Physique appliquée
et parc éolien

TRADUCTION DE L’ARTICLE

L'article publié (www.environment.harvard.edu/news/down-side-wind-power) est consutable dans sa version d'origine en anglais

Les recherches dirigées par David Keith montrent que les parcs éoliens ont un impact environnemental plus important qu'on ne le pensait.

Par Leah Burrows, SEAS Communications

En matière de production d'énergie, il n'existe malheureusement pas de solution totalement dépourvue de contreparties.

Alors que le monde commence à opérer une transition à grande échelle vers des sources d'énergie bas carbone, il est essentiel de bien comprendre les avantages et les inconvénients de chacune d'entre elles et de prendre en considération les impacts environnementaux des énergies renouvelables, aussi faibles soient-ils en comparaison avec ceux du charbon et du gaz.

Dans deux articles — publiés aujourd'hui dans les revues Environmental Research Letters et Joule — des chercheurs de l'Université Harvard constatent que la transition vers l'énergie éolienne ou solaire aux États-Unis nécessiterait cinq à vingt fois plus de superficie que ce qui avait été précédemment estimé et que, si des parcs éoliens d'une telle ampleur étaient construits, ils entraîneraient une augmentation de 0.24 °C de la température moyenne de surface sur le territoire continental des États-Unis.

« L'éolien est préférable au charbon selon pratiquement tous les critères environnementaux, mais cela ne signifie pas que ses impacts sont négligeables », a déclaré David Keith, professeur Gordon McKay de physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et auteur principal des articles. « Nous devons rapidement abandonner les combustibles fossiles afin de stopper les émissions de carbone. Ce faisant, nous devons choisir entre différentes technologies bas carbone, qui ont toutes certains impacts sociaux et environnementaux. »

David Keith est également professeur de politique publique à la Harvard Kennedy School.

L'une des premières étapes pour comprendre l'impact environnemental des technologies renouvelables consiste à déterminer quelle superficie de terrain serait nécessaire pour répondre aux futurs besoins énergétiques des États-Unis. Même en partant des besoins énergétiques actuels, la superficie des terrains et les densités de puissance correspondantes font depuis longtemps l'objet de débats parmi les experts de l'énergie.

Dans des recherches antérieures, Keith et ses coauteurs avaient modélisé la capacité de production de grands parcs éoliens et conclu que la production réelle d'électricité éolienne avait été surestimée, parce qu'ils n'avaient pas correctement pris en compte les interactions entre les éoliennes et l'atmosphère.

« Les impacts climatiques directs de l'énergie éolienne sont immédiats, tandis que les bénéfices liés à la réduction des émissions s'accumulent lentement. » — David Keith

Dans une étude publiée en 2013, Keith expliquait que chaque éolienne crée derrière elle une « ombre de vent », c'est-à-dire une zone dans laquelle l'air est ralenti par les pales de l'éolienne. Les parcs éoliens commerciaux actuels espacent soigneusement les éoliennes afin de réduire l'impact de ces ombres de vent. Toutefois, compte tenu de la perspective d'une expansion continue des parcs éoliens à mesure que la demande d'électricité d'origine éolienne augmente, les interactions entre les éoliennes et l'atmosphère, ainsi que les impacts climatiques qui leur sont associés, ne peuvent être évités.

Ce qui manquait cependant à ces recherches antérieures, c'étaient des observations permettant de valider les modèles. Quelques mois auparavant, l'U.S. Geological Survey avait publié les emplacements de 57 636 éoliennes réparties aux États-Unis. À partir de cet ensemble de données, combiné à plusieurs autres bases de données du gouvernement

américain, Keith et le chercheur postdoctoral Lee Miller ont pu quantifier la densité de puissance de 411 parcs éoliens et de 1 150 installations photovoltaïques solaires en fonctionnement aux États-Unis en 2016.

« Pour l'éolien, nous avons constaté que la densité moyenne de puissance — c'est-à-dire le taux de production d'énergie rapporté à la superficie totale du parc éolien — était jusqu'à 100 fois inférieure aux estimations de certains grands experts de l'énergie », a déclaré Miller, premier auteur des deux articles. « La plupart de ces estimations ne tenaient pas compte des interactions entre les éoliennes et l'atmosphère. Pour une éolienne isolée, ces interactions sont tout à fait négligeables, mais une fois que les parcs éoliens s'étendent sur plus de cinq à dix kilomètres, ces interactions ont un impact majeur sur la densité de puissance. »

Les densités de puissance éolienne déterminées à partir des observations sont également nettement inférieures à d'importantes estimations du département américain de l'Énergie et du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC).

Pour l'énergie solaire, la densité moyenne de puissance (mesurée en watts par mètre carré) est dix fois supérieure à celle de l'énergie éolienne, mais elle reste également très inférieure aux estimations des principaux experts de l'énergie.

Cette recherche suggère que les parcs éoliens nécessiteront non seulement davantage de terrains pour atteindre les objectifs proposés en matière d'énergies renouvelables, mais qu'à une telle échelle ils deviendraient également un acteur à part entière du système climatique.

La question suivante, étudiée dans la revue Joule, était donc de déterminer comment des parcs éoliens d'une telle ampleur pourraient modifier le système climatique.

« Si votre perspective est celle des dix prochaines années, l'énergie éolienne a en réalité — à certains égards — davantage d'impact climatique que le charbon ou le gaz. Si votre perspective est celle des mille prochaines années, alors l'énergie éolienne a un impact climatique immensément plus faible que le charbon ou le gaz. » — David Keith

Pour estimer les impacts de l'énergie éolienne, Keith et Miller ont établi une situation de référence du climat américain pour la période 2012-2014, à l'aide d'un modèle standard de prévision météorologique. Ils ont ensuite couvert un tiers du territoire continental des États-Unis avec suffisamment d'éoliennes pour satisfaire la demande actuelle d'électricité des États-Unis.

Les chercheurs ont constaté que, dans ce scénario, la température de surface du territoire continental des États-Unis augmenterait de 0,24 °C, les changements les plus importants se produisant durant la nuit, lorsque les températures de surface augmenteraient jusqu'à 1,5 °C.

Ce réchauffement résulte du fait que les éoliennes mélangent activement l'atmosphère près du sol et dans les couches supérieures, tout en extrayant simultanément de l'énergie du mouvement de l'atmosphère.

Cette recherche vient conforter plus de dix autres études ayant observé un réchauffement à proximité de parcs éoliens américains en fonctionnement. Miller et Keith ont comparé leurs simulations à des études d'observation fondées sur des données satellitaires dans le nord du Texas et ont constaté des augmentations de température globalement cohérentes.

Miller et Keith soulignent cependant qu'il est peu probable que les États-Unis produisent réellement autant d'énergie éolienne que dans leur scénario de simulation. Néanmoins, un réchauffement localisé apparaît même dans des scénarios beaucoup plus modestes.

La question qui se pose alors est de déterminer à quel moment les bénéfices croissants de la réduction des émissions deviennent à peu près équivalents aux impacts quasi immédiats de l'énergie éolienne.

Les chercheurs de Harvard ont constaté que l'effet de réchauffement des éoliennes sur le territoire continental des États-Unis était en réalité supérieur à l'effet de la réduction des émissions pendant le premier siècle d'exploitation.

Cela s'explique par le fait que l'effet de réchauffement est principalement localisé au niveau du parc éolien, tandis que les concentrations de gaz à effet de serre doivent être réduites à l'échelle mondiale avant que les bénéfices de cette réduction ne se manifestent.

Miller et Keith ont effectué le même calcul pour l'énergie solaire et ont constaté que ses impacts climatiques étaient environ dix fois plus faibles que ceux de l'énergie éolienne.

« Les impacts climatiques directs de l'énergie éolienne sont immédiats, tandis que les bénéfices liés à la réduction des émissions s'accumulent lentement », a déclaré Keith. « Si votre perspective est celle des dix prochaines années, l'énergie éolienne a en réalité — à certains égards — davantage d'impact climatique que le charbon ou le gaz. Si votre perspective est celle des mille prochaines années, alors l'énergie éolienne a un impact climatique immensément plus faible que le charbon ou le gaz. »

Il poursuit : « Ce travail ne doit pas être considéré comme une critique fondamentale de l'énergie éolienne. Certains des impacts climatiques de l'éolien seront bénéfiques — plusieurs études mondiales montrent que l'énergie éolienne refroidit les régions polaires. Ce travail doit plutôt être considéré comme une première étape visant à prendre plus au sérieux l'évaluation de ces impacts pour l'ensemble des énergies renouvelables. Nous espérons que notre étude, associée aux observations directes récentes, constituera un tournant, à partir duquel les impacts climatiques de l'énergie éolienne commenceront à être sérieusement pris en compte dans les décisions stratégiques relatives à la décarbonation du système énergétique. »

Cette recherche a été financée par le Fund for Innovative Climate and Energy Research.

Mécanisme physique : Le brassage de l'air

Contrairement aux gaz à effet de serre qui piègent la chaleur mondiale dans l'atmosphère, les éoliennes agissent mécaniquement sur le climat local. Les pales ralentissent le vent et créent des turbulences. Ce faisant, elles mélangent les couches d'air : elles poussent l'air plus chaud situé en altitude vers le sol et font remonter l'air plus frais.