Une éolienne de 2 kW de puissance nominale peut ainsi produire 3 kW au maximum pendant une durée raisonnable.

Attention donc à bien vérifier que la puissance indiquée est bien la puissance nominale, et non la puissance crête. Par ailleurs, une erreur fréquente consiste à privilégier un modèle en fonction de ses performances à basse vitesse en espérant ainsi une production plus fréquente. Malheureusement, les vents inférieurs à 3 m/s (10,8 km/h) ne génèrent que très peu d'énergie. Les performances entre 5 et 15 m/s sont très discriminantes. Pour les « matheux » : dans sa phase ascendante, la puissance augmente avec le cube de la Source RTE vitesse du vent…

Verticale ou horizontale ?

La quasi-totalité des éoliennes sont composées d'une hélice tournant sur un axe horizontal. Les premiers modèles d'éoliennes à axe vertical sont apparus dans les années trente et n'ont pas décollé à cause de leurs faibles rendements et de contraintes techniques bloquantes – les modèles Darrieus originaux devaient par exemple être amorcés pour se lancer. Depuis quelques années, on voit apparaître de nouveaux modèles (et de nombreux projets) de petites éoliennes à axe vertical qui devraient résoudre les faiblesses de leurs aînées.

Il est ainsi envisageable d'installer une éolienne à axe vertical si l'emplacement propose des vents particulièrement turbulents : milieu urbain, impossibilité d'installer un mât, installation sur un bâtiment. Pour les autres cas, un modèle classique placé suffisamment haut offrira les meilleures performances et un retour sur investissement plus rapide.

Les différents types de supports

Les mâts haubanés ont l'avantage d'être les moins onéreux, mais l'inconvénient d'occuper beaucoup d'espace (environ 12 m2 pour une éolienne de 2 kW). Les mâts tubulaires autoporteurs sont non seulement beaucoup plus résistants dans le temps mais supportent des turbines bien plus lourdes donc plus puissantes. Ils sont aussi appréciés pour leur esthétique proche du grand éolien.

Les pales

Les petites éoliennes tournent vite. La vitesse linéaire en bout de pale d'une éolienne tripale atteint 250 km/h (soit 250 à 400 tours par minute selon la longueur des pales). Les contraintes mécaniques liées à ces vitesses sont maintenant bien maîtrisées par la plupart des constructeurs.

Quatre matériaux sont utilisés :

• le bois massif et le bois lamellé-collé : essentiellement réservé aux auto-constructeurs.
• l'aluminium : pratiquement plus utilisé, car il résiste mal à la fatigue mécanique et finit par rompre
• les matériaux composites : utilisés par tous les fabricants sérieux.

S'agissant de la taille : plus une pale est longue, plus elle est puissante, mais plus la vitesse en bout de pale est élevée, et donc plus elle est bruyante.

Pour le nombre : plus il y a de pales, plus l'éolienne démarrera avec un vent faible, mais elle sera moins puissante... tout en étant plus chère. Il faut donc trouver un compromis entre la longueur et le nombre de pales pour obtenir les performances désirées. Le choix s'effectuera donc entre une (techniquement possible, mais rare) et huit pales, en fonction de l'étude de vent et des besoins du projet. Plusieurs entreprises et laboratoires de recherche travaillent sur de nouvelles formes de pale. WhalePower a par exemple lancé un projet copiant la forme particulière des nageoires des baleines. Le Comptoir Eolien propose déjà des éoliennes disposant de trois pales coniques.

Les pales des petites éoliennes sont généralement à « pas fixe », ce qui signifie que l'incidence de la pale par rapport au plan de l'hélice est constante. Un système à « pas variable » est bien plus performant, car il se comporte en quelque sorte comme une boîte de vitesse, mais est également beaucoup plus coûteux. Un pas variable permet de plus la mise en drapeaux de l'hélice pour protéger l'éolienne des vents forts (on oriente les pales de manière à ce que leur portance soit nulle, tout en laissant le rotor face au vent).

Orientation

Inutile de préciser qu'une éolienne est plus performante lorsqu'elle est bien orientée face au vent.
Trois solutions techniques permettent l'orientation :

• Système libre avec hélice sous le vent: Le vent rencontre d'abord la nacelle, qui joue le rôle de gouvernail, puis frappe les pales. C'est le système le plus simple, mais il génère des turbulences immédiates nuisibles aux performances.

• Système libre avec hélice face au vent: C'est le système le plus fréquent pour les petites puissances. Un safran placé derrière la nacelle place l'hélice perpendiculairement au vent, comme une girouette. Les systèmes libres (sous ou face au vent) sont moins chers, mais demande l'installation d'un amortisseur pour éviter que l'éolienne s'emballe en cas de vents turbulents.

• Orientation motorisée: Une girouette et un anémomètre commandent l'orientation du rotor via un moteur électrique. Ce système permet de ne changer l'orientation de l'hélice que si le vent a tourné durablement. On optimise ainsi la productivité. Il permet également de protéger l'éolienne en cas de vent fort. Ce type de système est réservé aux éoliennes les plus puissantes du petit éolien (à partir de 10kW).

Les éoliennes à axe vertical étant par nature omnidirectionnelles, elles ne nécessitent aucun système d'orientation.

Résistance aux vents forts et régulation

Certaines éoliennes sont capables d'encaisser des vents de près de 200 km/h. La majorité cependant n'atteint pas des vitesses dites « de survie » aussi élevées. Elles sont donc équipées de systèmes permettant de soustraire le rotor à la force du vent. Les éoliennes disposant d'une orientation motorisée placent le rotor parallèlement au vent pour le protéger ou utilisent un frein. Celles munies d'un calage de
pales variable se mettent en drapeaux. Les moins sophistiquées utilisent soit un système mécanique d'évitement (le rotor pivote sur un axe en tirant sur un ressort pour venir se placer parallèlement au vent)
ou un système de freinage automatique mécanique. Les éoliennes à axe vertical bénéficient par construction du « décrochage dynamique » des pales, elles ne nécessitent aucun système d'évitement des vents forts.

Génératrice et démultiplication

La génératrice a pour rôle la transformation du mouvement de rotation de l'axe en électricité. Pour la gamme de puissance du petit éolien, il s'agit généralement d'un alternateur synchrone à aimant permanent. L'intensité et la fréquence du courant produit par l'alternateur varient en fonction de la vitesse de rotation du rotor. L'électricité en sortie doit donc être régulée pour être utilisable. Cette régulation est effectuée par un onduleur. Les rotors dont la vitesse de rotation est trop faible pour entraîner directement un alternateur classique sont accompagnés d'un démultiplicateur, une sorte de boîte de vitesse. Cet élément est généralement le maillon faible de l'installation, car il subit des efforts mécaniques élevés et constants.

Batteries

Pratiquement indispensables pour les sites isolés, les batteries compliquent sérieusement la rentabilité
de l'installation. Le critère du choix tient dans la capacité de stockage d'énergie de la batterie. En toute rigueur, cette capacité se mesure en ampères-heure, cependant il est souvent plus facile de l'exprimer
sous forme de puissance produite en une heure par son éolienne, donc en kWh. Une batterie capable de stocker 1000 Wh (soit 1 kWh) pourra ainsi conserver l'équivalent d'une heure de vent à vitesse nominale pour une éolienne d'un kW. Compter 150 € HT par kWh pour des batteries au plomb, le double
pour des NiCad. Leur durée de vie oscille entre 10 et 15 ans pour les modèles au plomb et 20 à 25 ans pour les plus modernes.

Un peu de physique Souvenez-vous que P=UI !
Pour déterminer la possibilité de stockage d'une batterie en kWh, on multiplie sa tension (12v-24v….) par sa capacité en ampères-heure (100 ah par exemple). Ainsi, une batterie de 24 V dont la capacité nominale est de 150 ah permet de stocker 150 x 24 = 3600 Wh = 3,6 kWh = 3h36' de production d'une éolienne d'un kW.

Maintenance

Certains modèles de faible puissance sont présentés comme étant potentiellement exempts de maintenance. Cependant, et cela quelle que soit sa puissance, une maintenance annuelle est indispensable pour optimiser la durée de vie de l'éolienne. La maintenance préventive est généralement annuelle. Remplacement d'huiles, graissages, contrôle de serrages… Prévoir entre 200 et 1000 € HT selon la puissance et une journée d'interruption. L'opération mobilise deux à trois personnes.

Concernant la maintenance curative, il faut savoir qu'au-delà de dix ans apparaissent des problèmes de fatigue des matériaux et d'usure, notamment dans les zones où les vents sont les plus turbulents. Le propriétaire s'exposera à des opérations de remplacement ou de réparation des pales, de remplacement ou de réfection de l'alternateur, du démultiplicateur. La foudre est également une source fréquente de pannes électriques.

Les éoliennes sont généralement garanties deux ans, parfois trois. Quant aux batteries, la garantie dépasse rarement une année.

Gammes de prix

Une petite éolienne coûte généralement avec l'installation entre 3 000 et 90 000 € HT selon sa puissance. Le prix du kW installé baisse rapidement avec la puissance totale de l'engin. Si les finances le permettent, il est donc plus facile de rentabiliser une éolienne qui affiche la plus haute performance possible pour les conditions de vent et le terrain disponibles.

• Anémomètre: Appareil de mesure de la vitesse du vent.

• Eolienne à axe horizontal: Eolienne dont l'axe du rotor est horizontal. Le plan de l'hélice étant donc vertical. C'est la forme retenue pour le grand éolien et la plus fréquente dans le petit éolien.

• Eolienne à axe vertical: Eolienne dont l'axe du rotor est vertical. Le plan de l'hélice étant donc horizontal. Ce type d'éolienne concentre actuellement une grande part des efforts de recherche.

• Eolienne de type Darrieus: Eolienne verticale conçue en 1931 par l'ingénieur français Georges Darrieus (24 Septembre 1888 - 15 Juillet 1979). Elle fut construite jusqu'en 1997 par FloWind.

• Eolienne de type Savonius: Eolienne verticale constituée de deux ou plusieurs godets (demisphère ou demi-cylindre).

• Générateur (aérogénérateur): Alternateur ou dynamo dont le rôle est de transformer la rotation de l'axe du rotor en électricité.

• Onduleur / Redresseur: Système de régulation du courant irrégulier produit par une éolienne afin de permettre son utilisation domestique ou son injection sur le réseau.

• Petit éolien: Installation d'éoliennes produisant de l'électricité dont la puissance nominale est comprise entre 1 et 30 kilowatts. En dessous de 1 kW, on parle de micro-éolien.

• Puissance nominale d'une petite éolienne: Puissance pour laquelle son rendement est le plus élevé (énergie reçue / énergie récupérée). La puissance nominale d'une éolienne est donc donnée pour une plage de vitesse de vent.

• Raccordement au réseau électrique: L'éolienne étant dépendante du vent, un raccordement au réseau électrique est nécessaire. Il permet également de vendre tout ou partie de la production électrique de l'éolienne. Pour le petit éolien et jusqu'à 36 kW, le raccordement est effectué sur le réseau basse tension géré par ERDF (Electricité Réseau Distribution France).

• Variation de puissance d'une petite éolienne: La puissance d'une éolienne dépend de la vitesse du vent et varie avec son cube. Par exemple, une éolienne produisant 2 kW à 4 m/s, produira 8 kW à 8 m/s.

• ZDE (Zones de Développement de l'Eolien): Sites de taille variable sur lesquels toute éolienne installée bénéficie d'une subvention d'exploitation sous forme d'un tarif d'achat préférentiel de sa production par EDF.