Après un début chancelant, l’énergie éolienne aéroportée décolle lentement

Levez les yeux sur les plages de sable blanc de l’île Maurice et vous apercevrez peut-être une gigantesque voile, un peu comme celle utilisée par les parapentistes ou les kitesurfeurs, mais de la taille d’un appartement de trois chambres, en forme de huit au-dessus de la tête. La voile n’est pas une attraction touristique – elle crée de l’électricité pour le réseau électrique de cette nation insulaire au large des côtes de l’Afrique de l’Est.

Lancée en décembre par la société allemande SkySails Power, l’aile massive est le premier système « d’énergie éolienne aéroportée » (AWE) commercial entièrement autonome au monde. Au cours des deux derniers mois, selon la société, elle a livré un peu moins que son objectif de 100 kilowatts, ce qui est généralement suffisant pour alimenter jusqu’à 50 foyers. Ce n’est qu’une infime partie de la demande d’électricité de l’île, mais, espère SkySails, c’est un signe de l’avenir.

Alors que le monde se dirige vers des émissions nettes nulles, presque toutes les voies de production future d’électricité prévoient un rôle important pour le vent. L’Association internationale de l’énergie prévoit une multiplication par 11 de l’énergie éolienne d’ici 2050, l’éolien et le solaire représentant ensemble 70 % de la demande d’électricité de la planète. Grâce au nombre croissant d’éoliennes parsemant les champs et ornant les crêtes dans le monde entier, le coût de l’énergie éolienne a chuté d’environ 40 % au cours de la dernière décennie.

Mais certains experts disent que ces turbines massives ne sont pas toujours la meilleure solution – elles peuvent être coûteuses ou logistiquement impossibles à installer dans des endroits éloignés ou en eaux profondes, et ne peuvent tout simplement pas atteindre les hauteurs élevées où le vent souffle le plus fort. Pour récolter ces spots, la clé peut être de faire voler un cerf-volant. Des dizaines d’entreprises et une poignée d’établissements universitaires étudient actuellement une pléthore d’options aéroportées. Celles-ci vont des ailes souples qui convertissent le remorqueur et tirent sur la ligne d’un cerf-volant en énergie utile, à des engins rigides complexes qui transportent des turbines et des générateurs à bord et transportent l’électricité vers le bas.

Les défenseurs envisagent des parcs éoliens hébergeant des centaines de cerfs-volants attachés à des barges dans les eaux profondes loin au large.

Les systèmes aéroportés présentent certains avantages clés, déclare Lorenzo Fagiano, ingénieur à l’Université polytechnique de Milan et membre du conseil d’administration de l’association industrielle Airborne Wind Europe, fondée en 2019. Dans certains pays, les terrains propices aux parcs éoliens se raréfient : les fermes ont généralement besoin de 71 acres pour générer un mégawatt, contre 12 acres pour une centrale à combustible fossile, et les emplacements idéaux finiront par manquer. « Les premières fermes sont dans les meilleurs endroits, et les meilleurs endroits sont limités », explique Cristina Archer, directrice du Center for Research in Wind (CReW) à l’Université du Delaware.

De plus, en général, plus vous montez, plus le vent est rapide. « Pour une double augmentation de la vitesse du vent, c’est huit fois la puissance », explique Fagiano. Un système aérien peut atteindre jusqu’à 800 mètres de haut (un demi-mile), bien au-dessus de la pointe de 200 à 300 mètres des éoliennes les plus hautes. La limite mondiale théorique de l’énergie éolienne à haute altitude a été estimée à environ 4,5 fois supérieure à ce qui pourrait être récolté au niveau du sol.

C’est relativement bon marché et facile d’amener une aile dans un endroit éloigné, ajoute Fagiano ; ces systèmes sont livrés dans un conteneur et peuvent être déposés partout où il y a une route ou un quai. Ils peuvent également être attachés à une barge ancrée en eaux profondes, là où une éolienne traditionnelle ne peut pas tenir fermement. Leur hauteur est adaptable, de sorte qu’ils peuvent être déplacés vers le haut ou vers le bas là où le vent souffle le plus fort, ce qui change souvent avec les saisons. « C’est une si bonne idée », acquiesce Archer. « L’attrait est sa simplicité en termes de matériaux et de coûts. »

Une éolienne aéroportée Skysails à Klixbüll, en Allemagne.
Groupe SkySails

« Cela ne remplacera pas l’éolien conventionnel », ajoute Archer. Mais les partisans envisagent des parcs éoliens hébergeant des centaines de cerfs-volants flottant sur des barges dans les eaux profondes au large, tandis que des ailes simples – ou des réseaux plus petits – pourraient se déployer pour aider à alimenter des îles éloignées, des installations militaires temporaires ou des opérations minières dans les montagnes.

Ces idées existent depuis des décennies, mais le chemin vers l’utilisation de cerfs-volants, d’ailes ou de drones pour capturer l’énergie éolienne a été cahoteux. En 2020, par exemple, une société d’énergie éolienne aéroportée acquise par Google s’est rendue célèbre après que les ingénieurs n’aient pas pu faire fonctionner leur système de manière économique. Mais d’autres qui recherchent des versions plus légères et plus simples de la technologie, comme SkySails, deviennent désormais commerciales. Un rapport du département américain de l’énergie de 2021 au Congrès a conclu que l’idée avait beaucoup de potentiel, avec des systèmes aéroportés probablement capables de récolter le même ordre de grandeur d’énergie que les systèmes éoliens au sol aux États-Unis. Mais, ajoutent-ils, la technologie a un long chemin à parcourir avant qu’il ne devienne un élément important de la solution énergétique du pays.


SkySails a en fait commencé en 2001 avec un objectif différent : construire des ailes de cerf-volant souples pour tirer les navires en mer. L’industrie du transport maritime s’est traditionnellement appuyée sur un combustible fossile brut et sale appelé combustible de soute, et l’idée était qu’une aile pouvait, comme les voiles d’autrefois, aider à réduire considérablement les besoins en carburant d’un navire. C’était un concept en avance sur son temps. SkySails s’attendait à ce que les prix du pétrole continuent d’augmenter, rendant leur produit plus attractif. Au lieu de cela, les prix du pétrole se sont effondrés en 2009 (et à nouveau en 2014 et 2020). Maintenant, avec des exigences plus strictes de l’Organisation maritime internationale de l’ONU pour que les navires réduisent leurs émissions, d’autres entreprises, y compris une spin-off d’Airbus, fabriquent des ailes pour remorquer des navires massifs. Mais en 2015, SkySails s’est concentré sur la production d’électricité avec SkySails Power.

Les cerfs-volants produisent de l’électricité moins chère que de nombreux endroits éloignés paient pour les générateurs diesel.

Leur système – comme plusieurs autres en cours de développement – repose sur une aile en forme de parachute d’environ 150 mètres carrés pour rouler sur le vent. Il n’y a pas de turbines dans les airs et l’attache n’est pas un fil électrique. Au lieu de cela, l’énergie est générée au sol, à partir du remorqueur sur la ligne. « Le frein du treuil génère de l’électricité », explique Fagiano. Le logiciel fait voler le cerf-volant de manière autonome dans un schéma en huit pour obtenir la traction la plus forte possible pour produire de l’énergie. Le système modifie ensuite le schéma de vol de l’aile afin qu’elle puisse être tirée avec une résistance minimale, dépensant un peu d’énergie pour la remonter. Ce schéma se répète, créant bien plus d’énergie qu’il n’en consomme.

Cela semble simple et le système de production d’énergie est assez standard. Mais Stephan Brabeck, directeur de la technologie chez SkySails, explique qu’il a fallu environ 7 ans à l’équipe pour perfectionner le logiciel de vol, en particulier pour que l’aile puisse atterrir et décoller de manière autonome en toute sécurité. Ils ont maintenant fabriqué et vendu cinq unités, dit Brabeck, celle de Maurice étant la première à être opérationnelle. Ils estiment que l’aile devra atterrir environ 14 fois par an à cause de fortes pluies, de vents inadaptés ou d’orages. Des ouragans occasionnels, qu’un système aérien peut affronter caché au sol, sont ce qui rend l’île inadaptée aux éoliennes traditionnelles, explique Brabeck, ingénieur en aérospatiale.

Cette photographie nocturne à longue exposition montre le schéma de vol en forme de huit du système de vent aéroporté de Kitepower.

Cette photographie nocturne à longue exposition montre le schéma de vol en forme de huit du système de vent aéroporté de Kitepower.
puissance de cerf-volant

Les voiles sont moins intrusives sur l’horizon que les turbines traditionnelles et plus silencieuses aussi, dit Brabeck. Et ils ont un sens économique, dit-il, pour quiconque paie actuellement plus de 30 cents par kilowattheure à partir de générateurs diesel. Mais il y a des défis. Les éoliennes peuvent tuer ou blesser les oiseaux migrateurs, et la façon dont les oiseaux réagiront à ces cerfs-volants « n’a pas encore été très bien étudiée », dit Fagiano. SkySails a des études en cours. L’attache d’un tel système, note Archer, pourrait théoriquement déclencher des drones ou même de petits avions. Et si une attache se casse ou si le système de guidage tombe en panne, un système peut s’écraser au sol.

Ce n’est peut-être pas un gros problème pour une aile souple, mais d’autres sociétés recherchent des ailes rigides plus comme un deltaplane que comme un parapente. Ceux-ci peuvent être plus efficaces et avoir un meilleur contrôle, mais les accidents peuvent être un problème plus important, ce qui en fait un meilleur pari pour une utilisation offshore. « Essentiellement, ce sont des avions », explique Fagiano. « Ils devront atteindre un niveau de fiabilité proche des avions civils. »

Une troisième option, plus ambitieuse, consiste à fabriquer un drone à ailes dures qui embarque de lourdes éoliennes et des générateurs et envoie l’électricité par le câble. Cette option produirait une énergie plus constante (sans avoir besoin de faire un cycle entre la production d’énergie et la dépense énergétique), mais c’est un problème difficile à résoudre.

« Nous parlons d’une technologie complètement nouvelle avec beaucoup d’aspects », déclare Fagiano. « Nouvelles turbines. Tout nouveau. Google a repris un de ces projets, dirigé par Makani Technologies, en 2013. Ils ont effectué quelques essais réussis, mais l’économie ne s’additionnait pas, et en 2020, le projet Makani s’est replié. Google a publié un film YouTube sur l’expérience et a mis à disposition gratuitement toute la R&D et les brevets de Makani.

Un drone Makani à ailes dures équipé d'éoliennes.

Un drone Makani à ailes dures équipé d’éoliennes.
Développement X LLC

De nombreuses autres entreprises sont maintenant dans la course pour reprendre là où Google s’est arrêté ou pour trouver une meilleure solution. Cela comprend Kitepower, basé aux Pays-Bas, qui a un projet dans les Caraïbes, et Kitemill, basé en Norvège, qui vise à fabriquer des systèmes à l’échelle du mégawatt. D’autres conçoivent même des systèmes similaires qui fonctionnent selon le même principe, mais sous l’eau plutôt que dans les airs, en utilisant les courants océaniques au lieu du vent pour entraîner un planeur sous-marin en forme de huit. SkySails prévoit de tester le concept d’un parc éolien aéroporté dans le Midwest américain avant de se déplacer au large. « Vous avez besoin de beaucoup d’espace », dit Brabeck.

Alors que l’activité commerciale s’intensifie, dit Fagiano, l’un des plus grands obstacles est réglementaire : les règles de l’espace aérien ne sont pas conçues pour s’adapter à ces ailes. « C’est de la poule et de l’œuf », dit-il. « Tant qu’il n’y a pas de technologies, ils ne font pas de réglementation. Sans réglementation, il est difficile pour les entreprises de lever des fonds.

Avec les premiers produits pilotes commerciaux désormais disponibles, « dans les régions éloignées, les coûts sont déjà assez compétitifs », déclare Fagiano. Si les systèmes éoliens aériens commencent à être produits en masse, dit-il, il ne fait aucun doute qu’ils produiront de l’énergie abordable. « La question, » dit-il, « est de savoir si nous atteignons jamais la production de masse. »