Le développement de l´éolien maritime dans la partie allemande de la Mer du Nord tributaire de l’effet de sillage

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Le développement des parcs éoliens maritimes constitue l’une des priorités en Allemagne pour promouvoir les énergies renouvelables. Fin 2019, la puissance installée s´élève à environ 7,5 GW (Mer du Nord et Mer Baltique) selon /1/.  L’objectif de développement des éoliennes maritimes a été porté de 15 à 20 GW en 2030 avec l´adoption du programme de protection du climat 2030 (Klimaschutzprogramm 2030) en octobre 2019.

Les différents scénarios prévoient une puissance nominale de 45 à 70 GW dans la partie allemande (Baie Allemande) de la Mer du Nord d’ici 2050. Avec une production d’électricité de 180 à 280 TWh, cela devrait permettre de couvrir entre un tiers et la moitié de la consommation actuelle d’électricité.

Une étude publiée par le think tank Agora Energiewende en mars 2020 /2/ conclut que les parcs éoliens allemands devraient être construits non seulement dans la Baie Allemande mais aussi dans des zones plus éloignées, autrement le facteur de charge pourrait baisser de 15 % à 20 % à cause de l’effet de sillage.

Fig 1 Wake effect_1
Figure 1 : Effets de sillages sur un parc éolien en Mer du Nord /3/

A l’arrière d’une éolienne, un sillage se développe (voir figure 1) et la vitesse moyenne du vent est diminuée entrainant notamment une baisse de production des éoliennes environnantes.

L’effet de sillage est plus important pour les éoliennes maritimes que sur terre suite à la densité de puissance nominale prospectée beaucoup plus élevée (la densité de puissance prospectée est de l’ordre de 10 MW par km² en mer contre moins de 0,5 MW par km2 en moyenne en 2018 sur terre) et des turbulences atmosphériques plus fortes sur terre entraînent une meilleure récupération de l’énergie qu´en mer /2/.

Le développement des parcs éoliens terrestres et maritimes constitue l’une des priorités

Les objectifs de l´Allemagne de réduction de gaz à effet de serre nécessitent un développement massif des énergies renouvelables dont le développement des parcs éoliens terrestres et maritimes constitue l’une des priorités.

Selon les différentes hypothèses /2/, notamment en tenant compte des besoins futurs en hydrogène, la production annuelle totale d’électricité à partir de l’énergie éolienne en 2050 pourrait se situer entre 470 et 750 TWh. Cela signifie une multiplication d´un facteur 4 à 6 par rapport à la production en 2019. Sur cette quantité, 220 à 520 TWh pourraient être produits par l’éolien terrestre, et 180 à 280 TWh par l’éolien maritime (voir figure 2).Fig 2 Potential

Figure 2 : Besoins futurs de la production annuelle d’électricité à partir de l’énergie éolienne

Analyse de l´effet de sillage sur le développement de l’éolien maritime dans la Baie Allemande de la Mer du Nord

Dans une récente étude « Making the Most of Offshore Wind – Re-Evaluating the Potential of Offshore Wind in the German North Sea » /2/, commandée par le think tank Agora Energiewende et réalisée par l’Université technique du Danemark et l’Institut Max Planck de biogéochimie, une analyse de l’effet de sillage sur le développement de l´éolien maritime dans la Baie Allemande (Deutsche Bucht), a été effectuée sur la base de modèles de simulation.

La figure 3 montre la Baie Allemande (zone bleue) avec des parcs d´éoliennes maritimes dans la zone 1 (2767 km²) proche du rivage (vert) et des parcs prospectés dans la zone 2 (4473 km²) plus lointaine (rose). La surface et le périmètre sont indiqués pour chaque parc.

Fig 3 Deutsche Bucht_1
Figure 3 : Baie Allemande en Mer du Nord – surface et périmètre de chaque parc d´éoliennes construit ou envisagé /2/

Les études menées par différentes organisations /2/ prévoient une puissance nominale d´éoliennes maritimes de 45 à 70 GW dans la Baie Allemande à l´horizon de 2050.

L´effet de sillage a été évalué pour différents scénarios de puissances nominales dans la Baie Allemande.  Sous l´hypothèse de caractéristiques d’une éolienne de 12 MW et différentes densités de puissance nominale installée, allant de 5 MW/km2 à 20 MW/km2, on obtient une fourchette de puissance totale possible entre 14 GW et 145 GW, ce qui correspond à un total d’environ 1 200 à 12 000 éoliennes de 12 MW chacune.

L´effet de sillage a été obtenu à partir de deux modèles de simulation : l´une « KEBA » (Kinetic Energy Budget of the Atmosphere) est simple et rapide, et l´autre « WRF » (Weather Research and Forecast model) est très complexe et nécessite une grande puissance de calcul pour effectuer les simulations. Néanmoins, les deux modèles montrent un niveau de concordance remarquable dans le degré global de réduction des rendements suite au sillage.

La figure 4 montre à titre d´exemple les résultats pour la zone 1 (2767 km2) et la zone 1 + 2 (7240 km2) obtenus par le modèle de simulation « KEBA ».

Fig 4 Ausbeute
Figure 4 Résultats de simulation de l´effet de sillage obtenus par le modèle « KEBA » (Kinetic Energy Budget of the Atmosphere)

Actuellement 6,5 GW sont installés dans la Baie Allemande de la Mer du Nord et environ 1 GW en Mer Baltique /1/. Le nombre d´heures équivalent pleine puissance des éoliennes maritimes se situait autour de 3600 h en 2019.

Pour une densité de puissance prospectée de l’ordre de 10 MW par km² ce qui correspond à 28 GW d´éoliennes installées sur la zone 1 (~ 2 800 km²), le rendement tomberait à environ 3 450 heures équivalentes pleine puissance soit une production annuelle d’électricité à près de 100 TWh de. La puissance prospectée de 72 GW sur les zones 1 et 2 (~7 200 km²), correspondant également à une densité de 10 MW par km², réduirait le nombre d´heures équivalentes pleine puissance à environ 3 000 heures par an, soit une production annuelle d’électricité à près de 220 TWh.

La capacité supplémentaire de 44 GW n´ajouterait que 120 TWh aux 100 TWh produits par les 28 GW. On est donc loin des quelque 260 TWh par an que l´on pourrait espérer d´une puissance nominale de 72 GW et en admettant le nombre d´heures équivalent pleine puissance actuellement observé dans la Baie Allemande.

Conclusion

En tenant compte des besoins de la production d’électricité à partir des éoliennes maritimes allant de 180 à 280 TWh à l´horizon de 2050, l´étude conclut que l’effet de sillage pourrait avoir un impact significatif sur le nombre d’heures équivalent pleine puissance et doit donc être pris en compte pour la planification future.

Les auteurs de l´étude proposent d´étendre l’installation des parcs supplémentaires d´éoliennes maritimes sur une plus grande surface en coopération avec les pays voisins de l’Allemagne. Ils préconisent en outre d’étudier plus en détail des effets locaux de sillage qui pourraient être non-négligeables sur les facteurs de charge des parcs d’éoliennes terrestres et maritimes.

Références

/ 1 / Deutsche Windguard (2020) Status des Offshore Windenergieausbaus in Deutschland, Jahr 2019, en ligne : https://www.windguard.de/jahr-2019.html

/2/ Agora Energiewende, Agora Verkehrswende, Technical University of Denmark and Max-Planck-Institute for Biogeochemistry (2020): Making the Most of Offshore Wind: Re-Evaluating the Potential of Offshore Wind in the German North Sea, en ligne : https://www.agora-energiewende.de/fileadmin2/Projekte/2019/Offshore_Potentials/176_A-EW_A-VW_Offshore-Potentials_Publication_WEB.pdf

/3/ BSH (2018) Anhörungstermin zum Vorentwurf des Flächenentwicklungsplans, den Entwürfen der Untersuchungsrahmen und der Stellungnahme der Übertragungsnetzbetreiber, Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, en ligne : https://www.bsh.de/DE/THEMEN/Offshore/Meeresfachplanung/Flaechenentwicklungsplan/_Anlagen/Downloads/Erste_KR/Flaechenentwicklungsplan_2019_Praesentation_Anhoerungstermin.pdf?__blob=publicationFile&v=5