Énergie éolienne

Une éolienne transforme l’énergie cinétique de l’air en mouvement en électricité grâce à un rotor et une génératrice. Parmi les renouvelables hors hydraulique, seul le solaire progresse plus vite. En 2025, l’éolien a produit environ 2 700 TWh, soit près de 8,5 % de l’électricité mondiale, contre environ 830 TWh dix ans plus tôt. Selon le Global Wind Energy Council, la puissance installée mondiale a dépassé 1 000 GW en 2023, dont bien plus d’un tiers en Chine. La majeure partie est terrestre. L’éolien en mer pèse moins mais progresse vite, avec davantage de production par éolienne et une ingénierie et des coûts très différents.

Comment fonctionne une éolienne

Une grande éolienne moderne est une machine tripale à axe horizontal, rotor face au vent. Le vent qui s’écoule sur les pales au profil d’aile crée une portance qui fait tourner le rotor à une vitesse relativement lente de 5 à 15 tours par minute. Le rotor entraîne une génératrice, soit via un multiplicateur (qui porte la vitesse à environ 1 000–1 500 tr/min pour une génératrice asynchrone à double alimentation), soit directement, dans le cas des machines à entraînement direct équipées de grosses génératrices à aimants permanents. L’électronique de puissance convertit la sortie à fréquence variable à la fréquence du réseau.

Trois systèmes de régulation maintiennent la machine dans ses limites de sécurité. Le système d’orientation tourne la nacelle face au vent. Le réglage du pas fait pivoter chaque pale autour de son axe pour limiter la puissance au-delà de la vitesse nominale et mettre les pales en drapeau pendant les tempêtes. Par vent faible, la régulation du couple de la génératrice maintient le rotor à la meilleure vitesse spécifique.

L’équation de puissance

La puissance du vent augmente avec le cube de sa vitesse. C’est pourquoi le choix du site compte plus que tout le reste dans l’économie de l’éolien :

Doublez la vitesse du vent et la puissance est multipliée par huit : un site à 8 m/s de moyenne produit environ deux fois plus d’énergie qu’un site à 6,3 m/s. Doublez le diamètre du rotor et la surface balayée quadruple. D’où la course continue vers des rotors plus grands et des mâts plus hauts. La vitesse du vent augmente avec la hauteur (cisaillement) : un moyeu plus haut atteint un air plus fort et plus régulier.

La limite de Betz existe parce qu’un rotor ne peut pas arrêter complètement l’air : il doit laisser à l’écoulement en aval assez de vitesse pour dégager le plan du rotor. En théorie, le mieux qu’un rotor puisse faire est de ralentir le vent derrière lui au tiers de sa vitesse amont. En pratique, l’éolienne suit une courbe de puissance : elle commence à produire à une vitesse de démarrage d’environ 3 m/s, atteint sa puissance nominale à une vitesse nominale d’environ 11 à 13 m/s et s’arrête à une vitesse de coupure d’environ 25 m/s (certains modèles récents réduisent progressivement leur puissance jusqu’à 30 m/s au lieu de décrocher brutalement).

Types et principales variantes

Éolien terrestre

Les éoliennes terrestres installées au milieu des années 2020 font en général 4 à 7 MW, avec des rotors de 140 à 175 m de diamètre et des moyeux à 100–160 m de hauteur. Les modèles pour « vents faibles », dotés de très grands rotors par rapport à la taille de la génératrice (une faible puissance spécifique, en W par m² de surface balayée), ont rendu rentables des sites intérieurs en Allemagne, en Inde et dans le Midwest américain qui ne l’étaient pas il y a dix ans. Les propriétaires d’éoliennes anciennes et plus petites sur les meilleurs sites les remplacent (repowering) : remplacer par exemple dix machines de 1 MW par trois machines de 5 MW double ou triple souvent la production sur le même terrain.

Éolien en mer posé

En mer, les vents sont plus forts et moins turbulents qu’à terre, et les limites du transport routier sur la longueur des pales ne s’appliquent pas : les éoliennes en mer sont donc plus grandes. Les machines commerciales font 12 à 15 MW avec des rotors de 220 à 240 m (par exemple la Siemens Gamesa SG 14-222 DD et la Vestas V236-15.0 MW) ; des constructeurs chinois ont installé des machines de 16 à 20 MW et annoncé des prototypes dépassant 20 MW. Les fondations dépendent de la profondeur et du fond marin : monopieux (un gros tube d’acier unique, le type dominant jusqu’à environ 40 m de fond), jackets en treillis pour les fonds plus profonds ou plus durs, et fondations gravitaires en béton. L’électricité est collectée par des câbles inter-éoliennes jusqu’à un poste électrique en mer puis exportée à terre, toujours plus souvent par des liaisons HVDC pour les projets éloignés des côtes.

Éolien en mer flottant

Au-delà de 50 à 60 m de fond, les fondations fixes cessent d’être rentables. L’éolien en mer flottant installe une éolienne standard sur une plateforme flottante retenue par des lignes d’ancrage : bouées spar (cylindres profonds lestés, utilisés à Hywind Scotland, le parc de 30 MW d’Equinor, premier parc flottant en 2017), semi-submersibles (utilisés pour les 25 MW de WindFloat Atlantic au large du Portugal) et plateformes à lignes tendues. Hywind Tampen, les 88 MW d’Equinor qui alimentent des plateformes pétrolières et gazières en mer du Nord norvégienne, était le plus grand parc flottant à sa mise en service en 2023. Selon l’Offshore Wind Outlook de l’AIE, la ressource éolienne en mer techniquement exploitable représente plusieurs fois la demande mondiale d’électricité, dont une grande partie en eaux profondes au large du Japon, de la côte ouest des États-Unis, de la Corée et en Méditerranée.

Petit éolien et éolien distribué

Les éoliennes de moins d’environ 100 kW servent les exploitations agricoles, les sites isolés et les micro-réseaux. Elles sont bien moins rentables que les grandes machines. Leurs moyeux sont bas, et la loi du cube pénalise le vent plus faible près du sol. La plupart des micro-éoliennes installées sur des bâtiments produisent très peu d’énergie.

Rendement et facteur de charge

Le rendement aérodynamique maximal en dit peu sur la production annuelle. Le chiffre qui compte est le facteur de charge : l’énergie annuelle réelle divisée par ce que l’éolienne produirait à puissance nominale pendant les 8 760 heures de l’année.

Le facteur de charge augmente avec la vitesse moyenne du vent, la hauteur du moyeu et une puissance spécifique plus faible ; il baisse avec les effets de sillage dans les grands parcs (en général 5 à 15 % de perte d’énergie pour les grands groupes de parcs en mer), l’écrêtement imposé par le réseau et les arrêts. La disponibilité en mer est plus faible qu’à terre, car la météo limite l’accès pour les réparations. La production suit la météo, ce qui fait de l’éolien une énergie renouvelable variable. Sa valeur pour le réseau dépend de la dispersion géographique, des interconnexions, du stockage et de la flexibilité de la demande. Pour estimer la production d’une éolienne donnée sous un régime de vent donné, utilisez le calculateur d’éolienne, et pour un parc avec ses pertes de sillage, le calculateur de parc éolien. La carte du potentiel éolien montre les vitesses de vent moyennes dans le monde.

Coûts

Entre 2010 et 2020, les coûts de l’éolien ont fortement baissé grâce à des rotors plus grands, des facteurs de charge plus élevés et un financement moins cher. Selon le rapport Renewable Power Generation Costs in 2023 de l’IRENA (publié en 2024), le LCOE moyen pondéré mondial de l’éolien terrestre mis en service est tombé à environ 0,033 USD/kWh en 2023, pour un coût d’installation moyen d’environ 1 160 USD/kW. L’éolien en mer s’établissait en moyenne à environ 0,075 USD/kWh, pour un coût d’installation d’environ 2 800 USD/kW, même si les deux chiffres varient beaucoup entre la Chine (la moins chère) et l’Europe et les États-Unis.

L’LCOE+ 2024 de Lazard donne une fourchette sans subvention d’environ 27 à 73 USD/MWh pour l’éolien terrestre américain et de 74 à 139 USD/MWh pour l’éolien en mer. L’Annual Technology Baseline du NREL fournit des projections américaines par classe de ressource en vent, qui montrent un LCOE terrestre qui varie du simple à plus du double entre les sites les plus et les moins ventés. Puis le prix de l’acier, les taux d’intérêt et les goulets d’étranglement de la chaîne d’approvisionnement ont fait remonter les coûts entre 2021 et 2023. L’éolien en mer a été le plus touché : plusieurs contrats sur la côte est des États-Unis et au Royaume-Uni ont été annulés ou renégociés, car leurs prix d’exercice fixes ne couvraient plus les coûts. L’éolien flottant coûte encore environ deux à trois fois plus que le posé. La filière s’attend à de fortes baisses une fois les projets passés à l’échelle du gigawatt.

Les coûts de l’éolien sont surtout du CAPEX. Il n’y a pas de facture de combustible, et les coûts d’exploitation représentent en général 20 à 30 % du LCOE à terre, davantage en mer. Le LCOE éolien réagit donc fortement au taux d’actualisation : un WACC qui passe de 5 % à 8 % augmente le LCOE d’environ un quart. Testez ces sensibilités avec le calculateur de LCOE.

Terres, eau et matériaux

Un parc éolien s’étend sur une grande surface, mais en occupe physiquement très peu. L’étude du NREL sur l’usage des sols des projets éoliens américains a trouvé une surface totale de projet d’environ 34 hectares par MW en moyenne (avec de grands écarts), mais une emprise directe, pour les fondations, les chemins et les postes électriques, bien inférieure à 1 hectare par MW. Le reste reste cultivé ou pâturé. En mer, les principales questions d’espace concernent les couloirs de navigation, les zones de pêche, les radars militaires et les habitats du fond marin.

Les éoliennes ne consomment presque pas d’eau en fonctionnement, un vrai avantage sur les centrales thermiques dans les régions sujettes à la sécheresse.

Par unité de puissance, l’éolien demande plus de matériaux que les centrales fossiles. Une éolienne est surtout faite d’acier (mât et nacelle), de béton (fondations à terre), de cuivre (génératrice et câbles), de fonte et de composites. Les installations en mer exigent nettement plus d’acier par MW, à cause des monopieux et des jackets. Les éoliennes à entraînement direct et beaucoup d’éoliennes en mer utilisent des génératrices à aimants permanents contenant du néodyme, du praséodyme et du dysprosium, dont l’extraction et le raffinage se font surtout en Chine. Les modèles à multiplicateur avec génératrice asynchrone ou à excitation électrique évitent la plupart des terres rares.

Émissions de CO2 sur le cycle de vie

Presque toutes les émissions d’une éolienne sur son cycle de vie viennent de la fabrication de l’acier, du béton et des composites. L’annexe III du groupe III de l’AR5 du GIEC (2014) indique une médiane d’environ 11 gCO2e/kWh pour l’éolien terrestre (fourchette d’environ 7 à 56) et de 12 gCO2e/kWh pour l’éolien en mer (fourchette d’environ 8 à 35). L’analyse de cycle de vie de la CEE-ONU de 2021 a trouvé des valeurs du même ordre, environ 8 à 23 gCO2e/kWh selon les configurations terrestres et en mer, les modèles flottants se situant en haut de la fourchette à cause de leurs structures plus lourdes. À titre de comparaison, les centrales à cycle combiné gaz émettent environ 400 à 500 gCO2e/kWh et le charbon 750 à 1 100. Le temps de retour énergétique d’une éolienne moderne est en général inférieur à un an, pour une durée de vie de 25 à 30 ans.

Sécurité et effets sur l’environnement

Sécurité des personnes. Par unité d’électricité, l’éolien compte parmi les sources d’énergie les plus sûres. Our World in Data, à partir de Markandya et Wilkinson (2007) et d’études plus récentes, situe le taux de mortalité à quelques centièmes de décès par TWh, surtout des travailleurs blessés pendant la construction et la maintenance. Les ruptures de pales et les projections de glace sont rares, et les distances de recul et la détection du givre les gèrent.

Oiseaux. Les éoliennes tuent bien des oiseaux, mais beaucoup moins que d’autres causes humaines. Des études pour les États-Unis estiment à environ 140 000 à 500 000 le nombre d’oiseaux tués par an par les éoliennes, contre 365 à 988 millions environ par les collisions avec des bâtiments et plus d’un milliard par les chats. Le problème se concentre sur certains sites : les rapaces à Altamont Pass en Californie et à Smøla en Norvège, où une étude a montré que peindre une pale en noir réduisait la mortalité des oiseaux d’environ 70 %. Les principales parades consistent à implanter les éoliennes loin des couloirs migratoires et à les arrêter quand un radar détecte des oiseaux.

Chauves-souris. Les chauves-souris sont plus vulnérables que les oiseaux. Les collisions et les variations de pression près des pales les tuent, surtout les espèces migratrices arboricoles lors des nuits calmes de fin d’été. Relever la vitesse de démarrage de 1,5 à 3 m/s pendant les périodes à risque réduit en général leur mortalité de moitié ou davantage, pour une perte d’énergie d’environ 1 % ou moins.

Bruit et impact visuel. Une éolienne moderne produit environ 35 à 45 dB(A) à 300–500 m, l’équivalent d’une pièce calme ou du bruit de fond rural la nuit. La plupart des juridictions fixent des distances minimales ou des limites de bruit. L’effet stroboscopique des ombres est maîtrisé par un arrêt automatique aux angles solaires critiques. Ce qui alimente la plus grande part de l’opposition locale et des retards d’autorisation, c’est la façon dont les éoliennes changent le paysage.

Impacts marins. Le battage des pieux en mer produit un bruit sous-marin intense qui peut nuire aux marsouins et aux phoques ; les rideaux de bulles et les restrictions saisonnières le réduisent. Les fondations jouent le rôle de récifs artificiels, et l’exclusion de la pêche peut profiter aux stocks de poissons, même si certaines pêcheries perdent l’accès à leurs zones.

Fin de vie et recyclage des pales. L’acier, la fonte et le cuivre sont recyclés à des taux élevés. Les pales posent plus de difficultés : une estimation souvent citée (Liu et Barlow, 2017) prévoit environ 43 millions de tonnes de déchets de pales dans le monde d’ici 2050. Les filières actuelles comprennent le co-traitement en cimenterie (où la fibre de verre remplace des matières premières), le broyage mécanique et la réutilisation dans des ponts ou des abris. Siemens Gamesa a lancé en 2021 une pale recyclable utilisant une résine que l’on peut dissoudre pour récupérer les fibres, et Vestas et d’autres commercialisent le recyclage chimique des pales en époxy existantes. L’Allemagne, les Pays-Bas, l’Autriche et la Finlande restreignent la mise en décharge des pales.

Perspectives

Les trajectoires zéro émission nette de l’AIE exigent de multiplier plusieurs fois la production éolienne d’ici 2050, l’éolien en mer devenant un pilier de l’approvisionnement en Europe, en Chine et en Asie de l’Est. Les éoliennes grandissent encore, même si les constructeurs occidentaux ont ralenti la course aux modèles toujours plus grands pour stabiliser leurs chaînes d’approvisionnement et leurs marges. Les problèmes difficiles sont la durée des procédures d’autorisation (souvent 5 à 10 ans en Europe), les files d’attente de raccordement, la capacité des ports et des navires pour l’éolien en mer, et le retour à la rentabilité après le choc des coûts de 2022–2023. L’éolien flottant, les centrales hybrides éolien-stockage, les onduleurs grid-forming qui fournissent une inertie synthétique et l’hydrogène vert produit à partir d’éolien indiquent la direction du développement. Pour comparer l’éolien aux autres sources en coût, en émissions et en usage des sols, consultez la comparaison des technologies et la présentation de l’énergie solaire.