En matière de production d’énergie, il n’y a pas de repas gratuit, malheureusement.
Alors que le monde entame sa transition à grande échelle vers des sources d’énergie à faible teneur en carbone, il est vital de bien comprendre les avantages et les inconvénients de chaque type et de prendre en compte les impacts environnementaux des énergies renouvelables, aussi faibles soient-ils par rapport au charbon et au gaz.
Dans deux articles – publiés aujourd’hui dans les revues Environmental Research Letters et Joule – des chercheurs de l’Université de Harvard constatent que la transition vers l’énergie éolienne ou solaire aux États-Unis.Dans deux articles, publiés aujourd’hui dans les revues Environmental Research Letters et Joule, des chercheurs de l’université de Harvard ont constaté que le passage à l’énergie éolienne ou solaire aux États-Unis nécessiterait cinq à vingt fois plus de terres que ce que l’on pensait auparavant et que, si de tels parcs éoliens à grande échelle étaient construits, les températures moyennes à la surface du continent américain se réchaufferaient de 0,24 degré Celsius.
« Le vent bat le charbon dans tous les domaines de l’environnement, mais cela ne signifie pas que ses impacts sont négligeables », a déclaré David Keith, professeur de physique appliquée Gordon McKay à l’école d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard (SEAS) et auteur principal des articles. « Nous devons rapidement abandonner les combustibles fossiles pour mettre fin aux émissions de carbone. Ce faisant, nous devons faire des choix entre diverses technologies à faible émission de carbone, qui ont toutes un certain impact social et environnemental. »
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 est de comprendre quelle superficie de terre serait nécessaire pour répondre aux futures demandes énergétiques des États-Unis. Même en partant des demandes d’énergie d’aujourd’hui, la superficie des terres et les densités de puissance associées nécessaires ont longtemps été débattues par les experts en énergie.
Dans des recherches antérieures, Keith et ses coauteurs ont modélisé la capacité de production de parcs éoliens à grande échelle et ont conclu que la production d’énergie éolienne dans le monde réel avait été surestimée parce qu’ils avaient négligé de tenir compte avec précision des interactions entre les turbines et l’atmosphère.
Dans la recherche de 2013, Keith a décrit comment chaque éolienne crée une « ombre de vent » derrière elle où l’air a été ralenti par les pales de l’éolienne. Les parcs éoliens à l’échelle commerciale d’aujourd’hui espacent soigneusement les turbines pour réduire l’impact de ces ombres de vent, mais étant donné que l’on s’attend à ce que les parcs éoliens continuent de s’étendre à mesure que la demande d’électricité dérivée du vent augmente, les interactions et les impacts climatiques associés ne peuvent être évités.
Ce qui manquait à ces recherches précédentes, cependant, c’était des observations pour soutenir la modélisation. Puis, il y a quelques mois, l’U.S. Geological Survey a publié les emplacements de 57 636 éoliennes autour des États-Unis.En utilisant cet ensemble de données, en combinaison avec plusieurs autres bases de données du gouvernement américain, Keith et le stagiaire postdoctoral Lee Miller ont pu quantifier la densité de puissance de 411 parcs éoliens et de 1 150 centrales solaires photovoltaïques en activité aux États-Unis.États-Unis au cours de l’année 2016.
« Pour l’éolien, nous avons constaté que la densité de puissance moyenne – c’est-à-dire le taux de production d’énergie divisé par la surface englobante de la centrale éolienne – était jusqu’à 100 fois inférieure aux estimations de certains grands experts en énergie », a déclaré Miller, qui est le premier auteur des deux articles. « La plupart de ces estimations ne tenaient pas compte de l’interaction turbine-atmosphère. Pour une éolienne isolée, les interactions ne sont pas du tout importantes, mais une fois que les parcs éoliens sont à plus de cinq à dix kilomètres de profondeur, ces interactions ont un impact majeur sur la densité de puissance. »
Les densités de puissance éolienne basées sur l’observation sont également beaucoup plus faibles que les estimations importantes du U.S. Department of Energy et du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.
Pour l’énergie solaire, la densité de puissance moyenne (mesurée en watts par mètre carré) est 10 fois plus élevée que l’énergie éolienne, mais également beaucoup plus faible que les estimations des principaux experts en énergie.
Cette recherche suggère que non seulement les parcs éoliens nécessiteront plus de terres pour atteindre les objectifs proposés en matière d’énergie renouvelable, mais aussi qu’à une si grande échelle, ils deviendraient un acteur actif du système climatique.
La question suivante, telle qu’explorée dans la revue Joule, était de savoir comment de tels parcs éoliens à grande échelle auraient un impact sur le système climatique.
Pour estimer les impacts de l’énergie éolienne, Keith et Miller ont établi une base de référence pour le climat américain de 2012-2014 en utilisant un modèle standard de prévision météorologique. Ils ont ensuite recouvert un tiers de la partie continentale des États-Unis d’un nombre suffisant d’éoliennes pour répondre à la demande d’électricité actuelle des États-Unis. Les chercheurs ont constaté que ce scénario entraînerait un réchauffement de 0,24 degré Celsius de la température de surface de la partie continentale des États-Unis, les changements les plus importants se produisant la nuit, lorsque les températures de surface augmentent de 1,5 degré. Ce réchauffement est le résultat du fait que les éoliennes mélangent activement l’atmosphère près du sol et en altitude tout en s’extrayant simultanément du mouvement de l’atmosphère.
Cette recherche soutient plus de 10 autres études qui ont observé un réchauffement près des parcs éoliens américains opérationnels. Miller et Keith ont comparé leurs simulations à des études d’observation par satellite dans le nord du Texas et ont trouvé des augmentations de température à peu près cohérentes.
Miller et Keith s’empressent de souligner l’improbabilité que les États-Unis produisent autant d’énergie éolienne qu’ils le simulent dans leur scénario, mais un réchauffement localisé se produit dans des projections encore plus petites. La question qui s’ensuit est alors de comprendre à quel moment les avantages croissants de la réduction des émissions sont à peu près égaux aux impacts quasi instantanés 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 fait plus important que l’effet de la réduction des émissions pendant le premier siècle de son exploitation. Cela s’explique par le fait que l’effet de réchauffement est principalement local au parc éolien, tandis que les concentrations de gaz à effet de serre doivent être réduites à l’échelle mondiale avant que les avantages ne se concrétisent.
Miller et Keith ont répété le calcul pour l’énergie solaire et ont constaté que ses impacts climatiques étaient environ 10 fois plus faibles que ceux de l’éolien.
« Les impacts climatiques directs de l’énergie éolienne sont instantanés, tandis que les avantages de la réduction des émissions s’accumulent lentement », a déclaré Keith. « Si votre perspective est les dix prochaines années, l’énergie éolienne a en fait – à certains égards – plus d’impact sur le climat que le charbon ou le gaz. Si votre perspective est les mille prochaines années, alors l’énergie éolienne a énormément moins d’impact climatique que le charbon ou le gaz.
« Ce travail ne doit pas être considéré comme une critique fondamentale de l’énergie éolienne », a-t-il ajouté. « 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 un premier pas vers une évaluation plus sérieuse de ces impacts pour toutes les énergies renouvelables. Notre espoir est que notre étude, combinée aux récentes observations directes, marque un tournant où les impacts climatiques de l’énergie éolienne commencent à être sérieusement pris en compte dans les décisions stratégiques sur la décarbonisation du système énergétique. »
Cette recherche a été financée par le Fonds pour la recherche innovante sur le climat et l’énergie.