Énergie éolienne au Canada

Contexte

Les moulins à vent et d’autres appareils rotatifs mus par l’énergie éolienne, plus précisément connus sous le nom de turbines éoliennes, servent à moudre le grain dès le 7^e siècle, et ils sont couramment utilisés à cette fin ainsi que pour pomper l’eau au Moyen Âge. Ces appareils sont apportés au Canada par les Français au 17^e siècle et ils sont couramment utilisés pour moudre le grain. Les navires utilisent des voiles depuis au moins 3000 à 4000 ans. Avant l’avènement des systèmes ruraux d’électrification, les turbines éoliennes sont également utilisées pour générer de l’électricité sur les fermes en Amérique du Nord, plus particulièrement celles des Prairies canadiennes. (Voir aussi Électricité.)

L’avantage des systèmes éoliens repose sur le fait qu’ils sont alimentés par une source d’énergie inépuisable qui n’a aucune autre utilisation concurrente, il n’y a donc aucun coût pour le carburant. (Voir aussi Ressources naturelles au Canada.) L’inconvénient est que les conditions du vent sont imprévisibles; elles sont sujettes à des rafales et apaisements, à des variations de force quotidiennes et saisonnières, et aux interactions avec les caractéristiques topographiques locales. Pour répondre à une demande constante comme l’éclairage et le chauffage de la communauté, un système éolien doit être intégré soit à d’autres sources d’énergie ou soit inclure un moyen d’emmagasinage d’énergie pour une utilisation durant les périodes calmes. Si la demande n’est pas continue (par exemple dans les systèmes d’approvisionnement agricoles ou le transport imprévu de l’eau), l’énergie éolienne peut être utilisée de manière très utile.

Le regain d’intérêt pour les systèmes de conversion d’énergie éolienne est le résultat de l’augmentation de la demande en énergie et le coût relativement élevé des sources d’énergie conventionnelles. Les nouveaux équipements de conversion d’énergie éolienne utilisent des caractéristiques aérodynamiques avancées, des conceptions structurelles modernes et de nouveaux matériaux nouveaux. Ce renouveau englobe non seulement les systèmes terrestres, mais également les applications marines commerciales. De nouvelles configurations de voiles sont conçues pour améliorer considérablement la performance des navires. Cependant, les efforts les plus importants sont concentrés sur la production d’énergie électrique terrestre à l’aide de turbines éoliennes à grande vitesse.

Le saviez-vous?
En 2022, l’énergie éolienne représentait 6,1 % de la production d’électricité du Canada.

Applications

Les régions du Canada où le potentiel de l’énergie éolienne est le plus prometteur sont celles où l’on trouve une coïncidence de sites, soit une bonne énergie éolienne et des consommateurs d’énergie à proximité. Une telle combinaison minimise la taille de la turbine éolienne pour une production donnée, le coût en capital du système de transport d’énergie requis et les pertes de transport associées. Au Canada, les régions de disponibilité maximale de l’énergie éolienne se trouvent généralement sur les côtes est et ouest, dans une partie située au nord du Manitoba et dans les parties sud de l’Alberta et de la Saskatchewan.

Le plus grand potentiel semble être la production d’électricité pour desservir les centres de population et les communautés rurales à proximité. Lorsque les circonstances le permettent, l’électricité est injectée dans les réseaux de distribution existants. Ce type de système est à l’essai par la Newfoundland and Labrador Hydro et la Saskatchewan Power Corporation. Des installations de pompage d’eau d’une assez grande capacité peuvent également être envisagées pour l’irrigation en Alberta et en Saskatchewan. Des cas spéciaux où l’énergie éolienne semble particulièrement appropriée se trouvent dans les régions très isolées où les coûts de l’énergie conventionnelle sont élevés, comme dans les communautés du Nord. Dans ces cas, les générateurs à turbines éoliennes seraient presque certainement combinés avec, par exemple, l’énergie de moteurs à combustion interne pour assurer une alimentation continue et fiable. L’autre solution, qui consiste à utiliser des éoliennes pour charger des batteries, semble trop coûteuse pour convenir à des installations de grande envergure. Des possibilités supplémentaires pour l’industrie canadienne pourraient découler de l’exportation d’éoliennes vers d’autres pays.

Les développements les plus récents dans les applications de l’énergie éolienne sont liés à la production d’énergie électrique. Cette utilisation découle de l’existence antérieure de réseaux de distribution électrique dans de nombreux domaines, ainsi que de la commodité générale et de la flexibilité de l’énergie électrique. Les utilisations directes de l’énergie mécanique produite par les éoliennes sont principalement destinées au pompage de l’eau. Présentement, les pompes à eau actionnées par les turbines éoliennes sont généralement de petites machines qui servent principalement à abreuver le bétail. Dans l’avenir, des appareils plus gros pourraient être conçus pour le pompage d’irrigation et pour d’autres applications. Une possibilité serait des systèmes de stockage par pompage dans lesquels l’eau pompée d’une faible élévation jusqu’à un réservoir à un niveau plus élevé pourrait refluer à travers une turbine hydroélectrique.

Caractéristiques des turbines

Différentes caractéristiques des turbines sont requises pour chaque type d’application. La plupart des génératrices électriques, ou alternateurs, ont tendance à exiger une vitesse de rotation relativement grande. Par conséquent, les turbines qui sont assez rapides, c’est-à-dire celles dont les extrémités du rotor se déplacent à une vitesse de 3 à 10 fois celle du vent, sont généralement préférables aux turbines lentes parce qu’elles nécessitent un engrenage moins complexe entre l’arbre de l’éolienne et l’induit de la génératrice. Une vitesse de fonctionnement lent est généralement préférable pour les éoliennes qui sont directement reliées à des pompes à eau ou à d’autres charges mécaniques. Une caractéristique frappante des éoliennes destinées à de grandes vitesses est la faible solidité du rotor, c’est-à-dire la très petite surface des pales comparativement à la surface totale projetée du rotor de l’éolienne. Les turbines à vitesse lente ont une solidité élevée (soit un petit nombre de pales relativement larges, soit un grand nombre de pales plus étroites).

Toutes les éoliennes modernes à grande vitesse et la plupart des éoliennes à vitesse faible intègrent des pales conçues selon les profils aérodynamiques. Certaines éoliennes à basse vitesse inefficaces dépendent d’un effet de traînée différentielle, comme un voilier à gréement carré. Ces observations s’appliquent de manière égale aux éoliennes dont l’axe de rotation est horizontal ou vertical.

Les éoliennes rapides dont l’axe de rotation est horizontal sont munies de deux ou trois pales et elles ressemblent à des hélices d’avion. Généralement, les pales de ces éoliennes sont à pas variable, ce qui leur permet de s’adapter automatiquement aux changements de vitesse du vent et de conserver ainsi un rendement optimal. Le rotor Darrieus, nommé en l’honneur de son inventeur, est l’éolienne rapide à axe vertical la plus répandue. On la surnomme également le « batteur à œufs » en raison de l’allure de son apparence caractéristique.

L’éolienne lente la plus répandue est l’éolienne à pales multiples et à axe horizontal, qu’on retrouve souvent sur les fermes. La turbine est habituellement reliée, par l’intermédiaire d’une manivelle, à une pompe à eau à mouvement alternatif. L’éolienne à « roue de vélo » et pales multiples lui ressemble, et elle constitue un exemple de turbine relativement lente utilisée pour la production d’électricité. Le rotor Savonius, qui porte le nom de son inventeur, est une conception simple à axe vertical faite de deux demi-cylindres et souvent utilisée pour le pompage de l’eau. Sur cette turbine, chacune des deux ou trois pales consiste en un demi-cylindre décalé radialement par rapport à l’axe de rotation. Cette conception repose en partie sur un effet de traînée pour fonctionner. Elle n’a donc pas une configuration très efficace, mais elle est relativement facile à construire.

Les avantages généraux des éoliennes sont l’absence totale de pollution atmosphérique ainsi qu’une grande efficacité de conversion d’énergie. Une éolienne bien conçue peut transformer de 60 % à 80 % de l’énergie cinétique transportée par le vent passant dans son rotor. Cependant, la faible densité d’énergie disponible dans le vent limite généralement la puissance à une plage qui se situe entre 0,1 kW/m² et 0,8 kW/m² (kilowatts par mètre carré) de la surface projetée du rotor. Le résultat est une machine de grande taille par rapport à son rendement; par exemple, le diamètre du rotor d’une éolienne qui produit 5 MW (mégawatts) (MW = 10⁶ W), un rendement élevé pour une éolienne, peut atteindre 100 m. Pour obtenir un rendement élevé et contourner le problème de dimension, plusieurs éoliennes sont regroupées dans ce qu’on appelle un parc éolien. Les variations de la vitesse du vent constituent un autre problème parce qu’elles provoquent des fluctuations importantes du rendement qui est à peu près proportionnel au cube de la vitesse du vent. De plus, tous les dispositifs de conversion de l’énergie éolienne entraînent des coûts supplémentaires, car ils doivent être en mesure de résister aux tempêtes.

L’énergie éolienne au Canada

À partir de 2020, l’Association canadienne de l’énergie renouvelable fait la promotion de l’utilisation de l’énergie éolienne, de l’énergie solaire et des solutions de stockage de l’énergie au Canada. Le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) encourage la recherche sur l’énergie éolienne depuis les années 1960. Durant les années 1980, le Canada construit la plus grande éolienne de type Darrieus au monde à Cap-Chat, sur la péninsule gaspésienne. Le projet Éole, une entreprise conjointe d’Hydro-Québec et du CNRC, permet d’ériger une éolienne de 110 m de haut au coût de 35 millions de dollars. Une éolienne de 230 kW, érigée aux Îles de la Madeleine au Québec, et la prédécesseure d’Éole. Elle a été construite par Indal Technologies Inc. de Mississauga en Ontario, qui développe ensuite une variante commerciale de 500 kW. Elle atteint l’échelle de plusieurs mégawatts, soit 4 MW, mais elle n’est pas exploitée très longtemps en raison de l’instabilité de ses pales. Des projets d’éoliennes au Canada, aux États-Unis et au Royaume-Uni continuent d’explorer le potentiel de l’énergie éolienne.