Le mythe des énergies vertes ou Tout faire pour ne pas agir

Que ne ferait-on pas pour éviter d’appliquer les seules mesures d’économie d’énergie et de ressources qui pourraient éviter la catastrophe écologique dans laquelle notre planète est bien engagée ! En effet, des véhicules individuels de plus en plus nombreux et plus gros encombrent les villes et les voies publiques, défoncent les routes et consomment de plus en plus de ressources non renouvelables ; les voyages en avion sont plus nombreux ; la quantité de contenants en plastique issus du pétrole ne cesse d’augmenter, qui remplissent les dépotoirs et forment des mini-continents dans les océans. Et ce n’est qu’une partie des problèmes ; car on pourrait aussi mentionner la coupe à blanc de nos forêts et la prédation de notre sous-sol par des compagnies étrangères, où parfois se profile la Chine avec force en plus de nos chers voisins¹,².

Mais, lançons plutôt de rutilants projets d’énergies « vertes » qui coûtent des dizaines de milliards de dollars ; couvrons les territoires de la planète, particulièrement les terres agricoles, de panneaux solaires et de gigantesques génératrices éoliennes inefficaces qui assurent de juteux profits à leurs fabricants et aux promoteurs. Parlons de développement « durable », comme si l’augmentation de la consommation et du gaspillage de ressources pouvait se poursuivre indéfiniment. Mobilisons certains universitaires en mal de subvention du type *Chaire de recherche du Canada* pour appuyer ces projets. Et surtout, ne nous embêtons pas avec les contradictions !

Une situation problématique

Les génératrices éoliennes ou aérogénérateurs se multiplient au Québec et ailleurs depuis près de 30 ans, grâce à de généreux contrats à diverses entreprises telles que Boralex, Innergex, Ganex, etc., en marge des responsabilités d’Hydro-Québec, notre formidable société nationale qui doit fournir l’énergie électrique à tout le Québec, pour tous les usages de façon efficace. Pendant de nombreuses années, l’installation de ces machines nous coûtant des milliards de dollars était largement inutile, vu que les surplus d’énergie étaient considérables³. Mais depuis tout récemment, la demande de puissance et d’énergie s’est envolée, particulièrement à cause de cadeaux faits à des entreprises étrangères qui s’installent ici, à des contrats de vente aux États-Unis et à l’installation de quelque 50 centres de données informatiques TRÈS énergivores, dont plus de 80 % appartenant à des entreprises d’ailleurs (parties des GAFAM) qui viennent bénéficier de tarifs très avantageux à nos dépens⁴.

C’est ainsi que le Projet éolien Arthabaska au Centre-du-Québec, ÉTS Canada en Mauricie, et d’autres multiplient les démarches de toutes sortes afin de réussir à implanter des centaines d’aérogénérateurs supplémentaires par de profitables contrats de fourniture avec Hydro-Québec. Dans le cas d’ÉTS Canada, il s’agirait principalement d’utiliser cette énergie électrique pour produire de l’hydrogène comme combustible pour les transports, ce qui est extrêmement inefficace d’après la plupart des spécialistes. Après avoir investi près de 100 millions d’euros, « La société d’État allemande qui avait lancé en 2022 la première ligne ferroviaire fonctionnant entièrement à l’hydrogène dans le monde ne croit plus en cette technologie⁵ ». Il est désolant de constater que certains de nos universitaires s’en font les promoteurs dans l’ambiance du programme « Chaires de recherche du Canada » qui dicte ses conditions.

En avril 2018, on apprenait que « Les quatre millions de clients d’Hydro-Québec devront absorber une facture de 23 milliards de $ d’ici 2042 pour les parcs éoliens qui existent déjà⁶ ». Ces chiffres ont été révélés pour la première fois par Hydro-Québec, au lendemain de l’annonce de la nouvelle politique énergétique du gouvernement. On révélait encore que « le coût de 39 contrats éoliens déjà effectifs et qui a été progressivement indexé depuis 2006 laissera sa trace sur la facture d’hydroélectricité des Québécois pour encore plus de 25 ans ». « Selon Youri Chassin, économiste en chef de l’Institut économique de Montréal (en 2016 ; maintenant député de Saint-Jérôme à l’Assemblée nationale), ce fut une aberration de subventionner avec les tarifs d’électricité l’énergie éolienne, une énergie dont on n’avait pas besoin puisqu’on était en situation de surplus au Québec ». Avec les nouveaux projets d’Hydro-Québec comme celui qui vient d’être lancé au Lac-Saint-Jean, l’endettement sera fabuleux : « Le premier mégaparc éolien d’Hydro-Québec sera construit dans la région de Chamouchouane, au Saguenay–Lac-Saint-Jean, avec trois actionnaires locaux qui en seront actionnaires à 50 %. Il aura 3000 mégawatts de capacité et nécessitera des investissements estimés à 9 milliards⁷. ». Tout ça pour éviter de prendre les moyens efficaces de réduire la consommation d’énergie dans tous les domaines.

De sérieuses questions d’efficacité

Quand on regarde l’évolution des éoliennes ou aérogénérateurs au cours des trente dernières années, un scientifique peut certainement s’interroger sur la fonctionnalité et le rendement de ces appareils gigantesques qui ont parfois des rotors ou hélices ayant plus de 150 mètres de diamètre qui tournent lentement, et dont les trois pales sont d’une finesse remarquable (figure 1). On imagine facilement que la plus grande partie de l’air qui traverse le rotor n’agit pas sur les pales : facilement plus de 90 %. On peut ainsi se poser la question suivante : quelle peut être l’efficacité de ces machines ou quelle fraction de la puissance du vent qui traverse l’hélice est effectivement convertie en énergie mécanique, puis électrique ?

Leur coût de fabrication est énorme, avec une durée de vie d’une vingtaine d’années, à condition d’entretien régulier. De plus, elles sont parfois bruyantes, dégradent le paysage et leur installation fait disparaitre de précieuses terres agricoles.

Des machines démesurées…

Les pales d’éoliennes atteignent actuellement des dimensions et des poids qui font sursauter, comme celles-ci transbordées récemment en Gaspésie : « 107 mètres et 110 tonnes, il s’agit des plus grandes et des plus lourdes pales d’éoliennes fabriquées en Amérique du Nord⁸ ». En pratique, la vitesse de rotation de la plupart des éoliennes est limitée à 20 tours/minute, car la vitesse en bout de pale doit rester bien inférieure à la vitesse du son (figure 1). Donc une période de rotation de 3 secondes/tour. D’où la lenteur apparente de rotation.

Vu le gigantisme de la machine, la vitesse au bout des pales dans ce cas est tout de même de 806 km/h, alors que la vitesse du son est d’environ 1240 km/h !#160;! Donc, une pale prend la place de la précédente en 1 seconde. Or, pendant presque tout ce temps, vu la finesse des pales la plus grande partie du vent traverse le plan de l’hélice sans agir sur les pales, ce qui est assez évident !#160;! Facilement plus de 90 %. Ce fait est illustré dans la figure 1 où les surfaces ombrées d’une ouverture de 12o représentent au total 10 % de la surface de la turbine. On voit ainsi que la surface totale d’interception des pales est inférieure à 10 %.

Un autre fait qui est assez plausible pour tous est que si on pouvait porter à 6 ou 9 le nombre de pales, la puissance captée serait à peu près doublée ou triplée !#160;! Mais cela est mécaniquement impossible à cause des dimensions de ces machines qui doivent être énormes pour arriver à produire une puissance appréciable.

Une expérience simple

Toutefois, une simple expérience que tous peuvent faire permet de le vérifier à petite échelle. Imaginons une hélice jouet avec trois pales fines, communément appelée vire-vent, de même forme qu’une éolienne, qui tourne librement autour d’un axe, face au vent de vitesse v. On sait que l’hélice commence à tourner dès que le vent souffle et que la vitesse augmente proportionnellement à la vitesse du vent et peut devenir très grande selon l’inclinaison des pales et leur profil. On sait aussi qu’en appliquant une force de freinage F croissante à la main, l’hélice tournera de moins en moins vite et cessera de tourner pour une certaine valeur du freinage qui augmente avec la vitesse du vent. Maintenant, ne peut-on pas imaginer que si le nombre de pales identiques du vire-vent était doublé, la force de freinage devrait être à peu près doublée pour maintenir la même vitesse de rotation avec la même vitesse du vent ? La puissance fournie par cette hélice devrait donc être environ 2 fois plus grande… Si le nombre de pales était triplé, à 9, la puissance ne devrait-elle pas être à peu près triplée ? Or, les mêmes lois de la mécanique des fluides s’appliquent à TOUTES ces machines, quelles que soient leurs dimensions.

La puissance nominale d’une éolienne

Il existe dans pratiquement tous les documents consultés une incroyable ambiguïté en pratique dans la façon de donner la puissance d’une éolienne : on se contente généralement de donner une puissance impressionnante en mégawatts (MW), mais sans souvent préciser la vitesse du vent requise ni le diamètre du rotor et autres conditions !#160;! Or, on sait que la puissance P du vent (énergie cinétique par seconde) dépend de sa vitesse v incidente sur la surface S du rotor qui est donnée par une expression simple qui fait intervenir la densité de l’air, la surface S et le cube de la vitesse. De plus, les lois de la mécanique des fluides imposent une limite à la conversion de cette puissance en puissance mécanique fournie à la génératrice électrique associée. C’est « la limite de Betz », qui indique que la puissance maximale développée théoriquement par une éolienne avec un très grand nombre de pales est égale à 16/27 (environ 59 %) de la puissance du vent qui traverse l’éolienne. Cette limite ne peut être dérivée qu’à la suite d’une longue analyse théorique permettant de déterminer le nombre optimal de pales, leur forme, leur profil et leur surface. On démontre qu’elle s’exprime comme suit dans des conditions moyennes : Pm = 0,355 S v3 watts, où S est en m2 et v en m/s.

Ainsi, la puissance mécanique d’une éolienne idéale sera toujours au maximum 59 % de la puissance du vent sur la surface de l’hélice. Elle dépend nécessairement du nombre de pales, de leur surface et de leur profil, d’une façon complexe qui est rarement explicitée. Une éolienne réelle produira donc toujours moins, même beaucoup moins que 59 % de la puissance du vent incident sur le rotor à cause de la finesse des pales. En se référant à la figure 1, on ne peut logiquement conclure que le rendement effectif pourrait être inférieur à 5 % à cause de la faible surface d’interception des pales.

C’est ainsi que selon de nombreuses publications, une éolienne idéale, qui aurait plusieurs pales de 100 m de longueur, une surface de rotor S de 31 400 m2, avec un vent de 40 km/h (11,11 m/s) devrait fournir une puissance mécanique maximale de 15,3 MW selon la formule mentionnée. La question qui se pose : qu’en est-il en réalité avec ces éoliennes gigantesques à trois pales seulement ? D’après le raisonnement précédent, elle devrait être plutôt de l’ordre de 0,765 MW. Or, dans les innombrables publications faisant la promotion ou la compilation des éoliennes, ces conditions essentielles sont très rarement mentionnées. On se contente généralement de donner une puissance en mégawatts (MW), souvent sans préciser la vitesse du vent, sans plus, et c’est impressionnant. Sans préciser si cette puissance a été effectivement mesurée pour une vitesse de vent donnée.

Encore plus singulier dans une publication scientifique où on trouve un tableau des caractéristiques pour diverses machines avec diamètre et vitesse du vent, la puissance correspondante est erronée⁹. Pour une éolienne avec un diamètre de 149 m, on inscrit une puissance de 5,7 MW avec un vent de 7,2 m/s, alors que la puissance idéale calculée est seulement de 2,31 MW, et qu’en réalité elle est plus probablement de l’ordre de 0,5 MW ou moins si elle était effectivement mesurée !#160;! Une première évidence basée sur la théorie est que si le nombre de pales était doublé, la puissance produite devrait être environ deux fois plus grande. Or, bien sûr, des pales d’une telle longueur et d’une telle masse ne peuvent pas être doublées. C’est bien là un problème évident de mécanique.

Alors, la question qui se pose tout naturellement après cette conclusion qui semble plausible est celle-ci : comment les éoliennes installées actuellement qui ont seulement trois pales fines peuvent-elles produire la puissance maximale prédite par la théorie dont la valeur est donnée par la formule évoquée plus haut qui est rigoureuse et qui s’applique si le nombre de pales est théoriquement très élevé ? En première approximation, ne pourrait-on pas dire que si près de 90 % du vent passe à travers la turbine sans exercer d’action sur les pales, il est impossible que l’éolienne transforme en énergie mécanique plus de 10 % de l’énergie cinétique du vent si la surface totale des pales est moins de 10 % de la surface de l’hélice ? Il y a là un étonnant paradoxe, auquel personne ne semble donner une réponse… La puissance nominale des éoliennes spécifiée dans les publications le moindrement documentées semble essentiellement celle donnée par la formule mentionnée qui tient compte de la limite de Betz, sans préciser la surface et la vitesse du vent¹⁰, ce qui est vraiment étonnant. Même dans une publication de Alexander Kalmikov du prestigieux M.I.T. la question est passée sous silence¹¹. Alors, parmi les questions qui se posent, ne pourrait-on pas concevoir et réaliser des éoliennes plus petites et relativement plus efficaces ?

Une éolienne plus efficace?

On peut penser à une éolienne qui serait plus petite pour la même puissance électrique moyenne produite, grâce à des pales de grande surface et plus nombreuses. Une machine de fabrication plus simple à un coût sans doute inférieur. Les fermes d’autrefois étaient souvent équipées de turbines éoliennes avec une dizaine de pales servant à pomper l’eau. La figure 2 montre schématiquement la configuration essentielle de cette turbine à 8 pales réorientables automatiquement au moyen du mouvement axial de l’anneau fixé aux barres 1, 2, 3…8. L’inclinaison des pales en matériaux composites, robustes et flexibles, s’adapterait automatiquement à la vitesse du vent pour fournir une puissance maximale se rapprochant de la valeur théorique : elle est désignée comme une éolienne basse.

L’inclinaison du sommet des pales est variable automatiquement selon la vitesse du vent par un mouvement axial de l’ensemble de la couronne A et des 8 barres qui produit une torsion des pales déterminée par un dispositif électronique de commande pour maximiser la puissance captée : A et B s’écartent avec l’augmentation de la vitesse du vent. L’inclinaison des pales sur l’axe serait fixe et d’environ 45 degrés. Des mécanismes probablement simples et robustes peuvent sans doute produire ces mouvements d’une façon optimale, selon la vitesse du vent. Ce type de turbine entrerait en rotation et fournirait de l’énergie pour une vitesse de vent beaucoup plus faible que celle requise pour les éoliennes actuelles pour le même diamètre. On peut imaginer qu’avec une bonne conception le rendement pourrait approcher 90 % de la limite théorique de Betz, soit environ 9 fois celui de nos grandes éoliennes.

Imaginons une telle turbine, avec un diamètre de seulement 5 mètres, soit une surface de 19,6 m2 dans un vent de 40 km/h (11,1 m/s). Vu la grande surface des pales, son rendement pourrait peut-être atteindre 90 % de la limite de Betz. Dans ce cas, la puissance mécanique maximale que le système produirait selon l’expression classique mentionnée plus haut serait égale à 8,56 kW. C’est la puissance qui alimente six grands éléments de cuisinière électrique…

Conclusion

Bien sûr, ces commentaires auraient besoin d’un plus long développement pour y apporter une réponse mathématique rigoureuse. Il faudrait évidemment qu’un bon travail d’ingénierie et qu’un prototype soient réalisés permettant des mesures afin de déterminer l’intérêt économique et énergétique que peut présenter l’éolienne basse décrite sommairement ici. De tels appareils seraient sans doute surtout utiles dans de petits établissements isolés, loin des réseaux électriques, vu leurs dimensions et haut rendement.

Mais il importe de savoir qu’aucun parc d’éoliennes ni complexe photovoltaïque produisant de l’énergie supposée « verte » ne permettra d’éviter la catastrophe écologique si on ne réduit pas RADICALEMENT la quantité d’énergie et de ressources consommées chaque année sur la planète. De même pour le mode de vie et de consommation en général…

En se souvenant que l’énergie la plus écologique et la moins chère est celle qu’on ne consomme pas !

Bibliographie

Aérodynamique des éoliennes, https ://energieplus-lesite.be/theories/eolien8/aerodynamique-deseoliennes/

https ://www.energy.gov/eere/wind/how-wind-turbine-works-text-version

Théorie de l’élément de pale couplée à la théorie de Froude relative aux hélices motrices éoliennes et aéromoteurs – https ://heliciel.com/helice/calcul-heliceaile/Theorie %20element %20de %20pale %20relative %20aux %20helices %20captrice %20motrices.htm# :~ : text=La %20 %22BEM %22 %20(Blade %20element,le %20long %20de %20la %20pale.

Fluid Dynamics Simulation of an NREL-S Series Wind Turbine Blade https ://www.intechopen.com/online-first/83716

Wind Turbine Blade Design Review – https ://core.ac.uk/download/pdf/211500881.pdf https ://grandslabours.blogspot.com/2021/11/la-catastrophe-autour-dun-graphique.html

* Ingénieur physicien et professeur retraité. Université du Québec à Trois-Rivières.